СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ТЕЧИ В НАПОРНОМ ТРУБОПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01M3/08 

Предлагаемые способ и устройство относятся к контрольно-измерительной технике и могут быть использованы для определения координат течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения.

Известны способы и устройства для определения места течи в подземных трубопроводах (авт. свид. СССР 336.463, 380.909, 380.910, 411.268, 417.675, 724.957, 930.034, 932.098, 934.269, 941.776, 947.666, 1.079.946, 1.208.402, 1.216.550, 1.283.566, 1.368.685, 1.610.347, 1.657.988, 1.672.105, 1.679.232, 1.777.014, 1.781.577, 1.800.219, 1.812.386; патенты РФ 2.011.110, 2.036.372, 2.047.039, 2.047.815, 2.053.436, 2.084.757; патенты США 3.045.116, 3.744.298, 4.289.019, 4.570.477; патенты Великобритании 1.349.120; патенты Франции 2.374.628, 2.504.651; патенты ФРГ 3.112.829; патенты Японии 46-11795, 55-6856, 59-38.537, 60-245900, 63-22531; Волошин В.И. и др. Акустический определитель местоположения развивающегося дефекта. Дефектоскопия, 1980, 8, с.69-74 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ определения места течи в напорном трубопроводе" (авт. свид. СССР 934.269, G 01 V 3|08, 1980), который и выбран в качестве прототипа.

Согласно указанному способу в грунте, под которым находится трубопровод, создается электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования вдоль трассы трубопровода, измеряется сдвиг фаз между излучаемым в грунт сигналом и отраженным от трубопровода сигналом. Указанный сдвиг фаз определяется частотой зондирующего сигнала, расстоянием от поверхности земли до трубопровода и электрическими параметрами грунта. Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными.

При зондировании грунта над поврежденным участком трубопровода как излучаемый в грунт сигнал, так и отраженный от трубопровода сигнал проходит по влажному слою грунта, образованному при вытекании жидкости из контролируемого трубопровода. При прохождении электромагнитной волны по влажному грунту, имеющему отличные от сухого грунта электрические параметры (Большую проводимость и диэлектрическую проницаемость,) изменяется фазовая скорость распространения волны. Это приводит к изменению сдвига фаз, по которому судят о наличии течи на данном участке трубопровода.

Недостатком известного способа является неоднозначность фазовых измерений, так как измеряемый фазовый сдвиг может превышать 360^o, а это не учитывается в указанном техническом решении.

Кроме того, отраженный от трубопровода сигнал 10 воздействует на приемную антенну 4. На эту же антенну воздействует мешающее прямое излучение передатчика 13 и отраженный сигнал 14 от границы раздела воздух-грунт. Указанные факторы снижают точность и разрешающую способность известного способа.

Технической задачей изобретения является повышение точности и разрешающей способности по глубине за счет исключения отражений от поверхности воздух-грунт, устранение неоднозначности фазовых измерений и использования сложного сигнала с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что по способу определения места течи в напорном трубопроводе, находящемся под слоем грунта, согласно которому осуществляют электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода и по изменению сдвига фаз между излучаемым в грунт и отраженным от трубопровода сигналами под действием жидкости, вытекающей из контролируемого трубопровода, находят место течи в трубопроводе, перед зондированием излучаемый гармонический сигнал манипулируют по фазе на 180^o в соответствии с модулирующим кодом, отраженный фазоманипулированный сигнал перемножают с опорным напряжением, выделяемым из отраженного фазоманипулированного сигнала, выделяют аналог модулирующего кода, перемножают его с отраженным фазоманипулированным сигналом, выделяют гармоническое напряжение, которое используют в качестве опорного, задерживают его по времени, равным времени распространения в грунте зондирующего и отраженного фазоманипулированных сигналов, и по измеряемому сдвигу фаз между гармоническим сигналом и опорным напряжением формируют фазовую шкалу измерения, точную, но неоднозначную, одновременно производят корреляционную обработку зондирующего и отраженного фазоманипулированных сигналов, измеряют время задержки отраженного фазоманипулированного сигнала по отношению к излучаемому фазоманипулированному сигналу, формируя тем самым временную шкалу измерений, грубую, но однозначную, учитывают результаты измерений по фазовой и временной шкалам и оценивают по ним изменения сдвига фаз вдоль трассы трубопровода.

В устройство определения места течи в напорном трубопроводе, содержащем последовательно включенные передатчик и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, приемник, фазовый детектор и измеритель выходного напряжения, введены блок регулируемой задержки, коррелятор, измерительный прибор, экстремальный регулятор и указатель глубины залегания трубопровода, причем передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора модулирующего кода, и усилитель мощности, выход которого является выходом передатчика, приемник выполнен в виде последовательно подключенных к приемной антенне усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, фильтра нижних частот, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, узкополосного фильтра и ключа, второй вход которого через триггер соединен со вторым выходом генератора модулирующего кода и с первым выходом указателя глубины залегания трубопровода, а выход является выходом приемника, второй вход фазового детектора соединен со вторым выходом генератора высокой частоты, ко второму выходу генератора модулирующего кода последовательно подключены блок регулируемой задержки, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, измерительный прибор, экстремальный регулятор и указатель глубины залегания трубопровода, второй выход которого соединен со вторым входом блока регулируемой задержки.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения места течи в напорном трубопроводе, представлена на фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие работу способа и устройства, изображены на фиг.2.

Устройство содержит передатчик 1, выполненный в виде последовательно включенных генератора 15 высокой частоты, фазового манипулятора 17, второй вход которого соединен с первым выходом генератора 16 модулирующего кода, и усилителя 18 мощности, выход которого соединен с передающей антенной 3, приемник 2, выполненный в виде последовательно подключенных к приемной антенне 4 усилителя 19 высокой частоты, первого перемножителя 20, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 23, фильтра 21 нижних частот, второго перемножителя 22, второй вход которого соединен с выходом усилителя 19 высокой частоты узкополосного фильтра 23 и ключа 25, второй вход которого через триггер 24 соединен со вторым выходом генератора 16 модулирующего кода и первым выходом указателя 30 глубины залегания трубопровода, а выход является выходом приемника 2, к которому последовательно подключены фазовый детектор 5, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора 15 высокой частоты, и измеритель 6 выходного напряжения. Ко второму выходу генератора 16 модулирующего кода последовательно подключены блок 26 регулируемой задержки, коррелятор 27, второй вход которого соединен с выходом фильтра 21 нижних частот, измерительный прибор 28, экстремальный регулятор 29 и указатель 30 глубины залегания трубопровода, второй выход которого соединен со вторым входом блока 26 регулируемой задержки.

Сущность предлагаемого способа определения места течи в напорном трубопроводе заключается в следующем.

Фазовый сдвиг ΔФ между гармоническим сигналом, с помощью которого формируют зондирующий фазоманипулированный сигнал, и опорным напряжением, выделяемым из отраженного фазоманипулированного сигнала, определяется выражением
ΔФ = 2π(K+p),
где К - целое число фазовых циклов в 2π; р - дробная часть последнего фазового цикла.

При этом временная шкала измерений, формируемая корреляционной обработкой зондирующего и отраженного фазоманипулированных сигналов, является грубой, но однозначной шкалой измерения фазового сдвига
ΔФ_л = 2πK.
Фазовая шкала измерений является точной, но неоднозначной шкалой измерения дробной части последнего фазового цикла
Δϕ = 2πp.
За счет переменной временной задержки отраженного сигнала обеспечивают устранение влияния прямого излучения 13 передающей антенны 3 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух-грунт и от слоев грунта с различной глубиной залегания.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В грунте 7 создают электромагнитное поле путем его электромагнитного зондирования вдоль трассы трубопровода 8. Электромагнитное зондирование грунта 7 вдоль трассы трубопровода 8, например в точке А, осуществляют с помощью передатчика 1, выполненного в виде последовательно включенных генератора 15 высокой частоты, фазового манипулятора 17, второй вход которого соединен с первым выходом генератора 16 модулирующего кода, и усилителя 18 мощности.

Генератор 15 высокой частоты формирует гармонический сигнал (фиг.2,а)
U_c(t) = V_c•cos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c,
где V_c, ω_c, ϕ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического сигнала, который поступает на первый вход фазового манипулятора 17, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 16 модулирующего кода (фиг.2, б). На выходе фазового манипулятора 17 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.2, в)
U₁(t) = V_c•cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c], 0≤t≤T_c,
где ϕ_k(t) = {O,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_k(t) = const при Kτ_э<t<(K+!)τ_э и может изменяться скачком при t = Kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1,3,...N-1); τ_э,N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c = N•τ_э), который после усиления в усилителе 18 мощности через передающую антенну 3 излучается в направлении трубопровода 8 (сигнал 9). При достижении сигналом 9 трубопровода 8 происходит его частичное отражение в сторону поверхности земли (точка А).

Отраженный ФМн-сигнал (сигнал 10) (фиг.2,г)

где время запаздывания отраженного от трубопровода сигнала по отношению к зондирующему сигналу;
h - глубина залегания трубопровода;
скорость распространения сигнала в грунте;
С - скорость распространения радиоволн;
ε - диэлектрическая проницаемость грунта;
улавливается приемной антенной 4 и через усилитель 19 высокой частоты поступает на входы перемножителей 20 и 22. На второй вход перемножителя 20 с выхода узкополосного фильтра 23 подается опорное напряжение (фиг.2, д)
U₀(t) = V₀•cos(ω_ct+ϕ₂).
В результате перемножения указанных сигналов образуется результирующее напряжение

где коэффициент передачи перемножителя.

Аналог модулирующего кода (фиг.2, е)
U₃(t) = V₁•cosϕ_k(t-τ_т)
выделяется фильтром 21 нижних частот и поступает на второй вход перемножителя 22, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

где
Данное напряжение выделяется узкополосным фильтром 23 и подается на второй вход перемножителя 20.

На границе раздела воздух-грунт, характеризующейся скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный сигнал 14, воздействующий на приемную антенну 4. На эту же антенну воздействует мешающее прямое излучение 13 передатчика 1. Эти факторы снижают точность и разрешающую способность по глубине. Для их устранения используются блок 26 регулируемой задержки, триггер 24 и ключ 25.

Модулирующий код M(t) (фиг.2, б) со второго выхода генератора 16 поступает на установочный вход триггера 24. Триггер 24 переводится в первое (нулевое) состояние, при котором на его выходе формируется отрицательное напряжение.

Управляющий сигнал, задержанный на время τ_т Т, с первого выхода указателя 30 глубины залегания трубопровода поступает на второй вход триггера 24. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 25 и открывает его. В исходном состоянии ключ 25 всегда закрыт.

Указатель 30 глубины залегания трубопровода обеспечивает устранение влияния прямого излучения передающей антенны 3 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух-грунт и от слоев грунта с различной глубиной залегания.

Опорное напряжение U₀(t) с выхода узкополосного фильтра 23 через открытый ключ 25 поступает на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается гармонический сигнал U_c(t) (фиг.2, а) с второго выхода генератора 15 высокой частоты. На выходе фазового детектора 5 образуется постоянное напряжение
U_н(Δϕ)+V_н•cosΔϕ,
где К₂ - коэффициент передачи фазового детектора; Δϕ = ϕ_c-ϕ₂ - фазовый сдвиг; пропорциональное дробной части последнего фазового цикла Δϕ. Так формируется фазовая шкала измерений, точная, но неоднозначная.

Модулирующий код M(t) (фиг.2, б) со второго выхода генератора 16 модулирующего кода через блок 26 регулируемой задержки поступает на первый вход коррелятора 27, на второй вход которого подается аналог модулирующего кода U₃(t) (фиг.2, е). Получаемая на выходе коррелятора 27 корреляционная функция R(τ), измеряемая измерительным прибором 28, имеет максимум при значении введенного регулируемого запаздывания τ = τ_т. Максимальное значение R(τ_т) поддерживается с помощью экстремального регулятора 29, воздействующего на блок 26 регулируемой задержки. Шкала блока 26 регулируемой задержки (указатель 30 глубины залегания трубопровода 8) градуируется непосредственно в значениях дальности. Так формируется временная шкала измерений, грубая, но однозначная. Учитывают результаты измерений по фазовой и временной шкалам и оценивают по ним изменения сдвига фаз вдоль трассы трубопровода.

Измеряемый сдвиг фаз
ΔФ = 2π(K+p)
определяется частотой зондирующего сигнала, расстоянием от поверхности земли до трубопровода 8 и электрическими параметрами грунта 7. Это сдвиг фаз остается неизменным при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода 8, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными.

При зондировании грунта над поврежденным участком 11 трубопровода 8 (точка В) как излучаемый в грунт ФМн-сигнал 9, так и отраженный от трубопровода 8 ФМн-сигнал 10 частично проходят по влажному слою 12 грунта 7, образованному при вытекании жидкости из контролируемого трубопровода 8, при прохождении электромагнитной волны по влажному грунту, имеющему отличные от сухого грунта электрические параметры (большую проводимость и диэлектрическую проницаемость), изменяется фазовая скорость распространения волны. Это приводит к изменению сдвига фаз ΔФ между излучателем в грунт 7 ФМн-сигналом 9 и отраженным от трубопровода 8 ФМн-сигналом 10, которое регистрируется измерителем 6 выходного напряжения и указателем 30 глубины залегания трубопровода, и по которому судят о наличии течи на участке трубопровода 8, расположенном под точкой В.

Применение данного способа облегчает нахождение с поверхности трассы подземного трубопровода, так как при отклонении в сторону от трассы будет зафиксировано отсутствие отраженного ФМн-сигнала 10.

Эффективность способа заключается в повышении производительности определения места течи за счет упрощения нахождения с поверхности трассы подземного трубопровода, а также за счет отсутствия необходимости проведения земляных работ для его реализации.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение точности и устранение неоднозначности определения координат течи в напорном трубопроводе. Это достигается использованием сложного фазоманипулированного сигнала, у которого произведение длительности Т_с на ширину спектра Δf_c/ значительно превышает единицу (B = T_c•Δf_c≫1, где В - база сигнала), а корреляционная функция R(τ) имеет один центральный лепесток, значительно превышающий уровень боковых лепестков, что дает большие преимущества в смысле повышения точности, увеличения глубинности, улучшения разрешающей способности, а также использованием двух шкал измерений: фазовой шкалы, которая является точной, но неоднозначной, и временной шкалы, которая является грубой, но однозначной и основана на корреляционной обработке зондирующего и отраженного ФМн-сигналов.

Предлагаемые способ и устройство относятся к контрольно-измерительной технике и могут быть использованы для определения координат течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения. Устройство содержит передатчик, приемник, фазовый детектор, измеритель выходного напряжения, блок регулируемой задержки, коррелятор, измерительный прибор, экстремальный регулятор и указатель 30 глубины залегания трубопровода. Передатчик устройства содержит генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, генератор модулирующего кода и усилитель мощности, выход которого соединен с передающей антенной 3. Приемник содержит усилитель высокой частоты с приемной антенной, перемножители, узкополосный фильтр, фильтр нижних частот, ключа и триггера. Технической задачей изобретения является повышение точности и разрешающей способности по глубине за счет исключения отражений от поверхности воздух-грунт, устранения неоднозначности фазовых измерений и использования сложного сигнала с фазовой манипуляцией. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения места течи в напорном трубопроводе, находящемся под слоем грунта, согласно которому осуществляют электромагнитное зондирование грунта вдоль трассы трубопровода и по изменению сдвига фаз между излучаемым в грунт и отраженным от трубопровода сигналами под действием жидкости, вытекающей из контролируемого трубопровода, находят место течи в трубопроводе, отличающийся тем, что перед зондированием излучаемый гармонический сигнал манипулируют по фазе на 180^o в соответствии с модулирующим кодом, отраженный фазоманипулированный сигнал перемножают с опорным напряжением, выделяемым из отраженного фазоманипулированного сигнала, выделяют аналог модулирующего кода, перемножают его с отраженным фазоманипулированным сигналом, выделяют гармоническое напряжение, которое используют в качестве опорного, задерживают его по времени, равным времени распространения в грунте зондирующего и отраженного фазоманипулированных сигналов, и по измеряемому сдвигу фаз между гармоническим сигналом и опорным напряжением формируют фазовую шкалу измерения, точную, но неоднозначную, одновременно производят корреляционную обработку зондирующего и отраженного фазоманипулированных сигналов, измеряют время задержки отраженного фазоманипулированного сигнала по отношению к излучаемому фазоманипулированному сигналу, формируя тем самым временную шкалу измерений, грубую, но однозначную, учитывают результаты измерений по фазовой и временной шкалам и оценивают по ним изменения сдвига фаз вдоль трассы трубопровода. 2. Устройство определения места течи в напорном трубопроводе, содержащее последовательно включенные передатчик и передающую антенну, последовательно включенные приемную антенну, приемник, фазовый детектор и измеритель выходного напряжения, отличающееся тем, что в него введены блок регулируемой задержки, коррелятор, измерительный прибор, экстремальный регулятор и указатель глубины залегания трубопровода, причем передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высоких частот, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора модулирующего кода, и усилителя мощности, выход которого является выходом передатчика, приемник выполнен в виде последовательно подключенных к приемной антенне усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, фильтра нижних частот, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, узкополосного фильтра и ключа, второй вход которого через триггер соединен со вторым выходом генератора модулирующего кода и первым выходом указателя глубины залегания трубопровода, а выход является выходом приемника, второй вход фазового детектора соединен со вторым выходом генератора высокой частоты, к второму выходу генератора модулирующего кода последовательно подключены блок регулируемой задержки, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, измерительный прибор, экстремальный регулятор и указатель глубины залегания трубопровода, второй выход которого соединен со вторым входом блока регулируемой задержки.