УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ТЕЧИ В ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ Российский патент 2003 года по МПК F17D5/06 

Предлагаемое устройство относится к электромагнитным устройствам обнаружения утечек жидкости из скрытых трубопроводов и может быть использовано также для прослеживания их трасс. Устройство реализует электромагнитный способ обнаружения мест нарушения герметичности трубопроводов.

Известны устройства для обнаружения течи в подземных трубопроводах (авт. свид. СССР 336.463, 380.910, 411.268, 417. 675, 724.957, 930.034, 932.098, 941.776, 947.666, 1.079.946, 1.208.402, 1.368.685, 1.657.988, 1.778.597, 1.778.597, 1.781.577, 1.800.219, 1.831.063; патенты РФ 2.011.110, 2.018.965, 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; патент Великобритании 1.349.120; патенты Франции 2.374.628, 2.504.651; патент ФРГ 3.112.829; патенты Японии 46-11.795, 55-6.856, 63-22.531; Волошин В.И. и др. Акустический определитель местоположения развивающегося дефекта. // Дефектоскопия, 1980, 8. -С. 69-74 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для обнаружения течи в подземных трубопроводах" (патент РФ 2.018.965, G 08 В 21/00, 1990), которое и выбрано в качестве прототипа.

Данное устройство содержит два источника излучения с возбуждающими частотами f₁ и f₂, которые наводят токи в исследуемом трубопроводе. Приемные магнитные антенны информационных сигналов частот f₁ и f₂ разнесены в пространстве и включены дифференциально, а антенны совмещены и расположены в центре между разнесенными. В приемнике происходит взаимно корреляционная обработка сигналов.

Принцип работы предлагаемого устройства основан на применении двухчастотного источника излучения, а также дифференциальных усилителей со своими приемными антеннами и смесителями по соответствующим рабочим частотам, соединенными через усилители нижних частот с входами перемножителя и интегратора. Результат перемножения сигналов нижних частот, являющихся корреляционной функцией перемноженных сигналов, соответствует усредненной величине взаимной спектральной плотности мощности сигналов, возникающих вследствие параметрической модуляции наведенных в трубе токов флуктуирующим сопротивлением струи истекающей жидкости.

Поскольку внешние помехи, проходящие по каждому из каналов, не коррелированы между собой, то сигнал с выхода перемножителя определяется только течью, а результат перемножения помех на выходе интегратора равен нулю.

Использование дифференциальной комбинации антенн позволяет снизить прохождение первичного поля генератора ПЭВМ и внешних однородных по пространству электромагнитных помех. При этом сигнальная компонента удваивается, поскольку токи утечки трубопровода через струю жидкости сдвинуты по фазе на 180^o.

Применение, кроме того, амплитудного детектора в канале опорного сигнала с системой индикации трассы через второй модулятор, а также первого модулятора между индикатором течи и пороговым элементом является дополнительным отличием, позволяющим увеличить производительность работ за счет оперативной индикации трассы и локализации места утечки простым приемом на слух.

Характерной особенностью указанного устройства являются ограничения по диапазону измерения, которые возникают при больших скоростях движения приборного блока приемника. При этом может возникнуть неоднозначность выходных данных, соответствующая высокочастотному заполнению корреляционной функции
K(τ) = J_m(τ)cosF_НF_Bτ,
где F_H, F_B - частоты модуляции,
τ - время задержки.

Если регулируемая задержка подобрана таким образом, что τ=lt, где l - расстояние между приемными антеннами, настроенными на частоты f₁ и f₂, то выходной сигнал коррелятора будет изменяться в соответствии с кривой в виде низкочастотного колебания с частотой Доплера и амплитудой убывающей по закону огибающей (фиг.3,а).

Поэтому необходимо соблюдать условие
|cosF_НF_Bτ| = 1,
которое выполняется при F_НF_Bτ = 2πk
где k=0, 1,2,... .

Указанный недостаток можно устранить при квадаратурной корреляционной обработке принимаемых сигналов, что и сделано в предлагаемом устройстве.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности обнаружения течи в подземных трубопроводах путем квадратурной корреляционной обработки принимаемых сигналов.

Поставленная задача решается тем, что устройство, содержащее два источника излучения первой и второй частоты, последовательно включенные первую приемную антенну первой частоты, первый дифференциальный усилитель, второй вход которого соединен с выходом второй приемной антенны первой частоты, первый смеситель, второй вход которого через первый селективный усилитель соединен с выходом третьей приемной антенны первой частоты, и первый усилитель нижних частот, последовательно включенные первую приемную антенну второй частоты, второй дифференциальный усилитель, второй вход которого соединен с выходом второй приемной антенны второй частоты, второй смеситель, второй вход которого через второй селективный усилитель соединен с выходом третьей приемной антенны второй частоты, второй усилитель нижних частот, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя нижних частот, и первый интегратор, последовательно включенный пороговый элемент, первый модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора первой тональной частоты, и индикатор течи, последовательно подключенные к выходу первого селективного усилителя амплитудный детектор, второй модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора второй тональной частоты, и индикатор трассы, при этом одноименные приемные антенны первой и второй частот размещены попарно на одной прямой на одинаковом расстоянии между парами, снабжено двумя фазовращателями на 90^o, вторым перемножителем, вторым интегратором, двумя квадраторами, сумматорами и блоком извлечения квадратного корня, причем к выходу первого усилителя нижних частот последовательно подключены первый фазоваращатель на 90^o, второй перемножитель, второй вход которого через второй фазовращатель на 90^o соединен с выходом второго усилителя нижних частот, второй интегратор, первый квадратор, сумматор, второй вход которого через квадратор соединен с выходом первого интегратора, и блок извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом порогового элемента.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Схема разреза исследуемого участка земли изображена на фиг.2. Вид корреляционной функции показан на фиг.3.

Устройство содержит два источника излучения, выполненных в виде усилителей 1, 2 мощностей с внешним возбуждением соответственно для рабочих частот f₁, f₂, соединенных с излучающими магнитными антеннами 3, 4, которые наводят токи в исследуемом трубопроводе 5, модулированные функциями проводимости утечки воды через отверстие в трубе. Устройство также содержит последовательно включенные первую приемную антенну 7 первой частоты, первый дифференциальный усилитель 9, второй вход которого соединен с выходом второй приемной антенны 8 первой частоты, первый смеситель 10, второй вход которого через первый селективный усилитель 13 соединен с выходом третьей приемной антенны 14 первой частоты, и первый усилитель 11 нижних частот, последовательно включенные первую приемную антенну 15 второй частоты, второй дифференциальный усилитель 17, второй вход которого соединен с выходом второй приемной антенны 16 второй частоты, второй смеситель 18, второй вход которого через второй селективный усилитель 20 соединен с выходом третьей приемной антенны 21 второй частоты, второй усилитель 19 нижних частот, первый перемножитель 12, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 11 нижних частот, первый интегратор 22, второй квадратор 36, сумматор 37, блок 38 извлечения квадратного корня, пороговый элемент 23, первый модулятор 24, второй вход которого соединен с выходом генератора 25 первой тональной частоты, и индикатор 26 течи, последовательно подключенные к выходу первого селективного усилителя 13 амплитудный детектор 27, второй модулятор 28, второй вход которого соединен с выходом генератора 29 второй тональной частоты, и индикатор трассы 30, последовательно подключенные к выходу первого усилителя 11 нижних частот первый фазовращатель 31 на 90^o, второй перемножитель 33. Второй вход которого через второй фазовращатель 32 на 90^o соединен с выходом второго усилителя 19 нижних частот, второй интегратор 34 и первый квадратор 35, выход которого соединен с вторым входом сумматора 37. При этом одноименные приемные антенны 7 и 15, 8 и 16, 14 и 21 первой f₁ и второй f₂ частот размещены попарно на одной прямой на одинаковом расстоянии между парами. Трубопровод расположен под поверхностью земли 39.

Конструкция всего устройства выполняется в виде жесткой штанги длиной 1 - 1,5 м, на которой по концам расположены попарно приемные антенны информационных сигналов 7, 15 и 8, 16, а в центре штанги - приемные антенны опорных сигналов 14, 21. Штанга с антеннами закрепляется на корпусе приборного блока приемника.

Устройство работает следующим образом.

Источники излучения ПЭВМ наводят в исследуемом трубопроводе 5 токи I₁, I₂ соответственно с частотами f₁ и f₂. Часть этих токов ответвляется через струю истекающей жидкости и модулируется по амплитуде флуктуациями электрического сопротивления струи. В секторе модулированного сигнала содержатся составляющие с частотами возбуждения и комбинированные продукты модуляции в диапазоне частот F_H-F_B:


где m₁, m₂ - коэффициенты амплитудной модуляции.

Вторичное магнитное поле этих сигналов принимается приемными антеннами 7, 8, 14, настроенными на частоту несущей f₁, и приемными антеннами 15, 16, 21, настроенными на частоту несущей f₂. Антенны 7, 8 и 15, 16 включены соответственно в противофазе так, чтобы сигналы внешних электромагнитных полей, в том числе первичного поля генераторов, вычитались. Поскольку направление токов утечки противоположно, то начальные фазы этих токов сдвинуты на 180^o, т.е. ϕ₁₀ = ϕ₂₀+180^°. При вычитании на входе дифференциальных усилителей 9, 17 эти сигналы складываются, что и обеспечивает первую ступень увеличения отношения сигнал/помеха на входе устройства. Отфильтрованные с помощью дифференциальных усилителей 9, 17 сигналы комбинационных частот 1 и 2 поступают поканально на сигнальный вход смесителей 10, 18. Опорные сигналы на эти смесители поступают с приемных антенн 14, 21 соответственно через селективные усилители 13, 20. В результате эффекта гетеродинирования в спектре сигналов на выходе смесителей 10, 18 появляются частоты модуляции F_H F_B, которые отфильтровываются усилителями 11, 19 нижних частот. Напряжения с выходов усилителей 11, 19 нижних частот поступают на два входа первого коррелятора, образованного первым перемножителем 12 и первым интегратором 22, и через фазовращатели 31 и 32 на 90^o - на два входа второго коррелятора, образованного вторым перемножителем 33 и вторым интегратором 34. На выходах интеграторов 22 и 34 образуются напряжения:
K₁(τ) = J_m(τ)cos(F_HF_B)τ,
K₂(τ) = J_m(τ)sin(F_HF_D)τ,
которые поступают на входы квадраторов 36 и 35 соответственно.

На выходах последних образуются напряжения:
K21

(τ) = J2m(τ)cos²(F_НF_B)τ,
K22(τ) = J2m(τ)sin²(F_НF_B)τ,
которые поступают на два входа сумматора 37. На выходе последнего образуется напряжение
K²(τ) = K21(τ)+K₂(τ) = J2m(τ).
Это напряжение поступает на вход блока 38 извлечения квадратного корня, на выходе которого образуется напряжение (фиг.3,б)
K(τ) = |R(τ)| = J_m(τ),
в котором отсутствует "высокочастотное заполнение", то есть отсутствует зависимость от частот модуляции F_H F_B. Следовательно, на выходе блока 38 извлечения квадратного корня образуется видеоимпульс, амплитуда которого пропорциональна мощности корреляционного типа перемножаемых сигналов, а длительность определяется скоростью движения оператора вдоль трассы трубопровода.

Пороговый элемент 23 формирует стандартный сигнал обнаружения, который с помощью первого модулятора 24 и генератора 25 первой тональной частоты подает на индикатор течи 26а модулированный сигнал.

Для указания трассы трубопровода служит амплитудный детектор 27, сигнал которого модулируется во втором модуляторе 28 второй тональной частоты от генератора 29 и индицируется, например, на слух с помощью индикатора 30.

Описанное устройство позволяет оператору двигаться вдоль трубопровода без остановок по сигналу индикатора 30 трассы. В момент появления искомой течи индикатор 26 течи отметит ее появление сигналом первой тональной частоты. Скорость движения 1-3 км/ч.

Фрагменты устройства и принцип действия проверялись в лабораторных условиях: от специального генератора в отрезке трубы наводился ток, а тороидальной магнитной антенной принимался сигнал и анализировался с помощью специального анализатора. При пропускании воды через трубу и имитируемый дефект спектральный анализатор фиксировал появление модулированного флюктуационного сигнала, что принципиально доказывает возможность реализации устройства. Выигрыш в помехоустойчивости определяется степенью компенсации внешних электромагнитных помех за счет дифференциального включения приемных антенн (порядка 20 дБ) и глубиной подавления помех за счет корреляционной обработки сигналов в приемнике.

Известно, что взаимно корреляционный приемник увеличивает отношение сигнал/помеха на выходе на величину базы сигнала, т.е. произведение полосы частот сигнала на его длительность.

Полагая, что полоса частот полезного сигнала соответствует F_Н-F_B = ΔF = 1кГц, а его длительность равна Т_с=1_с, можно оценить выигрыш предлагаемого приемника по сравнению с известными как ΔFT_C = 10³, т.е. 60 дБ по мощности.

Таким образом, предлагаемое устройство для обнаружения течи в подземных трубопроводах по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности обнаружения течи в подземных трубопроводах. Это достигается корреляционной квадратурной обработкой принимаемых сигналов.

Изобретение относится к электромагнитным устройствам обнаружения течи в подземных трубопроводах. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности обнаружения течи в подземных трубопроводах путем квадратурной корреляционной обработки принимаемых сигналов. Устройство снабжено двумя фазовращателями на 90^o, вторым перемножителем, вторым интегратором, двумя квадраторами, сумматором и блоком извлечения квадратного корня, причем к выходу первого усилителя нижних частот последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, второй перемножитель, второй вход которого через второй фазовращатель на 90^o соединен с выходом второго усилителя нижних частот, второй интегратор, первый квадратор, сумматор, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом первого интегратора, и блок извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом порогового элемента. 3 ил.

Устройство для обнаружения течи в подземных трубопроводах, содержащее два источника излучения первой и второй частот, последовательно включенные первую приемную антенну первой частоты, первый дифференциальный усилитель, второй вход которого соединен с выходом второй приемной антенны первой частоты, первый смеситель, второй вход которого через первый селективный усилитель соединен с выходом третьей приемной антенны первой частоты, и первый усилитель нижних частот, последовательно включенные первую приемную антенну второй частоты, второй дифференциальный усилитель, второй вход которого соединен с выходом второй приемной антенны второй частоты, второй смеситель, второй вход которого через второй селективный усилитель соединен с выходом третьей приемной антенны второй частоты, второй усилитель нижних частот, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя нижних частот, и первый интегратор, последовательно включенные пороговый элемент, первый модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора первой тональной частоты, и индикатор течи, последовательно подключенные к выходу первого селективного усилителя амплитудный детектор, второй модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора второй тональной частоты, и индикатор трассы, при этом одноименные приемные антенны первой и второй частот размещены попарно на одной прямой на одинаковом расстоянии между парами, отличающееся тем, что оно снабжено двумя фазовращателями на 90^o, вторым перемножителем, вторым интегратором, двумя квадраторами, сумматором и блоком извлечения квадратного корня, причем к выходу первого усилителя нижних частот последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, второй перемножитель, второй вход которого через второй фазовращатель на 90^o соединен с выходом второго усилителя нижних частот, второй интегратор, первый квадратор, сумматор, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом первого интегратора, и блок извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом порогового элемента.