СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА РАЗРЫВА ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2004 года по МПК F17D5/06 

Предлагаемый способ относится к области транспортировки жидкостей, газов и других продуктов с помощью трубопроводов, а именно к способам для наблюдения за целостностью трубопроводов, расположенных на земной поверхности, и выявления мест их разрывов.

Известны способы обнаружения места разрыва трубопровода (авт. свид. СССР №642575, 723291, 1812386; патент РФ №2135887; патент Франции №2642818 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является “Способ обнаружения места разрыва трубопровода” (патент РФ №2135887, F 17 D 5/06, 1997), который и выбран в качестве прототипа.

Данный способ заключается в приеме электромагнитных волн вне трубопровода и определении места разрыва трубопровода. При этом к концам трубопровода подводят переменное электрическое напряжение с частотой, соответствующей генерации электромагнитных волн с длиной волн, близкой к размеру предполагаемого разрыва или диаметру трубопровода.

Однако известный способ не обеспечивает оперативного обнаружения и определения местоположения разрыва магистрального трубопровода.

Технической задачей изобретения является повышение оперативности обнаружения и определения местоположения разрыва магистрального трубопровода путем облета его на вертолете.

Поставленная задача решается тем, что согласно способа обнаружения разрыва трубопровода, заключающегося в генерации электромагнитных волн непосредственно самим разрывом трубопровода, для чего подводят к концам трубопровода переменное электрическое напряжение с частотой, соответствующей длинам волн, находящихся в пределах диаметра трубопровода, а источник возникающего излучения связывают с местонахождением разрыва трубопровода, осуществляют облет трубопровода вертолетом, на противоположных концах лопастей несущего винта которого размещают две приемные антенны, а принятые электромагнитные волны, генерируемые разрывом трубопровода, перемножают между собой, выделяют гармоническое напряжение на частоте вращения несущего винта, сравнивают его с опорным напряжением и точно измеряют азимут источника излучения электромагнитных волн, одновременно осуществляют автокорреляционную обработку электромагнитных волн, принятых одной антенной, и однозначно измеряют азимут источника излучения электромагнитных волн, уменьшая индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ_кр с помощью диференциально-фазового пеленгатора, по результатам измерения интервалов времени, связанных с функцией модуляции частоты принятых электромагнитных волн при вращении приемной антенны, расположенной на конце лопасти несущего винта, определяют дальность до источника излучения электромагнитных волн, по результатам измерения азимута и дальности определяют местонахождение разрыва трубопровода, где R - радиус окружности, на которой расположены приемные анетнны, λ_кр - критическая длина волны излучения.

Расположение приемных антенн на вертолете показано на фиг.1. Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.2.

Устройство содержит последовательно включенные первую приемную антенну 5, первый усилитель 7 высокой частоты, перемножитель 9, второй вход которого соединен с выходом усилителя 8 высокой частоты, узкополосный фильтр 13, первый фазометр 14, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 17, и блок 18 регистрации, последовательно включенные вторую приемную антенну 6, второй усилитель 8 высокой частоты, линию 10 задержки, фазовый детектор 11, второй вход которого соединен с выходом усилителя 8 высокой частоты, и второй фазометр 15, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 17, а выход подключен к второму входу блока 18 регистрации, третий вход которого через измеритель 12 дальности соединен с выходом усилителя 8 высокой частоты. Приемные антенны 5 и 6 размещены на противоположных концах лопастей несущего винта вертолета. Двигатель 16 кинематически связан с несущим винтом вертолета и опорным генератором 17.

Предлагаемый способ обнаружения места разрыва трубопровода реализуется следующим образом.

При установке открытого трубопровода рядом с ним прокладывают электропровод 3, который подсоединяют к одному из концов трубопровода 1. Другой конец подсоединяют к другому проводу источника 4 переменного напряжения. При отсутствии разрыва излучения электромагнитных волн не происходит. В случае появления разрыва 2 трубопровода 1 место разрыва служит своеобразной антенной и начинает излучать электромагнитные волны с длиной волны, характерной размеру Д разрыва. Для определения характерного размера Д разрыва используется следующее соотношение между критической длиной волны излучения λ_кр и Д:

λ_кр=1,25Д,

при котором происходит переход от экспоненциального затухания излучения в канале, образованном разрывом 2 в стене трубопровода 1, к пропусканию, обусловленному возможностью распространения основной волны в волноводном канале разрыва 2.

Если трубопровод заполнен средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε, то соответствующая λ_кр частота излучения f_кр определяется из выражения

где с - скорость света в вакууме.

Это излучение принимается антеннами 5 и 6, размещенными на противоположных концах лопастей несущего винта вертолета

где U₁, U₂ - амплитуды принимаемых электромагнитных колебаний;

f_кр - критическая частота излучения;

R - радиус окружности, на которой расположены приемные антенны 5 и 6;

Ω=2πF - скорость вращения приемных антенн 5 и 6 (скорость вращения несущего винта вертолета);

β - пеленг на источник излучения электромагнитных колебаний (разрыв 2 трубопровода);

ϕ - угол относительно опорного фазового угла;

- фаза принимаемого сигнала.

Приемные антенны 5 и 6 перемещаются по окружности с постоянной скоростью V=ΩR на удалении R_o от источника излучения 2. За время приема электромагнитных колебаний от источника излучения антенны проходят путь L=ΩtR.

Знаки “+” и “-” перед фазой ψ(t) соответствуют диаметрально противоположным положениям антенн 5 и 6 на концах двух противоположных лопастей несущего винта вертолета.

Пеленгация источника излучения (разрыва 2 трубопровода) электромагнитных колебаний в горизонтальной (азимутальной) плоскости осуществляется дифференциально-фазовым методом с использованием обусловленной эффектом Доплера фазовой модуляции, возникающей при круговом вращении приемных антенн 5 и 6. При этом фаза огибающей модуляции сигналов зависит от направления на источник излучения.

Так как приемные антенны 5 и 6 то приближаются к источнику, то удаляются от него, возникает эффект Доплера, вызывающий пространственно-фазовую модуляцию принимаемых колебаний.

Причем величина

входящая в состав принимаемых колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы вращающихся приемных антенн. Пеленгатор тем чувствительнее к изменению угла β, чем больше относительный размер базы R/λ_кр, однако с ростом R/λ_кр уменьшается значение угловой координаты β, при которой разность фаз превосходит значение 2π, то есть наступает неоднозначность отсчета. Следовательно, при наступает неоднозначность отсчета угла β.

Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения R/λ_кр обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения R/λ_кр часто не удается из-за конструктивных соображений.

Следует отметить, что существующие вертолеты, например МИ-6, МИ-8, МИ-24, МИ-26, имеют лопасти длиной 10...20 м, число оборотов несущего винта 200 об/мин и могут совершать облет трубопровода на безопасной высоте 50...100 м.

Для повышения точности пеленгации разрыва 2 трубопровода в горизонтальной (азимутальной) плоскости приемные антенны размещаются на концах двух противоположных лопастей несущего винта вертолета. Смещение сигналов от двух диаметрально противоположных приемных антенн 5 и 6, находящихся на одинаковом расстоянии R от оси вращения несущего винта, вызывает фазовую модуляцию, которая идентична фазовой модуляции, получаемой с помощью одной приемной антенны, вращающейся по кругу, радиус R₁ которого в два раза больше (R₁=2R).

Действительно, на выходе перемножителя 9 образуется гармоническое напряжение

u₃(t)=U₃cos(2πFt-β),

где

K₁ - коэффициент передачи перемножителя,

с индексом фазовой модуляции

которое выделяется узкополосным фильтром 13 и поступает на первый вход фазометра 14, на второй вход которого подается напряжение опорного генератора 17

u_o(t)=U_ocos(2πFt+ϕ_o).

Опорный генератор 17 кинематически связан с двигателем 16 вертолета. Фазометр 14 обеспечивает точное измерение угла β, который фиксируется блоком 18 регистрации.

Для устранения неоднозначности отсчета азимута β необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ_кр.

Решить эту задачу можно применением дифференциально-фазового пеленгатора, в котором измеряется разность фаз между напряжениями

снимаемых с двух синхронно вращающихся с угловой скоростью Ω=2πF антенн 6 и 6 (5 и 5), сдвинутых между собой на угол μ (фиг.1). Индекс фазовой модуляции в этом случае определяется выражением

где - расстояние между антеннами 5 и 5 (6 и 6).

При d₁<R индекс фазовой модуляции Δϕ_m2 оказывается меньше, чем у пеленгатора с одной вращающейся антенной 5 (5) и такой же измерительной базой

Однако при таком расположении антенн не устраняется фазовая модуляция, обусловленная непостоянством фазы принимаемого сигнала в течение интервала времени τ₃.

Уменьшение индекса фазовой модуляции можно достигнуть и с одной вращающейся антенной 6 (5). При этом вместо напряжения u₂'(t) необходимо использовать напряжение u₂(t), задержанное на время τ₃, эквивалентное сдвигу второй антенны 6 (5) на угол μ=Ωτ₃.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ, напряжение u₂(t) с выхода усилителя 8 высокой частоты поступает на автокоррелятор, состоящий из линии 10 задержки с временем задержки τ₃ и фазового детектора 11. Это эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величины

На выходе автокоррелятора образуется напряжение

u₄(t)=U₄cos(2πFt-β)

где

К₂ - коэффициент передачи фазового детектора,

с индексом фазовой модуляции которое поступает на первый вход фазометра 15, на второй вход которого подается напряжение u_o(t) опорного генератора 17. Фазометр 15 обеспечивает однозначное измерение пеленга β на источник излучения. По существу фазометры 14 и 15 представляют собой две шкалы измерений угловой координаты β. Фазометр 14 представляет точную, но неоднозначную шкалу измерений, а фазометр 15 - грубую, но однозначную шкалу измерений.

Частоту сигнала, принимаемого движущейся антенной 5 (6), можно представить следующим образом:

где V=ΩR;

R_o - расстояние от источника излучения до винта.

При R_о>>R

Доплеровское смещение частоты в секторе положений лопастей винта 0...40° составляет в среднем 0...2000 Гц. Величина (1) изменяется во времени. Разлагаем ее в ряд и ограничивается двумя первыми членами

где Ωt=α_o.

Коэффициент α находится из геометрических соотношений (фиг.1)

r=ΩtR;

r - расстояние между источником излучения и антенной 5 (6).

Определим разрешение двух источников (двух разрывов) по азимуту

Период модуляции

Разрешение осуществляется на расстоянии, когда модулирующая функция изменяется на один период

где L=ΩtR.

Разрешающая способность по азимуту

где - ширина диаграммы направленности бортовой антенны;

d - предельный размер антенны, расположенной на лопасти винта.

Для определения дальности до источника излучения достаточно измерить крутизну функции (2) в окрестности точки х=0.

Пусть

Тогда

Максимальное и минимальное значения F достигаются в момент

и составляет

а максимальное значение

и достигается при

Разность моментов для соседних значений максимума и минимума является функцией дальности, а их полусумма - функцией азимута источника излучения.

Из (5) путем дифференцирования можно получить связь между ошибками измерения моментов максимума и минимума Δt и расстояния до источника излучения

Например, при r=1000 м-1=1.3·10⁶; при r=500 м-1=3,3·10⁵;

при r=100 м-1=1,5·10⁴; при r=50 м-1=4,5·10³;

при r=20 м-1=1,1·10³.

Измерение дальности r осуществляется в измерителе 12 по результатам измерения интервалов времени, связанных с функцией модуляции частоты принимаемого электромагнитного колебания при вращении приемной антенны 6, расположенной на лопасти несущего винта. Измеренное значение дальности r фиксируется блоком 18 регистрации.

Местонахождение разрыва 2 трубопровода определяется с использованием измеренных значений азимута β и дальности r.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение оперативности обнаружения и определения местонахождения разрыва магистрального трубопровода. Это достигается за счет облета магистрального трубопровода на вертолете, на двух противоположных лопастях несущего винта которого размещены приемные антенны. Пассивная вертолетная система определения координат с размещением приемных антенн на двух противоположных лопастях несущего винта позволяет точно и однозначно измерить азимут β и дальность r до наземного источника излучения (разрыва трубопровода) с одной позиции. При этом для измерения азимута β используются две шкалы: точная, но неоднозначная и грубая, но однозначная. Разрешающая способность по азимуту определяется возможностями реализации искусственного раскрыва антенны и ограничивается длиной лопастей несущего винта вертолета. Измерение дальности r осуществляется по результатам измерения интервалов времени, связанных с функцией модуляции частоты принятых электромагнитных колебаний, генерируемых разрывом трубопровода, при вращении приемных антенн, расположенных на двух противоположных лопастях несущего винта.

Изобретение относится к области транспортировки жидкостей, газов и других продуктов с помощью трубопроводов, а именно к способам для наблюдения за целостностью трубопроводов, расположенных на земной поверхности, и выявлении мест их разрывов. Техническим результатом изобретения является повышение оперативности обнаружения и определения местоположения разрыва магистрального трубопровода путем облета его на вертолете. В способе осуществляют облет трубопровода вертолетом, на противоположных концах лопастей несущего винта которого размещают две приемные антенны, а принятые электромагнитные волны, генерируемые разрывом трубопровода, перемножают между собой, выделяют гармоническое напряжение на частоте вращения несущего винта, сравнивают его с опорным напряжением и точно измеряют азимут источника излучения электромагнитных волн, одновременно осуществляют автокорреляционную обработку электромагнитных волн, принятых одной антенной, и однозначно измеряют азимут источника электромагнитных волн, уменьшая индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ_кр с помощью дифференциально-фазового пеленгатора по результатам измерения интервалов времени, связанных с функцией модуляции частоты принятых электромагнитных волн при вращении приемной антенны, расположенной на конце лопасти несущего винта, определяют дальность до источника излучения электромагнитных волн, по результатам измерения азимута и дальности определяют местонахождение разрыва трубопровода, где R - радиус окружности, на которой расположены приемные антенны, λ_кр - критическая длина волны излучения. 2 ил.

Способ обнаружения места разрыва трубопровода, заключающийся в генерации электромагнитных волн непосредственно самим разрывом трубопровода, для чего подводят к концам трубопровода переменное электрическое напряжение с частотой, соответствующей длинам волн, находящихся в пределах диаметра трубопровода, а источник возникающего излучения связывают с местонахождением разрыва трубопровода, отличающийся тем, что осуществляют облет трубопровода вертолетом, на противоположных концах лопастей несущего винта которого размещают две приемные антенны, а принятые электромагнитные волны, генерируемые разрывом трубопровода, перемножают между собой, выделяют гармоническое напряжение на частоте вращения несущего винта, сравнивают его с опорным напряжением и точно измеряют азимут источника излучения электромагнитных волн, одновременно осуществляют автокорреляционную обработку электромагнитных волн, принятых одной антенной, и однозначно измеряют азимут источника электромагнитных волн, уменьшая индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ_кр с помощью дифференциально-фазового пеленгатора, по результатам измерения интервалов времени, связанных с функцией модуляции частоты принятых электромагнитных волн при вращении приемной антенны, расположенной на конце лопасти несущего винта, определяют дальность до источника излучения электромагнитных волн, по результатам измерения азимута и дальности определяют местонахождение разрыва трубопровода, где R - радиус окружности, на которой расположены приемные антенны, λ_кр - критическая длина волны излучения.