СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА РАЗРЫВА ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2006 года по МПК F17D5/06 

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

Известны системы и устройства для обнаружения места разрыва трубопровода (авт. свид. СССР №№642575, 723291, 1733837, 1818386; патенты РФ №№2135887, 2230978, патент Франции №2642818 и другие).

Из известных систем и устройств наиболее близкой к предлагаемой является система, реализующая "Способ обнаружения места разрыва трубопровода" (патент РФ №2135887, F 17 D 5/06, 1997), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная система содержит трубопровод с разрывом, электропровод, проложенный рядом с трубопроводом, к которому подсоединяется один из концов электропровода, другой конец подсоединяется к другому проводу источника переменного напряжения. Система также содержит приемную станцию с антенной. При этом источник переменного напряжения выбирают с частотой, соответствующей генерации электромагнитных волн с длиной волны, близкой к размеру предполагаемого разрыва или диаметру трубопровода.

Однако известная система 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 в системе для обнаружения места разрыва трубопровода, содержащей приемную радиостанцию и электропровод, проложенный рядом с трубопроводом и соединяющий двумя своими концами с концами трубопровода и источника переменного напряжения, приемная радиостанция размещена на борту вертолета и содержит последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, узкополосный фильтр, первый фазометр, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, и блок регистрации, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, линию задержки, фазовый детектор. Второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу блока регистрации, третий вход которого через измеритель дальности соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, причем приемные антенны размещены на противоположных концах лопасти несущего винта вертолета, двигатель которого кинематически связан с несущим винтом и опорным генератором.

Расположение приемных антенн на вертолете показано на фиг.1. Структурная схема системы для обнаружения места разрыва трубопровода представлена на фиг.2.

Система содержит электропровод 3, проложенный рядом с трубопроводом 1 и соединенный двумя своими концами с концами трубопровода и источника 4 переменного напряжения.

Приемная радиостанция размещена на борту вертолета и 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 задержки 10, фазовый детектор 11, 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.

Предлагаемая система работает следующим образом.

При установке открытого трубопровода 1 рядом с ним прокладывают электропровод 3, который подключен 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 трубопровод 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=1,25 Д,

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= ΩR.

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, 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

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

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

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 ограничиваем двумя первыми членами:

где Ωt=α_o.

Коэффициент α находится из геометрических соотношений (фиг.1):

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= ΩR.

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 г 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 г фиксируется блоком 18 регистрации.

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

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 г 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 г 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 жидкости, газов и других продуктов с помощью трубопроводов, а именно к системам и устройствам для наблюдения за целостностью трубопроводов, расположенных на земной поверхности, и выявления мест их разрывов. Техническим результатом изобретения является повышение оперативности обнаружения и определение местоположения разрыва магистрального трубопровода путем облета его на вертолете. В системе для обнаружения места разрыва трубопровода, содержащей приемную радиостанцию и электропровод, проложенный рядом с трубопроводом и соединенный двумя своими концами с концами трубопровода и источника переменного напряжения, приемная радиостанция размещена на борту вертолета и содержит последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, узкополосный фильтр, первый фазометр, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, и блок регистрации, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, линию задержки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу блока регистрации, третий вход которого через измеритель дальности соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, причем приемные антенны размещены на противоположных концах лопастей несущего винта вертолета, двигатель которого кинематически связан с несущим винтом и опорным генератором. 2 ил.

Система для обнаружения места разрыва трубопровода, содержащая приемную радиостанцию и электропровод, проложенный рядом с трубопроводом и соединенный двумя своими концами с концами трубопровода и источника переменного напряжения, отличающаяся тем, что приемная радиостанция размещена на борту вертолета и содержит последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, узкополосный фильтр, первый фазометр, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, и блок регистрации, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, линию задержки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу блока регистрации, третий вход которого через измеритель дальности соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, причем приемные антенны размещены на противоположных концах лопастей несущего винта вертолета, двигатель которого кинематически связан с несущим винтом и опорным генератором.