УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ И ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СНАРЯДОВ В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2008 года по МПК F17D5/06 F16L55/48 

Предлагаемое устройство относится к трубопроводному транспорту, в частности к эксплуатации магистральных и промысловых трубопроводов, и предназначено для поиска и определения местонахождения с поверхности грунта застрявших снарядов в водопроводных, газопроводных и канализационных трубопроводах, и контроля прохождения движущихся очистных и диагностических устройств (снарядов).

Известны устройства для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе (авт. свид. СССР №№1.458.647, 1.733.837; патенты РФ №№2.097.649, 2.109.206, 2.184.307, 2.255.268; Техническое описание и инструкция по эксплуатации комплекса «Пума-1», утвержденное главным инженером ВНПО «Союзгазавтоматика» и согласованное с начальником управления по транспортировке и поставке газа НИИ Газпрома СССР, 11.12.1982 г. и др.).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе» (патент РФ №2.255.268, F17D 5/06, 2003), которое и выбрано в качестве прототипа.

Данное устройство обеспечивает увеличение быстродействия, повышение надежности распознавания сигналов передатчика и помехоустойчивости приемника, увеличение расстояния устойчивого приема сигнала передатчика и возможность расширения частотного диапазона информационных сигналов в диапазоне частот от десятых долей до единиц герц. При этом не требуется изменение электрических и конструктивных параметров приемных и передающих устройств. Это достигается за счет использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) и селектора (обнаружителя) этих сигналов, основанного на свертке спектра принимаемого сигнала.

Указанные сигналы являются широкополосными, их ширина спектра Δf_С определяется длительностью τ_э элементарных посылок (Δf_С=1/τ_э), из которых составлен ФМн-сигнал длительностью Т_С (Т_С=N·τ_э), где N - количество элементарных посылок.

Вследствие широкой полосы частот используемых сложных ФМн-сигналов в нее попадает множество узкополосных помех. Поэтому отсутствие в устройстве помехоподавляющих блоков резко снижает его помехоустойчивость.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости приемника путем подавления узкополосных помех.

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе, включающее в соответствии с ближайшим аналогом приемник и передатчик электромагнитных сигналов, выход последнего соединен с излучающей антенной, сигналы которой улавливает антенна переносного приемника, расположенного над трубопроводом на поверхности грунта, выход которой соединен с усилителем, а также последовательно подключенные к выходу усилителя удвоитель фазы, первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, второй измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через первый измеритель ширины спектра соединен с выходом усилителя, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, первый фазовый детектор, второй вход которого через делитель частоты соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, генератор, кварцевый фильтр, дешифратор и устройство контроля и индикации, при этом к выходу усилителя подключен второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом ключа, передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и усилителя мощности, выход которого является выходом передатчика, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено фазовращателем на +30°, фазовращателем на -30°, фазовращателем на +90°, двумя блоками вычитания, третьим и четвертым фазовыми детекторами, причем к выходу ключа последовательно подключены фазовращатель на +30°, третий фазовый детектор, первый блок вычитания, фазовращатель на +90° и второй блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, а выход подключен к второму входу устройства контроля и индикации, к выходу ключа последовательно подключены фазовращатель на -30° и четвертый фазовый детектор, выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания, вторые входы третьего и четвертого фазовых детекторов соединены с выходом усилителя.

Структурная схема устройства представлена на фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг.2.

Устройство содержит трубопровод 1, передатчик 5, смонтированный на снаряде в герметичном контейнере 4, и переносной приемник 11, расположенный над трубопроводом 1 на поверхности 3 грунта 2.

Передатчик 5 содержит последовательно включенные задающий генератор 6, фазовый манипулятор 8, второй вход которого соединен с выходом генератора 7 модулирующего кода, и усилитель 9 мощности, подключенный к излучающей антенне 10.

Приемник 11 содержит последовательно включенные приемную антенну 12, усилитель 13, удвоитель 15 фазы, первый узкополосный фильтр 16, делитель 17 фазы на два, второй узкополосный фильтр 18, второй измеритель 20 ширины спектра, блок 21 сравнения, второй вход которого через первый измеритель 19 ширины спектра соединен с выходом усилителя 13, пороговый блок 22, ключ 23, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 18, первый фазовый детектор 24, второй вход которого через делитель 27 частоты соединен с выходом генератора 26, управляемого напряжением, кварцевый фильтр 28, дешифратор 29 и устройство 30 контроля и индикации, последовательно подключенные к выходу ключа 23 фазовращатель 31 на +30°, третий фазовый детектор 33, первый блок 35 вычитания, фазовращатель 36 на +90° и второй блок 37 вычитания, второй вход которого через второй фазовый детектор 25 соединен с выходами усилителя 13 и ключа 23, последовательно подключенные к выходу ключа 23 фазовращатель 32 на -30° и четвертый фазовый детектор 34, выход которого соединен с вторым входом первого блока 35 вычитания, вторые входы фазовых детекторов 33 и 34 соединены с выходом усилителя 13. Удвоитель 15 фазы, делитель 17 фазы на два, узкополосные фильтры 16 и 18, измерители 19 и 20 ширины спектра, блок 21 сравнения, пороговый блок 22 и ключ 23 образуют обнаружитель (селектор) 14 фазоманипулированный (ФМн) сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Передатчик 5, смонтированный на снаряде в герметичном контейнере 4, передвигается в трубопроводе 1 со скоростью V=3 м/с (наиболее часто используемая скорость при перекачке нефтепродуктов).

При этом задающий генератор 6 формирует гармоническое колебание (фиг.2,а)

U_c(t)=υ_с·Cos(ω_c+ϕ_с), 0≤t≤Т_c,

где υ_c, ω_с, ϕ_с, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания.

Это колебание поступает на первый вход фазового манипулятора 8, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.2,б), содержащий номер снаряда, на котором установлен передатчик 5. На выходе фазового манипулятора 8 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг.2,в)

U₁(t)=υ_с·Cos[ω_ct+ϕ_к(t)+ϕ_c], 0≤t≤T_c,

где ϕ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_к(t)=const при k·τ_э<t<(k+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=k·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, ..., N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_C (Т_C=N·τ_э),

который после усиления в усилитель 9 мощности излучается излучающей антенной 10 в эфир. Приемная антенна 12 улавливается этот сигнал и с помощью усилителя 13 приводит к необходимой для дальнейшей обработки амплитуды, затем сигнал подается на удвоитель 15 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг.2,г)

U₂(t)=υ₂·Cos(2ω_ct+2ϕ_c), 0≤t≤Т_c.

Так как 2ϕ_к(t)={0, 2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.

Гармоническое напряжение U₂(t) выделяется узкополосным фильтром 16, частота настройки ω_н1 которого выбирается равной 2ω_с (ω_н1=2ω_с), и поступает на вход делителя 17 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг.2,д)

U₃(t)=υ₃·Cos(ω_c+ϕ_c), 0≤t≤Т_c.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 18, настроенным на несущую частоту ω_с (ω_н2=ω_с).

Ширина спектра Δf_C сложного ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э элементарных посылок (Δf_C=1/τ_э), тогда как ширина спектра Δf_г гармонического напряжения определяется длительностью Т_c сигнала (Δf_г=1/Т_C).

Следовательно, спектр ФМн-сигнала при удвоении фазы «сворачивается» в N раз (Δf_C/Δf_Г=N) и за счет узкополосной фильтрации выделяется гармоническое напряжение U₃(t). При этом значительная часть промышленных помех и шумов отфильтровывается, что значительно повышает чувствительность приемника.

Ширина спектра Δf_С принимаемого ФМн-сигнала измеряется с помощью измерителя 19 ширины спектра, а ширина спектра Δf_Г гармонического напряжения измеряется с помощью измерителя 20 ширины спектра. Напряжение U_S и U_Г, пропорциональные Δf_С и Δf_Г соответственно, поступают на два входа блока 21 сравнения. Так как U_S>>U_Г, то на выходе блока 21 сравнения образуется напряжение, которое превышает пороговое напряжение U_пор в пороговом блоке 22. Пороговый уровень U_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 22 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 23 и открывает его. В исходном состоянии ключ 23 всегда закрыт. При этом гармоническое напряжение U₃(t) (фиг.2,д) с выхода узкополосного фильтра 18 через открытый ключ 23 поступает на опорные входы фазовых детекторов 24 и 25 и на входы фазовращателей 31 и 32 на +30° и на -30°.

На информационный вход фазового детектора 25 поступает принимаемый ФМн-сигнал U₁(t) (фиг.2,в). В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 25 выделяется низкочастотное напряжение (фиг.2,е)

U_H(t)=υ_н·Cosϕ_к(t), 0≤t≤Т_c,

где υ_н=1/2K₁·υ_c·υ₃;

K₁ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.2,б).

Следовательно, опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.

Если в эфире действует узкополосная помеха

U_П(t)=υ_П·Cos(ω_пt+ϕ_п),

частота ω_п которой незначительно отличается от несущей частоты ω_с принимаемого ФМн-сигнала

ω_п-ω_c=Δω≤ω_ф,

где Δϕ_ф - полоса пропускания фазовых детекторов 25, 33 и 34, то аддитивная смесь принимаемого ФМн-сигнала U₁(t) и узкополосной помехи U_П(t)

U_Σ(t)=U₁(t)+U_П(t),

с выхода усилителя 13 поступает на первые (информационные) входы фазовых детекторов 25, 33 и 34.

Опорное напряжение U₃(t) (фиг.2,д) с выхода узкополосного фильтра 18 через открытый ключ 23 одновременно подается на второй (опорный) вход фазового детектора 25 и на входы фазовращателей 31 и 32 на +30° и на -30°, на выходе которых образуются соответствующие напряжения:

U₄(t)=υ_с·Cos(ω_ct+ϕ_c+30°),

U₅(t)=υ_c·Cos(ω_ct+ϕ_c-30°).

Эти напряжения подаются на вторые (опорные) входы фазовых детекторов 33 и 34 соответственно. На выходе фазовых детекторов 25, 33 и 34 в этом случае выделяются следующие низкочастотные напряжения соответственно:

U_н1(t)=υ_н·Cosϕ_к(t)+υ_н1·Cos[(ω_п-ω_c)t+ϕ_п-ϕ_с],

U_н2=υ_н·Cos[ϕ_к(t)+30°]+υ_н1·Cos[(ω_н-ω_c)t+ϕ_п-ϕ_c+30°],

U_н3=υ_н·Cos[ϕ_к(t)-30°]+υ_н1·Cos[(ω_н-ω_c)t+ϕ_п-ϕ_c-30°],

где υ_н1=1/2K₁·υ_c·υ_п.

Напряжения U_н2(t) и U_н3(t) поступают на два входа блока 35 вычитания, на выходе которого образуется следующее разностное напряжение

ΔU_н1(t)=U_н2(t)-U_н3(t)=υ_н1·{Cos[(ω_п-ω_c)t+ϕ_п-ϕ_с+30°]-

-Cos[(ω_п-ω_с)t+ϕ_п-ϕ_c-30°]}=

=2υ_н1·Sin[(ω_п-ω_с)t+ϕ_п-ϕ_с]·Sin30°=

=υ_н1·Sin[(ω_п-ω_с)t+ϕ_п-ϕ_c].

Анализ полученного разностного напряжения ΔU_н1(t) показывает, что она представляет собой оценку помеховой составляющей, которая отличается от помеховой составляющей фазового детектора 25 поворотом по фазе на +90°.

Разностное напряжение ΔU_н1(t) с выхода блока 35 вычитания поступает на вход фазовращателя 36 на +90°, на выходе которого образуется напряжение

ΔU_н2(t)=υ_н1·Sin[(ω_п-ω_с)t+ϕ_п-ϕ_с+90°]=

=υ_н1·Cos[(ω_п-ω_с)t+ϕ_п-ϕ_с],

которое поступает на первый вход блока 37 вычитания. На второй вход блока 37 вычитания подается напряжение U_н1(t) с выхода фазового детектора 25. На выходе блока 37 вычитания образуется следующее разностное напряжение

ΔU_н3(t)=U_н1(t)-ΔU_н2(t)=υ_н·Cosϕ_к(t),

в котором помеховая составляющая уже отсутствует.

Напряжение ΔU_н3(t), по которому можно идентифицировать снаряд, фиксируется устройством 30 контроля и индикации.

На второй вход фазового детектора 24 подается сигнал с делителя 27 частоты, имеющего коэффициент деления, равный частному от деления частоты ω_ф кварцевого фильтра 28 на несущую частоту ω_с принимаемого ФМн-сигнала, с выхода фазового детектора 24 фазоразностный сигнал поступает на вход генератора 26, управляемого напряжением, и перестраивает частоту так, чтобы в итоге на входах фазового детектора 24 частоты и фазы сигналов уравнялись. При этом если входная частота соответствует частоте ω_с основного сигнала, на выходе генератора 26 частота будет соответствовать частоте ω_ф кварцевого фильтра 28. В этом случае сигнал проходит через кварцевый фильтр 28 и через дешифратор 29 поступает на устройство 30 контроля и индикации.

Работа устройства основана на фазовой автоподстройке частоты основного сигнала с частотой генератора 26 управляемого напряжения, поделенной на коэффициент деления, равный частному от деления частоты ω_ф кварцевого фильтра 28 на частоту ω_с основного принимаемого ФМн-сигнала, что позволяет преобразовать частоту основного сигнала в более высокую частоту, соответствующую кварцевому фильтру 28.

Это значительно облегчает дальнейшее преобразование сигнала, а именно: - при движении снарядов в трубопроводе с максимальной скоростью, соизмеримой с частотой основного сигнала, уменьшается вероятность потери сигнала. Это обеспечивается значительным запасом времени по обработке сигналов для повышения достоверности дешифрации сигнала и отсеивания помех. Кроме того, инерционность высокодобротных кварцевых фильтров значительно меньше, а добротность на несколько порядков выше. Все это в целом позволяет увеличить быстродействие, поднять чувствительность и соответственно дальность обнаружения.

Следовательно, используя несколько отличающихся по частоте кварцевых фильтров, а в передатчике незначительно изменяя частоту передачи сигнала пропорционально резонансной частоте кварцевых фильтров, можно расширить число частотных каналов устройства для передачи дополнительных информативных сигналов.

Устройство может быть использовано для поиска застрявших снарядов в водопроводных, газопроводных и канализационных трубопроводах. Кроме того, устройство может быть применено для дистанционной беспроводной передачи управляющих сигналов из закрытых толстостенных металлических конструкций, например резервуаров или подземных объектов.

Устройство обеспечивает повышение надежности обнаружения сигналов передатчика и помехоустойчивости приемника. Это достигается за счет использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и селектора (обнаружения) этих сигналов, основанного на свертке спектра принимаемого ФМн-сигнала.

Кроме того, в передаваемом ФМн-сигнале заложен модулирующий код M(t), по которому можно идентифицировать застрявшие снаряды в водопроводных, газопроводных и канализационных трубопроводах.

Сложные ФМн-сигналы с точки зрения обнаружения обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений их параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные ФМн-сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Сложные ФМн-сигналы благодаря своим хорошим корриционным свойствам могут быть «свернуты» на частотной или временной оси.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости приемника. Это достигается путем подавления узкополосных помех фазокомпенсационным методом.

Предлагаемое устройство относится к трубопроводному транспорту, в частности к эксплуатации магистральных и промысловых трубопроводов, и предназначено для поиска и определения местонахождения с поверхности грунта застрявших в водопроводных, газопроводных и канализационных трубопроводах снарядов, и контроля прохождения движущихся очистных и диагностических устройств (снарядов). Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости приемника путем подавления узкополосных помех. Устройство содержит трубопровод 1, передатчик 5, смонтированный на снаряде в герметичном контейнере 4, и переносной приемник 11, расположенный над трубопроводом 1 на поверхности 3 грунта 2. Передатчик 5 содержит задающий генератор 6, генератор 7 модулирующего кода, фазовый манипулятор 8, усилитель мощности и излучающую антенну 10. Приемник 11 содержит приемную антенну 12, усилитель 13, обнаружитель (селектор) 14 ФМн-сигналов, удвоитель 15 фазы, первый 16 и второй 18 узкополосные фильтры, делитель 17 фазы на два, первый 19 и второй 20 измерители ширины спектра, блок 21 сравнения, пороговый блок 22, ключ 23, первый 24, второй 25, третий 33 и четвертый 34 фазовые детекторы, делитель 27 частоты, кварцевый фильтр 28, дешифратор 29, устройство 30 контроля и индикации, фазовращатель 31 на +30°, фазовращатель 32 на -30°, первый 35 и второй 37 блоки вычитания, фазовращатель 36 на +90°. 2 ил.

Устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе, включающее приемник и передатчик электромагнитных сигналов, выход последнего соединен с излучающей антенной, сигналы которой улавливает антенна переносного приемника, расположенного над трубопроводом на поверхности грунта, выход которой соединен с усилителем, а также последовательно подключенные к выходу усилителя удвоитель фазы, первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, второй измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через первый измеритель ширины спектра соединен с выходом усилителя, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, первый фазовый детектор, второй вход которого через делитель частоты соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, генератор, кварцевый фильтр, дешифратор и устройство контроля и индикации, при этом к выходу усилителя подключен второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом ключа, передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и усилителя мощности, выход которого является выходом передатчика, отличающееся тем, что оно снабжено фазовращателем на +30°, фазовращателем на -30°, фазовращателем на +90°, двумя блоками вычитания, третьим и четвертым фазовыми детекторами, причем к выходу ключа последовательно подключены фазовращатель на +30°, третий фазовый детектор, первый блок вычитания, фазовращатель на +90° и второй блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, а выход подключен к второму входу устройства контроля и индикации, к выходу ключа последовательно подключены фазовращатель на -30° и четвертый фазовый детектор, выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания, вторые входы третьего и четвертого фазовых детекторов соединены с выходом усилителя.