СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2009 года по МПК F17D5/02 

Предлагаемый способ относится к дистанционному контролю состояния и защиты магистрального трубопровода от утечек перекачиваемого продукта и может быть использован при создании автоматизированных систем управления технологическими процессами трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов, газа и других продуктов.

Известны способы контроля состояния магистрального трубопровода (авт. свид. СССР №№934.269, 1.283.566, 1.610.347, 1.672.105, 1.705.709, 1.777.014, 1.778.597, 1.812.386; патенты РФ №№2.079.772, 2.110.011, 2.117.855, 2.119.610, 2.231.037, 2.135.887, 2.138.037, 2.174.645, 2.250.443; патенты США №№4.289.019, 4.570.477, 5.038.614; патент Великобритании №1.349.129; патент Франции №2.498.325; патенты Японии №№50-38.573, 60-24.900, 63-22.531; Алеев P.M. и др. Воздушная тепловизионная аппаратура контроля нефтепродуктопроводов. - М.: Недра, 1995 и др.).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ контроля состояния магистрального трубопровода" (патент РФ №2.174.645, F17D 7/02, 1999 г.), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный способ обеспечивает сокращение потерь перекачиваемого по магистральному трубопроводу продукта и вредного воздействия на окружающую среду вдоль его трассы без применения мобильных средств передвижения тепловизионной аппаратуры. Это достигается путем непрерывного визуального осмотра поверхности трассы магистрального трубопровода с помощью тепловизионной аппаратуры, установленной вдоль трассы на опорах воздушной линии электропередачи катодной защиты трубопровода, и передачи сигнала измерения по радиоканалу на ее центральное устройство, стационарно установленное на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, где по запросу оператора, а при появлении утечек автоматически в реальном масштабе времени развертываются на экране видеоконтрольного устройства изображения тепловых полей, а с помощью печатающего устройства документируется цифровая информация осматриваемых участков.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности передачи дискретной информации о тепловом состоянии магистрального трубопровода, местоположении аварийного участка и масштабах аварии путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу контроля состояния магистрального трубопровода, заключающемуся в визуальном осмотре поверхности его трассы с помощью стационарно установленной тепловизионной аппаратуры, включающей тепловизионные камеры и радиопередатчики, установленные на опорах воздушной линии электропередачи катодной защиты магистрального трубопровода, сооружаемой вдоль его трассы, а также радиоприемное, вычислительное, видеоконтрольное и печатающее устройства, установленные на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, при этом с помощью тепловизионной аппаратуры непрерывно в автоматическом режиме осуществляют дистанционный контроль состояния теплового поля поверхности трассы магистрального трубопровода, передают полученную информацию на центральное устройство по радиоканалу в реальном масштабе времени для ее визуализации и документирования, если уровень теплового излучения на участке трассы превысит заданную установку, то тепловизионная система автоматически прерывает опрос тепловизионных камер и выдает аварийный сигнал, формируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе модулирующим кодом, отражающим тепловое излучение с контролируемой поверхности трассы, или модулирующим кодом, отражающим местоположение аварийного участка и масштабы аварии, формируя тем самым сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, перемножают с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, перемножают его с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание, которое используют в качестве опорного напряжения, низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, регистрируют, визуализируют и документируют.

Структурная схема тепловизионной системы, с помощью которой реализуется предлагаемый способ контроля состояния магистрального трубопровода, представлена на фиг.1. Структурная схема радиопередатчика 4 представлена на фиг.2. Структурная схема центрального устройства 5 тепловизионной системы представлена на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы системы, изображены на фиг.4.

Тепловизионная система контроля состояния магистрального трубопровода 1 автоматически реагирует на изменения теплового поля в местах появления утечек транспортируемого продукта.

На опорах 2 воздушной линии электропередачи стационарно установлены тепловизионные камеры 3, которые при нормальном режиме работы магистрального трубопровода осуществляют непрерывный (по циклической программе) осмотр поверхностей контролируемых его участков, и радиопередатчики 4. Зона контроля одной тепловизионной камеры определяется ее разрешающей способностью, углом обзора, высотой установки и расстоянием по горизонтали до оси трассы контролируемого участка магистрального трубопровода.

Каждый радиопередатчик 4 содержит последовательно включенные задающий генератор 6, переключатель 9, первый фазовый манипулятор 10, второй вход которого через первый преобразователь 7 аналог-код соединен с объективом тепловизионной камеры 3, усилитель 12 мощности и передающую антенну 13. К выходу задающего генератора 6 последовательно подключены переключатель 9 и второй фазовый манипулятор 11, второй вход которого через второй преобразователь 8 аналог-код соединен с объективом тепловизионной камеры 3, а выход подключен к второму входу усилителя 12 мощности.

Центральное устройство 5 тепловизионной системы, установленное на перекачивающей станции ПС магистрального трубопровода, содержит последовательно включенные приемную антенну 14, усилитель 15 высокой частоты, второй перемножитель 17, второй вход которого соединен с выходом фильтра 19 нижних частот, узкополосный фильтр 18, первый перемножитель 16, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15 высокой частоты, фильтр 19 нижних частот, к выходу которого подключены печатающее 20, вычислительное 21 и видеоконтрольное 22 устройства.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Тепловое излучение с контролируемой поверхности трассы попадает в объектив тепловизионной камеры 3, преобразуется в электрический сигнал, фильтруется, усиливается и поступает на вход преобразователя 7 аналог-код, где преобразуется в модулирующий код M₁(t) (фиг.4, б), который поступает на второй вход фазового манипулятора 10. На первый вход фазового манипулятора 10 через переключатель 9, который находится в первом I положении, подается высокочастотное колебание с выхода задающего генератора 6 (фиг.4, а)

U_c(t)=V_c·cos(w_c·t+φ_c), 0≤t≤T_c,

где V_c, w_c, φ_с, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 10 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4, в)

U₁(t)=V_c·cos[w_c·t+φ_к1(t)+φ_c], 0≤t≤T_c1,

где φ_к1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (фиг.4, б), причем φ_к(t)=const при К·τ_э<t<(К+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=К·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N₁-1);

τ_э, N₁ - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c1·(T_c=τ_э·N₁), который после усиления в усилителе 12 мощности передающей антенной 13 излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14 центрального устройства 5 тепловизионной системы, установленной на перекачивающей станции ПС магистрального трубопровода, расположенной вверх по движению транспортируемого продукта.

Принятый ФМн-сигнал U₁(t) (фиг.4, в) поступает на первые входы перемножителей 16 и 17. На второй вход перемножителя 16 подается опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 18 (фиг.4, г)

U₀(t)=V₀·cos(w_c·t+φ_c).

На выходе перемножителя 16 образуется суммарное напряжение

U_Σ(t)=V_Σ·cosφ_к1(t)+V_Σ·cos[2w_c·t+φ_к1(t)+2φ_c],

где V_∑=¹/₂К₁·V_c·V₀;

K₁ - коэффициент передачи перемножителя.

Фильтром 19 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (фиг.4, д)

U_н1(t)=V_Σ·cosφ_к1(t),

пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (фиг.4, б). Это напряжение подается на второй вход перемножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое колебание (фиг.4, г)

U₀(t)=V₁·cos(w_c·t+φ_c)+V₁·cos[w_c·t+2φ_к1(t)+φ_c]=

=2V₁·cos(w_c·t+φ_c)=V₀·cos(w_c·t)+φ_c),

где V₁=¹/₂K₁·V_c·V_∑; V₀=2V₁,

которое используется в качестве опорного напряжения, выделяется узкополосным фильтром 18 и подается на второй вход перемножителя 16.

Следовательно, перемножители 16 и 17, узкополосный фильтр 18 и фильтр 19 нижних частот образуют демодулятор ФМн-сигналов. Причем опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.

Известны устройства, обеспечивающие выделение опорного напряжения непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, например, схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина Г.А. (Радиоприемные устройства. Под ред. А.Г.Зюко. - М.: Изд-во "Связь", 1975, с.354-356, рис.14.19, 14.20).

Однако этим устройствам присуще явление "обратной работы", которое резко снижает помехоустойчивость и достоверность выделения модулирующего кода из принимаемого ФМн-сигнала, т.е. синхронного детектирования ФМн-сигнала.

Предлагаемый демодулятор ФМн-сигналов свободен от явления "обратной работы".

Низкочастотное напряжение U_н1(t) (фиг.4, д), пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (фиг.4, б), фиксируется печатающим устройством 20, т.е. документируется цифровая информация о тепловом состоянии данного участка трассы магистрального трубопровода.

Одновременно низкочастотное напряжение U_н1(t) (фиг.4, д) поступает в вычислительное устройство 21, где сравнивается с заданной установкой и по запросу оператора развертывается на экране видеоконтрольного устройства 22 в виде изображения теплового поля.

Если уровень теплового излучения на каком-нибудь участке трассы магистрального трубопровода превысит заданную установку, то тепловизионная система автоматически прерывает циклический опрос тепловизионных камер, переводит переключатель 9 во второе положение II и выдает аварийный сигнал.

С этой целью информация о местоположении аварийного участка и масштабах аварии поступает на вход второго преобразователя 8 аналог-код, где преобразуется в модулирующий код M₂(t) (фиг.4, е), который поступает на второй вход фазового манипулятора 11. На первый вход фазового манипулятора 11 через переключатель 9, который находится во втором II положении, подается высокочастотное колебание U_c(t) с выхода задающего генератора 6 (фиг.4, а). На выходе фазового манипулятора 11 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4, ж)

U₂(t)=V_c·cos[w_c·t+φ_к2(t)+φ_c], 0≤t≤T_c,

который после усиления в усилителе 12 мощности передающей антенной 13 излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14 центрального устройства 5 тепловизионной системы, установленной на перекачивающей станции ПС магистрального трубопровода.

В этом случае фильтром 19 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (фиг.4, з)

U_н2(t)=V_Σ·cosφ_к2(t),

пропорциональное модулирующему коду M₂(t) (фиг.4, е). Это напряжение регистрируется печатающим устройством 20, которое документирует цифровую информацию по аварийному участку. Одновременно на экране видеоконтрольного устройства 22 развертывается изображение аномального теплового поля.

После дешифровки поступившей информации о местоположении и масштабах аварии оперативный персонал перекачивающей станции ПС принимает штатные технологические меры, направленные на локализацию аварийного участка магистрального трубопровода.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение достоверности передачи дискретной информации о тепловом состоянии магистрального трубопровода, местоположении аварийного участка и масштабах аварии. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Указанные сигналы открывают новые возможности в технике передачи дискретной информации. Они 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. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими радиопередатчиками и селекцией их на перекачивающей станции с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждого радиопередатчика во всем диапазоне частот сложными сигналами с фазовой манипуляцией с выделением радиоприемным устройством сигнала необходимого радиопередатчика посредством его структурной селекции.

С точки зрения обнаружения сложные сигналы с фазовой манипуляцией 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 сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Предлагаемый способ позволяет с высокой достоверностью дистанционно осуществлять непрерывный контроль состояния магистрального трубопровода, оперативно обнаруживать местоположения появляющихся утечек перекачиваемого продукта, визуально оценивать масштабы аварий и быстро локализовывать аварийный участок.

Изобретение относится к дистанционному контролю состояния и защиты магистрального трубопровода от утечек перекачиваемого продукта. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности передачи дискретной информации о тепловом состоянии магистрального трубопровода, местоположении аварийного участка и масштабах аварии путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией. В способе формируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе модулирующим кодом, отражающим тепловое излучение с контролируемой поверхности трассы, или модулирующим кодом, отражающим местоположение аварийного участка и масштаба аварии, формируя тем самым сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, перемножают с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, перемножают его с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание, которое используют в качестве опорного напряжения, низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, регистрируют, визуализируют и документируют. 4 ил.

Способ контроля состояния магистрального трубопровода, заключающийся в визуальном осмотре поверхности его трассы с помощью стационарного установленной тепловизионной аппаратуры, включающей тепловизионные камеры и радиопередатчики, установленные на опорах воздушной линии электропередачи катодной защиты магистрального трубопровода, сооружаемой вдоль его трассы, а также радиоприемное, вычислительное, видеоконтрольное и печатающее устройства, установленные на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, при этом с помощью тепловизионной аппаратуры непрерывно в автоматическом режиме осуществляют дистанционный контроль состояния теплового поля поверхности трассы магистрального трубопровода, передают полученную информацию на центральное устройство по радиоканалу в реальном масштабе времени для ее визуализации и документирования, если уровень теплового излучения на участке трассы превысит заданную установку, то тепловизионная система автоматически прерывает опрос тепловизионных камер и выдает аварийный сигнал, отличающийся тем, что формируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе модулирующим кодом, отражающим тепловое излучение с контролируемой поверхности трассы, или модулирующим кодом, отражающим местоположение аварийного участка и масштаба аварии, формируя тем самым сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают на ближайшей вверх по движению транспортируемого продукта перекачивающей станции, перемножают с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, перемножают его с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией, выделяют гармоническое колебание, которое используют в качестве опорного напряжения, низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, регистрируют, визуалируют и документируют.