УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ТЕЧИ В ТРУБАХ ГОРОДСКИХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
APPARATUS FOR DETERMINING LEAKAGE POINT IN CITY HEAT SUPPLY NETWORK PIPES

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения места течи в трубах городских тепловых сетей с температурой воды до 140°С.
Известны устройства для определения места течи в подземных трубопроводах (авт. свид. СССР №№336.463, 380.910, 411.268, 417.675, 724.957, 724.959, 930.034, 932.098, 941.776, 947.666, 1.079.946, 1.208.402, 1.368.685, 1.657.988, 1.778.597, 1.781.577, 1.800.219; патенты РФ №№2.011.110, 2.026.372, 2.047.039, 2.047.815, 2.053.436, 2.083.757; 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 №№4.611.795, 5.568.566, 63-22531; 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 поиска мест утечек магистральных трубопроводов» (патент РФ №2.196.312, G01M 3/24, 2001), который и выбран в качестве прототипа.
Указанное устройство обеспечивает повышение надежности радиоканала. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Однако известное устройство имеет сравнительно низкую помехоустойчивость к узкополосным помехам.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости устройства путем подавления узкополосных помех.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения места течи в трубах городских тепловых сетей, содержащее первый и второй датчики вибрации, устанавливаемые на концах диагностируемой секции трубопровода, последовательно подключенные к выходу первого датчика вибрации первый усилитель, первый фильтр, первый аналого-цифровой преобразователь, цифровой коррелятор, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, и дисплей, последовательно подключенные к выходу второго датчика вибрации второй усилитель, второй фильтр, второй аналого-цифровой преобразователь, шифратор и передатчик, выполненный в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом шифратора, и усилителя мощности, приемник, к выходу которого последовательно подключены удвоитель фазы, первый измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через второй измеритель ширины спектра соединен с выходом приемника, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, и первый фильтр нижних частот, снабжено фазовращателем на +30°, фазовращателем на -30°, фазовращателем на +90°, третьим и четвертым перемножителями, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя блоками вычитания, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовращатель на +30°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот, первый блок вычитания, фазовращатель на +90° и второй блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен к входу дешифратора, к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовращатель на -30°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Временные диаграммы, подменяющие работу устройства, изображены на фиг.2. На фиг.3 приведены значения скорости распространения ударной волны по стальным напорным трубам, на фиг.4 - по чугунным трубам, наполненным водой с различной температурой.
Устройство содержит первый 1 и второй 2 датчики вибрации, установленные на концах диагностируемой секции трубопровода и предназначенные для преобразования виброакустических сигналов в электрические, первый 3 и второй 4 усилители для усиления электрических сигналов, первый 5 и второй 6 фильтры для выделения требуемой полосы частот, цифровой коррелятор 7 для измерения возможной корреляции двух сигналов, дисплей 8, предназначенный для отображения цифровой и графической информации, передатчик 9 для создания электрических колебаний высокой частоты и управления ими с целью передачи информации на расстояние при помощи электромагнитных волн, приемник 10 для приема, преобразования и использования энергии электромагнитных волн, излученных антенной передающего устройства, первый 11 и второй 12 аналого-цифровые преобразователи, предназначенные для дискретизации во времени и квантования по уровню входных аналоговых сигналов, шифратор 13 для преобразования двоичного кода в циклический, дешифратор 14, предназначенный для преобразования циклического кода в двоичный с обнаружением и исправлением ошибок, генератор 15 высокой частоты, фазовый манипулятор 16, усилитель 17 мощности, селектор (обнаружитель) 18 ФМн-сигнала, удвоитель 19 фазы, первый 20 и второй 21 измерители ширины спектра, блок 22 сравнения, пороговый блок 23, ключ 24, демодулятор 25 ФМн-сигналов, первый 26, второй 28, третий 32 и четвертый 33 перемножители, узкополосный фильтр 27, первый 29, второй 34 и третий 35 фильтры нижних частот, фазовращатель 30 на +30° фазовращатель 31 на -30°, фазовращатель 37 на +90°, первый 36 и второй 38 блоки вычитания.
Устройство работает следующим образом.
Первый 1 и второй 2 датчики вибрации устанавливаются на концах обследуемого участка трубопровода. Виброакустические сигналы, возбуждаемые течью, распространяются вдоль трубопровода в обоих направлениях и воспринимаются первым 1 и вторым 2 датчиком, с выходов которых электрические сигналы поступают на первый 3 и второй 4 усилители соответственно.
С помощью первого 5 и второго 6 фильтров производится выделение рабочей полосы частот, оптимальное значение которой определяется параметрами трубопровода и помеховой обстановкой. Первый 11 и второй 12 аналого-цифровые преобразователи преобразуют входные сигналы в цифровые коды. С выхода первого аналого-цифрового преобразователя 11 цифровые коды поступают на первый вход цифрового коррелятора 7 непосредственно.
Из-за большого пространственного удаления второго аналого-цифрового преобразователя 12 от цифрового коррелятора 7 для передачи кодов с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 12 на второй вход цифрового коррелятора 7 используется радиоканал.
Коды с выхода второго аналого-цифрового преобразователя 12 поступают на шифратор 13, с помощью которого формируется циклический код. Генератор 15 формирует колебания высокой частоты (фиг.2, А).
,
c
c
с
c
где V, w, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания, которые поступают на первый вход фазового манипулятора 16, на второй вход которого поступает модулирующий код M(t) (фиг.2, Б) с выхода шифратора 13. На выходе фазового манипулятора 16 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.2, В).
k
k
э
э
э
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при K τ<t<(k+1) τ и может измениться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N-1);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T (T=N·τ);
который после усиления в усилителе 17 мощности излучается в эфир.
Этот сигнал принимается приемником 10 и поступает на вход селектора (обнаружителя) 18, состоящего из удвоителя 19 фазы, измерителей 20 и 21 ширины спектра, блока 22 сравнения, порогового блока 23 и ключа 24.
На выходе удвоителя 19 фазы образуется гармоническое напряжение (фиг.2, г)
,
где ;
1
K - коэффициент передачи перемножителя.
1
Удвоитель 19 фазы представляет собой перемножитель, на два входа которого подается ФМн-сигнал U(t)
.
c
c
c
c
Так как , то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует. Ширина спектра Δf второй гармоники определяется длительностью T сигнала Δf=1/T,
c
э
c
э
тогда как ширина спектра Δf ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок Δf=1/τ,
2
c
c
2
т.е. ширина спектра Δf второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf входного сигнала Δf/Δf=N.
Следовательно, при умножении фазы ФМн-сигнала на два его спектр «сворачивается» в N раз. Это обстоятельство позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника 10 меньше мощности шумов и помех.
c
2
3
4
c
2
3
пор
пор
Ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала измеряется с помощью измерителя 21 ширины спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала измеряется с помощью измерителя 20 ширины спектра. Напряжения V и V, пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов измерителей 21 и 20 поступают на два входа блока 22 сравнения. Так как V>>V4, то на выходе блока 22 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень V в пороговом блоке 23. Пороговый уровень V выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи.
Если на вход блока 22 сравнения поступают напряжения приблизительно одинаковые по амплитуде, то на его выходе напряжение отсутствует, выходное напряжение блока 22 сравнения образуется лишь в том случае, когда на его входы поступают напряжения, значительно отличающиеся друг от друга по амплитуде.
пор
1
При превышении порогового уровня V в пороговом блоке 23 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 24, открывая его. В исходном состоянии ключ 24 всегда закрыт. При этом принимаемый ФМн-сигнал U(t) с выхода приемника через открытый ключ 24 поступает на фазовый демодулятор 25, состоящий из перемножителей 26 и 28, узкополосного фильтра 27 и фильтра 29 нижних частот. Данный демодулятор свободен от явления «обратной работы».
1
Принимаемый ФМн-сигнал U(t) с выхода приемника 10 через открытый ключ 24 поступает на первые входы перемножителей 26 и 28. На второй вход перемножителя 28 с выхода узкополосного фильтра 27 подается опорное напряжение (фиг.2, Д).
.
В результате перемножения образуется результирующее напряжение
.
где .
Аналог модулирующего кода (фиг.2, Е)
выделяется фильтром 29 нижних частот и поступает на второй вход перемножителя 26, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
где .
Данное напряжение выделяется узкополосным фильтром 27 и подается на второй вход перемножителя 28.
0
c
Описанная выше работа фазового демодулятора 25 соответствует стационарному (устойчивому) режиму работы. Ему предшествует переходной режим работы, когда в полосе пропускания узкополосного фильтра 27 появляется гармоническое напряжение U(t). Это обусловлено переходными процессами, в спектре колебаний которых будет присутствовать и гармоническое напряжение с частотой W.
Если на вход приемника 10 действует узкополосная помеха
,
п
c
частота W которого незначительно отличается от несущей частоты W принимаемого ФМн-сигнала
,
φ
1
п
где ΔW - полоса пропускания фильтров 29, 34 и 35 нижних частот, то аддитивная смесь принимаемого ФМн-сигнала U(t) и узкополосной помехи U(t)
с выхода приемника 10 через открытый ключ 24 поступает на первые входы перемножителей 26, 28, 32 и 33.
0
Опорное напряжение U(t) (фиг.2, Д) с выхода узкополосного фильтра 27 одновременно поступает на второй вход перемножителя 28 и на входы фазовращателей 30 и 31 на +30° и -30°, на выходе которых образуются соответствующие напряжения:
,
,
1
которые подаются на вторые входы перемножителей 32 и 33 на первые входы которых подается принимаемый ФМн-сигнал U(t), на выходе перемножителей 28, 32 и 33 образуются следующие напряжения соответственно:
где .
Фильтрами 29, 34 и 35 нижних частот выделяются следующие низкочастотные напряжения соответственно:
;
;
.
На выходе первого блока 36 вычитания образуется следующее разностное напряжение:
Анализ полученного разностного напряжения показывает, что оно представляет собой оценку помеховой составляющей, которая отличается от помеховой составляющей в основном канале поворотом по фазе на +90°.
н1
Разностное напряжение ΔU(t) с выхода блока 36 вычитания поступает на вход фазовращателя 37 на +90°, на выходе которого образуется напряжение
.
н1
н2
Напряжение U(t} с выхода первого фильтра 29 нижних частот поступает на первый вход блока 38 вычитания, на второй вход которого подается напряжение U(t) с выхода фазовращателя 37 на +90°. На выходе блока 38 вычитания образуется следующее разностное напряжение
,
в котором помеховая составляющая отсутствует.
н3
Напряжение ΔU(t), представляющие собой аналог модулирующего кода (фиг.2, Е), с выхода блока 38 вычитания поступает на вход дешифратора 14. С помощью дешифратора 14 производится восстановление двоичного кода из циклического с обнаружением и исправлением ошибок, возникающих в радиоканале из-за воздействия различных помех.
С выхода дешифратора 14 цифровые коды поступают на второй вход цифрового коррелятора 7, в котором производится расчет массива коэффициентов корреляции между сигналами, принятыми первым 1 и вторым 2 датчиками вибрации, для различных величин задержек между ними. Результаты расчетов выводятся на дисплей 8.
Принцип действия устройства основан на измерении корреляционным способом разности времени распространения гидравлических ударных волн, возбуждаемых вытекающей под давлением из отверстия трубы средой (водой, нефтью, газом и др.), от места течи до двух датчиков 1 и 2 вибрации, установленных на трубопроводе с обеих сторон от места течи (фиг.1). По разности времени, при которой наблюдается максимум коэффициента корреляции, заданным длине участка трубы между установленными датчиками и скорости распространения ударной волны по трубе вычисляется расстояние от одного из датчиков до места течи
L=(D-VT)/2,
где L - расстояние вдоль трубы от места установки второго датчика до места течи; D - длина диагностируемой секции трубопровода; V - скорость распространения виброакустического сигнала от течи вдоль трубопровода; Т - величина задержки сигнала с первого датчика 1 относительно сигнала со второго датчика 2, при которой наблюдается максимум коэффициента корреляции.
В цифровой коррелятор-процессор 7 вводятся значения D и V. Расстояние D находится из паспортных данных диагностируемого участка трубопровода или измеряется с помощью рулетки, мерного колеса или другим доступным в конкретных условиях методом.
Значение скорости V распространения ударной волны по трубопроводу зависит от диаметра, толщины стенки и материала трубопровода, а также температуры среды.
На фиг.3 приведены значения скорости V распространения ударной волны по стальным напорным трубам, на фиг.4 - по чугунным трубам, наполненным водой с различной температурой.
Таблицы на фиг.3 и 4 составлены для средних значений толщины стенок труб, которые найдены по справочным данным для каждого типоразмера труб.
На основе измеренного значения разности времени Т прихода ударных волн от течи до датчиков 1 и 2, а также введенных в цифровой коррелятор-процессор 7 с клавиатуры значений длины D диагностируемого участка трубы и скорости V распространения ударной волны в цифровом корреляторе-процессоре 7 автоматически вычисляется расстояние L до места течи от датчика вибрации 2, которое отображается дисплеем 8.
Используемый в устройстве корреляционный метод позволяет находить течь в трубах независимо от глубины их прокладки, вида грунта, интенсивности шума окружающей среды и обеспечивает высокую производительность поиска течей на протяженных участках диагностируемого трубопровода, что выгодно отличает данное устройство от акустических течеискателей.
Устройство обеспечивает поиск течей в трубах городских тепловых сетей с температурой воды до 140°С.
Применяемый в устройстве многоразрядный цифровой коррелятор-процессор увеличивает достоверность определения места течи и помехоустойчивость устройства по сравнению с распространенным в ряде стран течеискателем, использующим полярные корреляторы.
В устройстве обеспечивается повышение надежности радиоканала. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Свойства, присущие этим сигналам, делают их перспективными при решении некоторых проблем в системах передачи информации в первую очередь для обеспечения работы системы под помехами, «разделение сигналов» по форме при их работе в общем участке диапазона частот.
Сложные сигналы с фазовой манипуляцией позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять данные сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими радиоканалами и селекцией их на приемной стороне с помощью частотных фильтров.
Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждого радиоканала во всем диапазоне частот сигналами с фазовой манипуляцией с выделением приемником сигнала необходимого радиосигнала посредством его структурной селекции.
Интересной особенностью радиоканалов, использующих сложные сигналы с фазовой манипуляцией, являются их адаптивные свойства; с уменьшением числа работающих радиоканалов помехоустойчивость оставшихся автоматически возрастает.
Использование радиосигнала на базе сложного ФМн-сигнала позволяет осуществлять уверенный прием информации при наличии весьма мощных мешающих узкополосных сигналов и помех в полосе пропускания приемника. Таким путем решается задача, с которой метод частотной селекции принципиально не может справиться.
С точки зрения обнаружения сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают 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 ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия 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 параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Предлагаемое устройство для определения места течи в трубах городских тепловых сетей может устанавливаться на борту легкового автомобиля, микроавтобуса или другого транспортного средства. Электропитание осуществляется от источника постоянного напряжения 12 В, например от аккумуляторной автомобильной батареи. В качестве датчиков могут быть использованы водозащищенные вибродатчики, содержащие керамические, акселерометрические вибропреобразователи и магнитные держатели.
Все указанное выше повышает надежность устройства, делает удобным его обслуживание и расширяет область его применения. Удобство эксплуатации и мобильность подготовки устройства к работе усиливаются конструктивной особенностью устройства, которая заключается в совмещении предварительного усилителя с кабельной катушкой.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости радиоканала. Это достигается подавлением узкополосных помех фазокомпенсационным методом.