УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА В ТРУБОПРОВОДЕ

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике и предназначено к использованию на магистральных нефтепроводах для контроля прохождения внутритрубного очистного объекта.
Известны предназначенные для этих целей устройства, например, полезная модель №9974 Kл. G 01 S 5/16. Прототип содержит передатчик, устанавливаемый на подвижном объекте, магнитные антенны, расположенные в грунте над трубопроводом, обнаружитель сигнала, состоящий из последовательно соединенных сумматора, усилителя с полосовым фильтром, пороговой схемы, ключевой схемы и счетчика импульсов с дешифраторами количества импульсов и количества посылок передатчика, выходной блок, состоящий из таймера, выполненного в виде последовательно соединенных генератора, счетчика импульсов, логической схемы И, выходного триггера, и блок контрольного режима. В качестве передатчика обычно используются трансмиттеры фирмы Pipetronix (ФРГ) или их российские аналоги фирмы «ДИАСКАН». Указанные передатчики излучают электромагнитные синусоидальные колебания частотой около 22 Гц в виде посылок длительностью 0,36 с с интервалами между посылками 1,08 с (фиг.1).
Алгоритм обнаружения подвижного объекта прототипом заключается в предварительной регистрации счетчиком обнаружителя восьмого, т.е. последнего импульса первой посылки, после чего запускается таймер на интервал времени приема последнего импульса второй посылки (на 1,44 с в соответствии с фиг.1). Если в момент окончания этого интервала на выходе счетчика присутствует сигнал логической единицы, соответствующий последнему импульсу второй посылки, то через логическую схему И
срабатывает триггер выходного блока и выдает оператору сигнал обнаружения объекта.
Рассмотренный алгоритм объясняет два существенных недостатка известного устройства. Во-первых, достаточно большое время обнаружения и обработки двух полных посылок уменьшает допустимую скорость движения внутритрубного объекта. С учетом ограниченности зоны приема двумя антеннами (не более 10 м, вследствие сильного ослабления сигналов передатчика стенкой трубопровода), как видно из фиг.1, если передатчик излучает посылку в момент входа объекта в зону приема, время обработки двух полных посылок составляет 3,24 с, что соответствует максимально допустимой скорости движения объекта 11,1 км/час. Современная тенденция увеличения пропускной способности трубопроводов предполагает движение очистных устройств с более высокими скоростями, но при этом значительно возрастает вероятность пропуска обнаружения.
Во-вторых, рассмотренный алгоритм обнаружения в основном базируется на временных соотношениях посылок передатчика, а информация о частоте колебаний в посылке используется лишь в усилителе с полосовым фильтром обнаружителя сигналов. Это приводит к тому, что наводимые в антеннах сигналы помехи в диапазоне частот 0-200 Гц, будучи усиленными до уровня срабатывания пороговой схемы, подсчитываются счетчиком, запускают таймер и продолжают подсчитываться счетчиком, формируя окончание второй псевдопосылки, в результате чего оператор получает ложное сообщение о прохождении объекта на контролируемом участке трубопровода.
Отмеченные недостатки выявлены пятилетним опытом эксплуатации прототипа и устранены в предлагаемом устройстве, в котором реализуется алгоритм обнаружения объекта не по двум полным посылкам передатчика, а по заданному числу импульсов «n» в единственной первой принятой посылке.
Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что обнаружитель сигнала и таймер содержат однотипные счетчики с дешифраторами количества импульсов, ждущий мультивибратор и логическую схему ИЛИ, причем выходы дешифраторов n-го импульса обоих счетчиков соединены со входами логической схемы И, выходы дешифраторов (n+2)-го импульса обоих счетчиков соединены соответственно с первым и вторым входами логической схемы ИЛИ, выход которой соединен со входами разрешения/сброса обоих счетчиков и цепью запуска мультивибратора, а третий вход логической схемы ИЛИ соединен с выходом ключевой схемы обнаружителя сигналов. Это обеспечивает возможность обнаружения объекта при его движении с более высокими скоростями и значительно повышает помехоустойчивость устройства.
На фиг.2 приведена блок-схема предлагаемого устройства, которое содержит магнитные антенны 1 и 2, сумматор 3, усилитель с полосовым фильтром 4, пороговую схему 5, ключевую схему 6, два однотипных счетчика 7 и 8 с дешифраторами количества импульсов, логическую схему И 9, триггер выходного блока 10, логическую схему ИЛИ 11, ждущий мультивибратор 12 и блок контроля 13.
n
n+2
Устройство работает следующим образом. При отсутствии наводимых в антеннах сигналов на выходе ключевой схемы 6 присутствует сигнал логической единицы, который, проходя через логическую схему ИЛИ 11, поддерживает счетчики 7 и 8 в обнуленном состоянии, в результате чего выходы дешифраторов Q и Q этих счетчиков имеют сигнал логического нуля. При движении внутритрубного очистного объекта антенны 1 и 2 поочередно принимают посылки электромагнитных колебаний передатчика. Как уже указывалось, использование двух антенн и сумматора 3 позволяют расширить зону приема до 10 м. Принятые сигналы усиливаются усилителем 4 до величины, необходимой для срабатывания пороговой схемы 5, в результате чего эти сигналы преобразуются в прямоугольные импульсы, которые поступают на счетный вход счетчика 7 и одновременно запускают
n
ключевую схему 6. Выходной сигнал этой схемы при наличии входных импульсов переключается в состояние логического нуля и, проходя через логическую схему ИЛИ 11, синхронно обеспечивает запуск мультивибратора 12 и разрешение счета импульсов счетчиками 7 и 8. Частота импульсов, вырабатываемых мультивибратором 12, равна частоте импульсов посылки передатчика, сформированных пороговой схемой 5. Таким образом, число импульсов, вырабатываемых мультивибратором, строго соответствует числу принимаемых импульсов посылки передатчика. В результате на одноименных выходах Q счетчика 7 обнаружителя и счетчика 8 таймера в один и тот же момент времени появляются выходные импульсы логической единицы, которые проходя через логическую схему И 9 вызывают срабатывание триггера 10 выходного блока, выдавая оператору сигнал прохождения очистного устройства по контролируемому участку нефтепровода. После этого оператор через блок контроля 13 может сбросить триггер 10 в исходное состояние.
При любой продолжительности воздействия на антенны электромагнитных помех с частотами, несколько отличающимися от частоты 22 Гц импульсов посылки передатчика, срабатывание триггера 10 не происходит по следующей причине.
n
n+2
n
n
На повышенных частотах помехи сигнал на выходе Q счетчика 7 обнаружителя появится раньше сигнала на одноименном выходе счетчика 8 таймера, и при отсутствии временных совпадений обоих сигналов триггер 10 будет продолжать находиться в дежурном режиме. Последующие импульсы помехи вызовут на выходе Q счетчика 7 появление сигнала логической единицы, который, проходя через логическую схему ИЛИ 11, вызовет сброс содержимого обоих счетчиков, после чего циклы запуска таймера и счета импульсов помехи будут продолжаться до окончания действия помехи, не выводя триггер 10 из дежурного режима. Аналогично при пониженных частотах помехи сигнал на выходе Q счетчика 8 таймера появится раньше сигнала на одноименном выходе Q счетчика 7 обнаружителя сигналов, и
n+2
при отсутствии временных совпадений триггер 10 также будет продолжать находиться в дежурном режиме. Последующие импульсы мультивибратора 12 вызовут появление на выходе Q счетчика 8 таймера сигнала логической единицы, который, проходя через логическую схему ИЛИ 11, вызовет сброс содержимого обоих счетчиков и повторение циклов запуска и счета вплоть до окончания действия низкочастотной помехи.
Произведем расчет полосы частот, при которых возможно срабатывание заявляемого устройства для экспериментально установленного оптимального числа n=7 подсчитываемых импульсов посылки. Частота импульсов мультивибратора 12 равна частоте передатчика (22 Гц) и, следовательно, период колебаний мультивибратора составляет
7
7
Сигнал на выходе Q счетчика 8 таймера появится через 7·45=315 мс после запуска таймера и будет иметь длительность, равную периоду колебаний мультивибратора, т.е. 45 мс. Таким образом, необходимый для срабатывания триггера 10 временной интервал совпадения импульсов на выходах Q счетчиков 7,8 составляет 315÷360 мс после запуска таймера. Обозначим через Х период колебаний максимально возможной частоты сигнала, способного вызвать срабатывание триггера. Учитывая, что в интервале (315-Х) должно уложиться семь импульсов этого сигнала, получаем уравнение:
,
max
откуда:  и f=25,6 Гц.
Аналогично, обозначив через Y период минимальной частоты сигнала срабатывания, получаем уравнение:
,
min
откуда:  и f=16,7 Гц.
Вероятность появления электромагнитных помех с ограниченной полосой 16÷25 Гц крайне низка, что и предопределяет высокую помехоустойчивость заявляемого устройства.
n+2
n
Выбор дешифрированных выходов Q счетчиков 7,8 объясняется необходимостью разнесения временных интервалов сигналов сброса на этих выходах от информативных сигналов на выходах Q. При этом повышается надежность обнаружения очистного устройства, т.к. его движение внутри трубопровода может сопровождаться появлением вибраций, вызывающих паразитную модуляцию сигналов, наводимых на приемные антенны.
Поскольку обнаружение объекта заявленным устройством осуществляется по единственной принятой посылке передатчика, максимальное время опознавания, согласно фиг.1, не превышает 1,8 с, что при зоне приема антеннами 10 м соответствует максимально допустимой скорости движения очистного устройства
или 20 км/час.
Литература:
1. Digital Pig Lokator. Operation Manual / Pipetronix GMBH - 1995.
2. Шило В.Л.
Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987, - 352 с.: ил.; 21 см. - (МРБ: Массовая радиобиблиотека; Вып.1111).