СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ТЕЧИ В ПОДЗЕМНОМ ТРУБОПРОВОДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR LOCALISATION OF BURIED PIPELINE LEAK AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемые способ и устройство относятся к контрольно-измерительной технике и могут быть использованы для определения координат течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения.
Известны способы и устройства для определения места течи в подземных трубопроводах (авт. свид. СССР №№ 411.268, 724.957, 930.909, 1.079.946, 1.208.402, 1.368.685, 1.610.347, 1.777.014, 1.800.219, 1.812.386; патенты РФ №№ 2.011.110, 2.036.372, 2.047.039, 2.053.436, 2.084.757, 2.204.119, 2.263.887; патенты США №№ 3.045.116, 3.744.298, 4.289.019, 4.570.477; патент Великобритании № 1.349.120; патенты Франции №№ 2.374.628, 2.504.651; патент ФРГ № 3.112.829; патенты Японии №№ 46-4.795, 55-6.856, 59-38.537, 63-22.531; Волошин В.И. и др. Акустический определитель местоположения развивающегося дефекта. Дефектоскопия, 1980, №8, с.69-74 и др.).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ определения места течи в напорном трубопроводе и устройство для его осуществления» (патент РФ № 2.263.887, G01М 3/08, 2004), которые и выбраны в качестве прототипов.
3
k1
k2
пр
Известные способ и устройство обеспечивают подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте ω, по первому и второму комбинационным каналам на частотах ω и ω, по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω.
Однако кроме указанных дополнительных каналов существуют еще и интермодуляционные каналы приема, которые образуются при появлении в свободном канале сразу двух ложных сигналов (помех), наложенных друг на друга.
1
2
Природу интермодуляционных помех можно пояснить следующим образом. Если в эфире одновременно появляются два сигнала большей амплитуды с частотами ω и ω, то они образуют на любых нелинейных элементах ряд интермодуляционных частот:
mn
Сумма (разность) коэффициентов m и n называется порядком, т.е. интермодуляционная частота ω называется частотой порядка m±n.
Как видно из фиг.3 и 4, два мощных ложных сигнала (помехи) образуют множество интермодуляционных частот.
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости, избирательности и точности определения места течи в подземном трубопроводе.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, избирательности и точности определения места течи в подземном трубопроводе путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам.
Поставленная задача решается тем, что способ определения места течи в подземном трубопроводе, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на электромагнитном зондировании грунта вдоль трассы трубопровода плоскополяризованной электромагнитной волной и приеме сигналов с правой и левой круговой поляризацией, при этом сигнал с правой круговой поляризацией стробируют по времени, пропорциональном глубине залегания трубопровода, а сигнал с левой круговой поляризацией пропускают через узкополосный фильтр, частоту настройки
н1
н1
пр
ω которого выбирают равной промежуточной частоте ω=ω, сдвигают по фазе на 180° и суммируют с сигналом с левой круговой поляризацией, суммарный сигнал преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина и напряжения гетеродина, сдвинутого по фазе на 90°, выделяют напряжение промежуточной частоты и дополнительное напряжение промежуточной частоты, сдвигают последнее по фазе на 90°, суммируют с напряжением промежуточной частоты, перемножают полученное суммарное напряжение с суммарным сигналом, выделяют напряжение на частоте гетеродина, детектируют его и используют в качестве управляющего сигнала для разрешения перемножения полученного суммарного напряжения промежуточной частоты с сигналом с правой круговой поляризацией, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют сдвиг фаз между сигналами с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте гетеродина, сравнивают измеренное значение сдвига фаз с эталонным значением и по результатам сравнения принимают решение о наличии места течи в контролируемом трубопроводе, отличается от ближайшего аналога тем, что суммарный сигнал перед преобразованием по частоте последовательно пропускают через полосовой фильтр, частоту настройки
н2
п1
ω и полосу пропускания Δω которого выбирают следующим образом:
1
2
п1
п
где ω, ω - граничные частоты, определяющие полосу частот Δω, расположенную «слева» от полосы пропускания Δω приемника,
н3
п2
попадание в которую двух или более сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех, сдвигают по фазе на 180° и суммируют с исходными сигналами, а затем через полосовой фильтр, частоту настройки ω и полосу пропускания Δω которого выбирают следующим образом:
3
4
п2
п
где ω, ω - граничные частоты, определяющие полосу частот Δω, расположенную «справа» от полосы пропускания Δω приемника,
попадание в которую двух или более сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех, сдвигают по фазе на 180° и суммируют с исходными сигналами.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения места течи в подземном трубопроводе, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом последовательно включенные передатчик, управляющий вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, и передающую антенну, последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, первый ключ, второй вход которого через блок временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, фазовый детектор, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, измеритель выходного напряжения, блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом измерителя выходного напряжения, и индикатор, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй приемник, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго приемника, последовательно включенные первый смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, второй сумматор, второй перемножитель, третий узкополосный фильтр, амплитудный детектор и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к второму входу первого перемножителя, последовательно подключенные к первому выходу гетеродина первый фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты и второй фазовращатель на 90°, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, при этом передающая антенна имеет линейную поляризацию, первая приемная антенна восприимчива к сигналам с правой круговой поляризацией, вторая приемная антенна восприимчива к сигналам с левой круговой поляризацией, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено двумя полосовыми фильтрами, вторым и третьим фазоинверторами, третьим и четвертым сумматорами, причем к выходу первого сумматора последовательно подключены первый полосовой фильтр, второй фазоинвертор, третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй полосовой фильтр, третий фазоинвертор и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а выход подключен к вторым входам второго перемножителя, первого и второго смесителей.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Частотные диаграммы, поясняющие принцип образования дополнительных каналов приема, изображены на фиг.2, 3 и 4.
Устройство содержит последовательно включенные синхронизатор 13, передатчик 1 и передающую антенну 3, последовательно включенные первую приемную антенну 4, первый приемник 2, первый ключ 15, второй вход которого через блок 14 временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора 13, первый перемножитель 21, первый узкополосный фильтр 22, амплитудный ограничитель 23, фазовый детектор 5, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 18, измеритель 6 выходного напряжения, блок 24 сравнения, второй ключ 25, второй вход которого соединен с выходом измерителя 6 выходного напряжения, и индикатор 26, последовательно включенные вторую приемную антенну 16, второй приемник 17, второй узкополосный фильтр 27, первый фазоинвертор 28, первый сумматор 29, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 17, первый полосовой фильтр 39, второй фазоинвертор 40, третий сумматор 41, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 29, второй полосовой фильтр 42, третий фазоинвертор 43, четвертый сумматор 44, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора 41, первый смеситель 19, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина 18, первый усилитель 20 промежуточной частоты, второй сумматор 34, второй перемножитель 35, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 44, третий узкополосный фильтр 36, амплитудный детектор 37 и третий ключ 38, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 34, а выход подключен к второму входу первого перемножителя 21.
3
k1
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте ω и по первому комбинационному каналу на частоте ω, обеспечивается «внешним кольцом», состоящим из смесителей 19 и 31, гетеродина 18, фазовращателей 30 и 33 на 90°, усилителей 20 и 32 промежуточной частоты, второго сумматора 34 и реализующим фазокомпенсационный метод.
k2
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по второму комбинационному каналу на частоте ω, обеспечивается «внутренним кольцом», состоящим из перемножителя 35, узкополосного фильтра 36, амплитудного детектора 37, ключа 38 и реализующим метод узкополосной фильтрации.
пр
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω, обеспечивается «фильтром-пробкой», состоящим из узкополосного фильтра 27, фазоинвертора 28, сумматора 29 и реализующим фазокомпенсационный метод.
п1
п
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционному каналу в полосе частот Δω, расположенной «слева» от полосы пропускания Δω приемника, обеспечивается «фильтром-пробкой», состоящим из полосового фильтра 39, фазоинвертора 40, сумматора 41 и реализующим фазокомпенсационный метод.
п2
п
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционному каналу в полосе частот Δω, расположенный «справа» от полосы пропускания Δω приемника, обеспечивается «фильтром-пробкой», состоящим из полосового фильтра 42, фазоинвертора 43, сумматора 44 и реализующим фазокомпенсационный метод.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
СЛ
И
Синхронизатор 13 формирует стабильные прямоугольные видеоимпульсы с известным периодом следования Т и длительностью Т, которые периодически запускают передатчик 1. Последний формирует высокочастотный зондирующий сигнал с линейной поляризацией:
c
c
c
И
где υ, ω, φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность зондирующего сигнала,
который через передающую антенну 3 излучается в направлении трубопровода 8, находящегося под слоем грунта 7. При достижении зондирующим сигналом 9 трубопровода 8 происходит его частичное отражение в сторону поверхности земли (точка А). Отраженный сигнал 10 улавливается приемными антеннами 4 и 16. При этом приемная антенна 4 восприимчива только к сигналу с правой круговой поляризацией, а приемная антенна 16 - только к сигналу с левой круговой поляризацией.
На выходе приемников 2 и 17 образуются следующие сигналы:
где индексы «П» и «Л» относятся соответственно к сигналам с правой и левой круговой поляризацией;
П
Л
U(t), U(t) - огибающие сигналов с правой и левой круговой поляризацией;
±Δω - нестабильность несущей частоты, обусловленная некогерентным отражением и другими дестабилизирующими факторами.
П
Сигнал U(t) с выхода приемника 2 через ключ 15 поступает на первый вход перемножителя 21. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала глубине h залегания трубопровода 8, перемножитель 21 стробируется по времени с помощью ключа 15, на управляющий вход которого поступают короткие прямоугольные видеоимпульсы с выхода блока 14 временной задержки. Временная задержка импульсов определяется глубиной h залегания трубопровода 8 в грунте 7. При изменении глубины меняется и время задержки.
Л
Сигнал U(t) с выхода приемника 17 через сумматоры 29, 41 и 44, у которых работает только одно плечо, поступает на первые входы смесителей 19 и 31, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 18 соответственно:
г
г
г
где υ, ω, φ, - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.
На выходах смесителей 19 и 31 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 20 и 32 выделяются только напряжения промежуточной (разностной) частоты:
np
л
г
где υ(t)=1/2··υ(t)∙υ;
пр
с
г
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр
с
г
φ=φ-φ.
пр2
Напряжение U(t) с выхода усилителя 32 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 33 на 90°, на выходе которого образуется напряжение:
пр1
пр3
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 34, на выходе которого образуется суммарное напряжение:
Σ
пр
где υ(t)=2·υ(t).
Это напряжение подается на первый вход перемножителя 35, на второй вход которого поступает принимаемый сигнал Uл(t). На выходе перемножителя 35 образуется напряжение:
1
л
Σ
где υ(t)=1/2·υ(t)∙υ(t).
н
г
н
г
1
Σ
Так как частота настройки ω узкополосного фильтра 36 выбирается равной частоте ω гетеродина 18 (ω=ω), то напряжение U(t) выделяется узкополосным фильтром 36, детектируется амплитудным детектором 37 и поступает на управляющий вход ключа 38, открывая его. В исходном состоянии ключ 38 всегда закрыт. При этом напряжение U(t) с выхода сумматора 34 через открытый ключ 38 поступает на второй вход перемножителя 21. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
2
л
Σ
где υ(t)=1/2·υ(t)·υ(t);
2
1
Δφ=φ-φ - разность фаз между сигналами с правой и левой круговой поляризаций,
которое выделяется узкополосным фильтром 22 и поступает на вход амплитудного ограничителя 23. На выходе последнего образуется напряжение:
огр
где υ - порог ограничения,
Г
которое поступает на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 18. На выходе последнего образуется постоянное напряжение:
н
огр
г
где υ=1/2·υ·υ,
пропорциональное измеряемому сдвигу фаз Δφ. Это напряжение измеряется измерителем 6 выходного напряжения. В блоке 24 сравнения осуществляется сравнение измеренного значения выходного напряжения с эталонным значением
Э
где Δφ - неизменяемый фазовый сдвиг, получаемый при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода 8.
Сдвиг фаз Δφ определяется частотой зондирующего сигнала и электрическими параметрами грунта 7. Этот сдвиг фаз остается неизменным при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода 8, поскольку все определяющие его величины остаются постоянными. Поэтому в блоке 24 сравнения хранится эталонное значение выходного напряжения, соответствующего сдвигу фаз при зондировании грунта над неповрежденными участками трубопровода.
Н
Э
При U(t)≈U(t) в блоке 24 сравнения постоянное напряжение не формируется. При зондировании грунта под поврежденным участком 11 трубопровода 8 (точка В) сигналы с правой и левой круговой поляризацией частично проходят по влажному слою 12 грунта 7, образованному при вытекании жидкости из контролируемого трубопровода 8.
При прохождении электромагнитной волны по влажному грунту, имеющему отличные от сухого грунта электрические параметры (большую проводимость и диэлектрическую проницаемость), изменяется фазовая скорость распространения волны.
Когда плоскопляризованная электромагнитная волна отражается от трубопровода, на которую воздействует внешнее магнитное поле Земли, то оно разделяется на две независимые составляющие, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения. На частотах дециметрового диапазона обе составляющие имеют круговую поляризацию. Обе составляющие электромагнитной волны распространяется во влажном слое 12 грунте 7 с различными скоростями, вследствие чего фазовые соотношения между этими волнами изменяются.
Это явление обычно называется эффектом Фарадея, из-за которого отраженный сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения сигналов с правой и левой круговой поляризацией по влажному слою грунта, находится из соотношения:
Z
2
1
S=1/2(φ-φ),
1
2
где φ, φ - фазовые запаздывания сигналов с правой и левой круговой поляризацией соответственно.
Н
Н
Э
Э
Н
Н
Все это приводит к изменению сдвига фаз Δφ и значения выходного напряжения U(Δφ) фазового детектора 5. При U(Δφ)>U(Δφ)) в блоке 24 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 25, открывая его. В исходном состоянии ключи 15, 25 и 38 всегда закрыты. При этом выходное напряжение U(Δφ) с выхода измерителя 6 выходного напряжения поступает через открытый ключ 25 на вход индикатора 26. При этом факт регистрации выходного напряжения U(Δφ) фазового детектора 5 свидетельствует о наличии течи на данном участке трубопровода 8, а величина данного напряжения характеризует степень повреждения трубопровода.
Применение предлагаемого способа облегчает нахождение с поверхности земли трассы подземного трубопровода, так как при отклонении в сторону от трассы трубопровода будет зафиксировано отсутствием отраженного сигнала 10.
г
Следует отметить, что в предлагаемом способе исключаются отражения от поверхности воздух - грунт, используется поляризационная селекция и устраняется неоднозначность фазовых измерений, что достигается тем, что фазовые измерения осуществляются между сигналами с правой и левой круговой поляризацией, а не между зондирующим и отраженным сигналами. При этом фазовый сдвиг Δφ между отраженными сигналами с правой и левой круговой поляризацией измеряется на стабильной частоте ω гетеродина 18. Поэтому процесс измерения фазового сдвига инвариантен к нестабильности амплитуды и несущей частоты отраженного сигнала, возникающих при некогерентном отражении сигнала от трубопровода и за счет других дестабилизирующих факторов, что позволяет повысить точность измерения фазового сдвига Δφ и, следовательно, точность определения места течи в подземном трубопроводе.
с
Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует случаю приема отраженного от трубопровода сигнала с левой круговой поляризацией по основному каналу на частоте ω (фиг.2).
пр
Если ложный сигнал (помеха) принимается по каналу прямого прохождения на частоте ω:
то он выделяется узкополосным фильтром 27 и поступает на вход фазоинвертора 28, где он инвертируется по фазе на 180°:
пр4
пр5
Напряжения U(t) и U(t), поступающие на два входа сумматора 29, на его выходе компенсируются.
пр
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на частоте ω, подавляется с помощью фильтра-пробки, состоящего из узкополосного фильтра 27, фазоинвертора 28, сумматора 29 и реализующего фазокомпенсационный метод.
3
Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте ω:
то усилителями 20 и 32 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр6
3
г
где υ=1/2·υ·υ;
пр
г
3
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр6
г
3
φ=φ-φ.
пp7
Напряжение U(t) с выхода усилителя 32 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 33 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр6
пр8
Напряжения U(t) и U(t); поступающие на два входа сумматора 34, на его выходе компенсируются.
3
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω, подавляется с помощью «внешнего кольца», состоящего из гетеродина 18, фазовращателей 30 и 33 на 90°, смесителей 19 и 31, усилителей 20 и 32 промежуточной частоты, сумматора 34 и реализующего фазокомпенсационный метод.
k1
По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω.
k2
Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω:
то усилителями 20 и 32 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр9
k2
г
где υ=1/2·υ·υ;
пр
k2
г
ω=ω-2ω - промежуточная частота;
пр9
k2
г
φ=φ-φ.
пр10
Напряжение U(t) с выхода усилителя 32 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 33 на 90°, на выходе которого образуется напряжение:
пр9
пр11
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 34, на выходе которого образуется суммарное напряжение:
Σ1
пр9
где υ=2υ.
k2
Это напряжение подается на первый вход перемножителя 35, на второй вход которого поступает принимаемый сигнал U(t). На выходе перемножителя 35 образуется следующее напряжение:
4
k2
Σ1
где υ=1/2·υ·υ,
k2
которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 36. Ключ 38 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω, подавляется с помощью «внутреннего кольца», состоящего из перемножителя 35, узкополосного фильтра 36, амплитудного детектора 37, ключа 38 и реализующего метод узкополосной фильтрации.
п1
п
н2
п1
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам в полосе частот Δω, расположенной «слева» от полосы пропускания Δω приемника, обеспечивается фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 39, фазоинвертора 40, сумматора 41 и реализующим фазокомпенсационный метод. Частота настройки ω и полоса пропускания Δω полосового фильтра 39 выбираются следующим образом:
н2
1
2
п1
2
1
ω=ω+ω/2, Δω=ω-ω,
1
2
п1
где ω, ω - граничные частоты, определяющие полосу частот Δω, попадание в которую двух или более сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех.
Указанные ложные сигналы (помехи) поступают на первый вход сумматора 41, выделяются полосовым фильтром 39, инвертируются по фазе на +180° в фазоинверторе 40 и подаются на второй вход сумматора 41, на выходе которого они компенсируются.
п1
Следовательно, ложные сигналы (помехи), принимаемые по интермодуляционным каналам в полосе частот Δω, подавляются.
п2
п
Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам в полосе частот Δω (фиг.4), расположенной «справа» от полосы пропускания Δω приемника, обеспечивается фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 42, фазоинвертора 43, сумматора 44 и реализующим фазокомпенсационный метод.
н3
п2
Частота настройки ω и полоса пропускания Δω полосового фильтра 42 выбираются следующим образом:
н3
3
4
п2
4
3
ω=ω+ω/2, Δω=ω-ω,
3
4
п2
где ω, ω - граничные частоты, определяющие полосу частот Δω, попадание в которую двух или более сигналов приводит к образованию интермодуляционных помех.
Указанные ложные сигналы (помехи) поступают на первый вход сумматора 44, выделяются полосовым фильтром 42, инвертируются по фазе на +180° в фазоинверторе 43 и подаются на второй вход сумматора 44, на выходе которого они компенсируются.
п2
Следовательно, ложные сигналы (помехи), принимаемые по интермодуляционным каналам в полосе частот Δω, подавляются.
п1
п2
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости, избирательности и точности определения места течи в подземном трубопроводе. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам в полосе частот Δω и Δω, с использованием фильтров-пробок, реализующих фазокомпенсационный метод.