СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА И ХАРАКТЕРНОГО РАЗМЕРА ТЕЧИ В ПОДЗЕМНОМ ТРУБОПРОВОДЕ
METHOD OF DETERMINING POSITION AND TYPICAL SIZE OF LEAKAGE IN UNDERGROUND PIPELINE

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе.
Известны способы обнаружения места нарушения герметичности подземных трубопроводов (авт.свид. СССР №№380909, 411268, 642575, 934269, 1216550, 1283566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705709, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты РФ №№2135887, 2213292; патенты США №№4289019, 4570477; патент Великобритании №1349129; патент Франции №2498325; патенты Японии №№59-38537, 60-24900, 63-22531. Трубопроводный транспорт жидкости и газа. - М., 1993 и другие).
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе» (патент РФ №2213292, F17D 5/02, 2002), который и выбран в качестве прототипа.
Согласно данному способу в трубопроводе создают электромагнитное излучение помещенным в нем излучателем передачи и по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее места на трассе.
Вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают их приемником. Полоса пропускания приемника равна диапазону частот излучения передатчика. Местоположение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада.
Кроме того, известный способ устраняет маскирующие сигналы, приходящие с других направлений, что обеспечивает возможность обнаружения слабых электромагнитных сигналов, генерируемых отверстием течи, измерения и записи значений их частот.
пр
0
з
Однако в известном способе электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, принимают с помощью двух панорамных приемников, в которых одно и то же значение промежуточной частоты f может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах f и f, т.е.
пр
г
0
пp
з
г
f=f-f и f=f-f,
г
где f - начальная частота гетеродина.
0
з
0
пр
г
Следовательно, если частоту настройки f принять за основной канал приема, то наряду с ним будет всегда иметь место зеркальный канал приема, частота f настройки которого отличается от частоты f настройки основного канала на два значения промежуточной частоты 2f и расположена симметрично (зеркально) относительно начальной частоты f гетеродина.
з
кр
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте f, приводит к снижению помехоустойчивости, точности и неоднозначности измерения критической частоты f, что, в свою очередь, приводит к ошибке определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе.
кр
з
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, точности и устранение неоднозначности измерения критической частоты f сигналов, генерируемых отверстием течи в подземном трубопроводе, путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте f.
Поставленная задача решается тем, что согласно способа определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающегося в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи, вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, с помощью двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, вращают кардиоидную диаграмму направленности антенны до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитного излучения и фиксируют момент указанного совмещения, при этом местоположение отверстия течи определяют по минимуму кардиоидной диаграммы направленности антенны, а характерный размер отверстия течи определяют по частотной метке на экране осциллографического индикатора, детектируют по частоте и амплитуде напряжение промежуточной частоты каждого панорамного приемника, полученное после частотного детектирования напряжение дифференцируют по времени, селектируют по полярности, сравнивают по полярности с напряжением, полученным после амплитудного детектирования, и по результатам сравнения принимают решение о дальнейшей обработке принимаемых сигналов.
(1)
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, и разрез участка трубопровода показаны на фиг.1. График зависимости коэффициента пропускания f излучения отверстием диаметром D=2a в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a представлен на фиг.2. Диаграммы направленности приемных антенн 7 и 8 изображены на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие сущность предлагаемого способа, показаны на фиг.4 и 5.
Устройство содержит передатчик 1, излучатель 2, среду 3, размещенную внутри трубопровода 4, отверстие 5 течи, грунт 6, последовательно включенные первую приемную антенну 7 с круговой диаграммой направленности, первый смеситель 10.1, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 17, первый усилитель 11.1 промежуточной частоты, первый частотный детектор 22.1, первый дифференцирующий блок 23.1, первый однополярный вентиль 24.1, первый блок 25.1 совпадения, второй вход которого через первый амплитудный детектор 12.1 соединен с выходом усилителя 11.1 промежуточной частоты, первый ключ 26.1, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 12.1, коммутатор 15, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами второго ключа 26.2, формирователя 19 управляющего импульса и блока 21 деления соответственно, и вертикально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, горизонтально-отклоняющие пластины которого соединены с выходом генератора 18 пилообразного напряжения, последовательно включенные вторую приемную антенну 8 с кардиоидной диаграммой направленности, блок 9 управления диаграммой направленности, второй смеситель 10.2, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 17, второй усилитель 11.2 промежуточной частоты, второй частотный детектор 22.2, второй дифференцирующий блок 23.2, второй однополярный вентиль 24.2, второй блок 25.2 совпадения, второй вход которого через второй амплитудный детектор 12.2 соединен с выходом второго усилителя 11.2 промежуточной частоты, второй ключ 26.2, второй вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора 12.2, блок 21 деления, второй вход которого соединен с выходом первого ключа 26.1, пороговый блок 20, формирователь 19 управляющего импульса, генератор 18 пилообразного напряжения и гетеродин 17, последовательно подключенные к выходу первого усилителя 11.1 промежуточной частоты частотомер 13, второй вход которого соединен с выходом формирователя 19 управляющего импульса, и блок 14 регистрации, второй вход которого соединен с выходом формирователя 19 управляющего импульса.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
От передатчика 1 сверхвысокочастотный сигнал подается на излучатель 2, помещенный в водную, газовую или газоконденсатную среду 3 внутри трубопровода 4. От излучателя 2 электромагнитное поле ориентированно распространяется вдоль трубопровода 4, отражаясь от его стенок. В месте трубопровода 4, где находится отверстие 5 течи, генерируется электромагнитный сигнал, который покидает пределы трубопровода 4 и, пройдя толщину грунта 6, попадает на приемные антенны 7 и 8 двух панорамных приемников с одним общим гетеродином 17.
кр
Для определения характерного размера D отверстия 5 течи используется следующее соотношение между критической длиной волны излучения λи D
кр
λ=1,25 D,
при котором происходит переход от экспоненциального затухания излучения в канале, образованном отверстием 5 в стене трубы 4, к пропусканию, обусловленному возможностью распространения основной волны в волноводном канале отверстия 5.
кр
кр
Если трубопровод 4 заполнен средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε, то соответствующая λ частота излучения f определяется из выражения
где С - скорость света в вакууме.
кр
Таким образом, зная частоту излучения f, при которой начинает резко возрастать сигнал на входах панорамных приемниках, используемых для пеленгации течи, можно определить характерный размер отверстия 5 течи
(1)
(1)
(1)
(1)
На фиг.2 представлен график зависимости коэффициента пропускания f излучения отверстием диаметром D=2a в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a. Из вида зависимости f=f(d/2a) следует, что оценка характерного размера отверстия D будет точной при d/2a>1. Именно в этой области наблюдается резкая зависимость коэффициента пропускания f от величины Ка=2πd/λ, т.е. при небольшом изменении частоты сигнала интенсивность прошедшего через отверстие 5 излучения сильно изменяется. При Ка=2,5 в волновом канале, образованном отверстием в стенке трубы, может распространяться основная волна - поэтому наблюдается периодическая зависимость f от d.
Для расчета чувствительности приемопередающей антенны в реальных условиях используем в качестве примера следующие параметры:
Р=3 Вт - мощность электромагнитного излучения, возбуждаемая в трубопроводе;
тр
D=2R=0,7 м - диаметр трубы трубопровода;
d=0,01 м - толщина стенки трубы;
2а=4 см - диаметр отверстия течи;
l=100 км - удаленность течи от источника излучения;
h=2 м - глубина залегания трубопровода;
λ=0,2 м - длина волны излучения в трубопроводе.
Используя соответствующие формулы, можно оценить необходимые параметры приемников излучения в месте течи, в частности,
Ем=0,32 В/м - амплитуда колебаний электрического поля в трубопроводе в сечении с течью;
1
-3
Ем=1,74·10 В/м - амплитуда колебаний электрического поля на внешней стороне отверстия;
2
-5
Ем=4,3·10 В/м - амплитуда колебаний электрической компоненты электромагнитного поля вблизи поверхности грунта со стороны атмосферы;
-12
2
2
П=2,5·10 В/м - плотность потока излучения в области приемных антенн вблизи от поверхности грунта и при сопротивлении измерения приемных антенн R≈60 Ом, сигналы на выходе панорамных приемников определяются формулой
Cледовательно, для обнаружения течи необходимы приемники с чувствительностью S≈10 мкВ.
кр
п
г
Просмотр возможного диапазона критических частот f осуществляется с помощью генератора 18 пилообразного напряжения, который периодически с периодом Т по линейному закону изменяет частоту f гетеродина 17. Одновременно пилообразное напряжение поступает на горизонтально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, формируя его горизонтальную развертку.
Принимаемые электромагнитные сигналы с выходов антенн 7 и 8 поступают на первые входы смесителей 10.1 и 10.2, на вторые входы которых подается напряжение гетеродина 17 линейно-изменяющейся частоты.
На выходах смесителей 10.1 и 10.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 11.1 и 11.2 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты, которые одновременно поступают на входы амплитудного 12.1 (12.2) и частотного 22.1 (22.2) детекторов.
12
Амплитудный детектор 12.1 (12.2) выделяет огибающую V (фиг.4,б) импульса с внутриимпульсной частотной модуляцией по закону линейно-возрастающей пилы (фиг.4,а), которая поступает на первый вход блока 25.1 (25.2) совпадения и на первый вход ключа 26.1 (26.2).
22
23
24
12
24
25
С выхода частотного детектора 22.1 (22.2) видеосигнал V (фиг.4,б), форма которого соответствует закону изменения частоты импульса (фиг.4,а), поступает на вход дифференцирующего блока 23.1 (23.2), выходной сигнал которого V (фиг.4,г) через однополярный вентиль 24.1 (24.2), который пропускает только положительный импульс V (фиг.4,д), подается на второй вход блока 25.1 (25.2) совпадения. Так как напряжения V (фиг.4,б) и V (фиг.4,д), поступающие на два входа блока 25.1 (25.2) совпадения, занимают на временной оси один и тот же интервал, то блок 25.1 (25.2) совпадения срабатывает и своим выходным напряжением V (фиг.4,е) открывает ключ 26.1 (26.2). В исходном состоянии ключи 26.1 (26.2) всегда закрыты.
Видеоимпульсы с выходов амплитудных детекторов 12.1 и 12.2 через открытые ключи 26.1 и 26.2 и коммутатор 15 подаются на вертикально-отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, на вертикально-отклоняющие пластины которого подается напряжение развертки с выхода генератора 18 пилообразного напряжения. В результате на экране осциллографического индикатора 16 (на горизонтальной развертке) формируется частотная метка, положение которой на горизонтальной развертке однозначно определяет характерный размер D данной течи. Горизонтальная развертка осциллографического индикатора 16 проградуирована непосредственно в характерных размерах течи и может визуально наблюдаться оператором. За счет того, что на вторые входы смесителей 10.1 и 10.2 подается одно и то же напряжение гетеродина 17 линейно изменяющейся частоты, на выходах усилителей 11.1 и 11.2 промежуточной частоты в любой момент времени наблюдается один и тот же входной сигнал. Амплитуда сигнала на выходе первого усилителя 11.1 промежуточной частоты не зависит от направления прихода входного сигнала из-за кругового вида диаграммы направленности первой антенны 7 (фиг.3). Вторая антенна 8 имеет кардиоидную диаграмму направленности, вращение которой осуществляется блоком 9 управления. Амплитуды сигналов с выходов амплитудных детекторов 12.1 и 12.2 через открытые ключи 26.1 и 26.2 соответственно поступают на два входа блока 21 деления и коммутатора 15. Коммутатор 15 предназначен для подключения к входу индикатора 16 одного из сигналов: с выходов амплитудных детекторов 12.1 и 12.2, формирователя 19 управляющего импульса и блока 21 деления.
Для осуществления селекции электромагнитных сигналов, генерируемых отверстием течи, по направлению прихода при помощи блока 9 управления кардиоидную диаграмму направленности антенны 8 вращают до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитных сигналов (фиг.3). Амплитуда сигналов с этого направления на выходе второго панорамного приемника близка к нулю, поэтому на выходе блока 21 деления, осуществляющем деление амплитуды сигнала с выхода первого амплитудного детектора 12.1 (первого панорамного приемника) на амплитуду сигнала с выхода второго амплитудного детектора 12.2 (второго панорамного приемника), в этот момент напряжение будет максимальным.
Следует подчеркнуть, что величина отношения не зависит от напряженности поля сигналов в месте приема.
пop
Момент максимума отношения фиксируется по индикатору 16. Величину порога V устанавливают так, чтобы пороговый блок 20 срабатывал только от сигналов, приходящих с нулевого направления.
кр
При срабатывании порогового блока 20 формирователь 19 вырабатывает управляющий импульс, который останавливает генератор 18 пилообразного напряжения, запускает частотомер 13, разрешает прохождение сигнала на индикатор 16 и запись в блок 14 регистрации. За время длительности этого импульса частотомер 13 измеряет критическую частоту f сигнала, которая записывается в блок 14 регистрации и визуально наблюдается на экране осциллографического индикатора 16.
0
Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует случаю приема сигналов, генерируемых отверстием течи по основному каналу на частоте f.
з
Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства при приеме ложного сигнала (помехи) по зеркальному каналу на частоте f, представлены на фиг.5.
12
В данном случае на выходе усилителя 11.1 (11.2) промежуточной частоты образуется импульс, частота которого изменяется по закону линейно падающей пилы (фиг.5,а). Данный импульс одновременно поступает на входы амплитудного 12.1 (12.2) и частотного 22.1 (22.2) детекторов. Амплитудный детектор 12.1 (12.2) выделяет огибающую V (фиг.5,б), которая поступает на первые входы блока 25.1 (25.2) совпадения и ключа 26.1 (26.2).
22
23
з
С выхода частотного детектора 22.1 (22.2) видеосигнал V (фиг.5,б) поступает на вход дифференцирующего блока 23.1 (23.2), выходной сигнал которого V (фиг.5,г) не пропускает однополярный вентиль 24.1 (24.2). При этом блок 25.1 (25.2) не срабатывает, ключ 26.1 (26.2) не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте f, подавляется.
кр
з
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости, точности и устранение неоднозначности измерения критической частоты f сигналов, генерируемых отверстием течи в подземном трубопроводе. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте f.