СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА
METHOD FOR MONITORING OF MAIN PIPELINE CONDITION

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.
1
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 M(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)
c
c
c
c
c
U(t)=V·cos(w·t+φ), 0≤t≤T,
c
c
с
c
где V, w, φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.
На выходе фазового манипулятора 10 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4, в)
1
c
c
к1
c
c1
U(t)=V·cos[w·t+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к1
1
к
э
э
э
1
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.4, б), причем φ(t)=const при К·τ<t<(К+1)·τ и может изменяться скачком при t=К·τ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);
э
1
c1
c
э
1
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T·(T=τ·N), 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.
1
Принятый ФМн-сигнал U(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)
0
0
c
c
U(t)=V·cos(w·t+φ).
На выходе перемножителя 16 образуется суммарное напряжение
Σ
Σ
к1
Σ
c
к1
c
U(t)=V·cosφ(t)+V·cos[2w·t+φ(t)+2φ],
∑
2
1
c
0
1
где V=/К·V·V;
1
K - коэффициент передачи перемножителя.
Фильтром 19 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (фиг.4, д)
н1
Σ
к1
U(t)=V·cosφ(t),
1
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.4, б). Это напряжение подается на второй вход перемножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое колебание (фиг.4, г)
0
1
c
c
1
c
к1
c
U(t)=V·cos(w·t+φ)+V·cos[w·t+2φ(t)+φ]=
1
c
c
0
c
c
=2V·cos(w·t+φ)=V·cos(w·t)+φ),
1
2
1
c
∑
0
1
1
где V=/K·V·V; V=2V,
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".
н1
1
Низкочастотное напряжение U(t) (фиг.4, д), пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.4, б), фиксируется печатающим устройством 20, т.е. документируется цифровая информация о тепловом состоянии данного участка трассы магистрального трубопровода.
н1
Одновременно низкочастотное напряжение U(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.
2
c
С этой целью информация о местоположении аварийного участка и масштабах аварии поступает на вход второго преобразователя 8 аналог-код, где преобразуется в модулирующий код M(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(t) с выхода задающего генератора 6 (фиг.4, а). На выходе фазового манипулятора 11 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4, ж)
2
c
c
к2
c
c
U(t)=V·cos[w·t+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
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)
н2
Σ
к2
U(t)=V·cosφ(t),
2
пропорциональное модулирующему коду M(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.