УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА РАЗРЫВА ТРУБОПРОВОДА
DEVICE FOR DETECTION OF BREAK OF PIPELINE

Предлагаемое устройство относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано для наблюдения за целостностью трубопроводов.
Известны устройства для обнаружения места нарушения герметичности трубопроводов (авт. свид. СССР №№934.269, 1.216.550, 1.283.566, 1.610.347, 1.657.988, 1.672.105, 1.679.232, 1.705.709, 1.733.837, 1.777.014, 1.778.597, 1.812.386; патенты РФ №№2.196.271, 2.244.869; патенты США №№4.289.019, 4.570.477; патент Франции №2.498.325; патенты Японии №№59-38.537, 60-24.900, 63-22.531; Яковлев Е.И. и др. Трубопроводный транспорт жидкости и газа. - М., 1993 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для обнаружения места разрыва трубопровода» (патент РФ №2.244.869, F17D 5/06, 2003).
Указанное устройство обеспечивает повышение достоверности обнаружения слабых полезных сигналов на фоне помех и мешающих маскирующих сигналов, приходящих с других направлений. Это достигается использованием двух приемников, имеющих круговую и кардиоидную диаграммы направленности.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обнаружения и пеленгации места разрыва трубопровода с борта подвижного транспортного средства.
Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения места разрыва трубопровода, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, передатчик, размещенный в начале трубопровода у насосной станции, с передающей антенной, размещенной внутри трубопровода, первую приемную антенну с кардиоидной диаграммой направленности, вторую приемную антенну с круговой диаграммой направленности, блок управления диаграммой направленности, первый и второй приемники, каждый из которых состоит из последовательно включенных усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с соответствующим выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты и амплитудного детектора, при этом вход усилителя высокой частоты второго приемника соединен с выходом второй приемной антенны, к выходу первого приемника последовательно подключены блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго приемника, пороговый блок и генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен с входом гетеродина, выходы порогового блока, первого и второго приемников через коммутатор подключены к вертикально отклоняющим пластинам осциллографического индикатора, горизонтально отклоняющие пластины которого соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено фазовым детектором и сумматором, причем блок управления диаграммой направленности выполнен в виде последовательно подключенных блока формирования управляющего напряжения и мотора, связанного через редуктор с платформой, редуктор снабжен указателем угла, первая приемная антенна выполнена в виде антенной системы, состоящей из вибратора и рамочной антенны, размещенных на платформе и подключенных через сумматор к входу усилителя высокой частоты первого приемника, вход блока формирования управляющего напряжения через фазовый детектор соединен с выходами усилителей промежуточной частоты первого и второго приемников.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Антенна, состоящая из вибратора 18 и рамки 19, и формирующая диаграмму направленности в виде кардиоиды изображена на фиг.2. Пеленгационная характеристика первого приемника 5.1 при пеленгации по минимуму показана на фиг.3. Диаграммы направленности первой 6.1 и второй 6.2 приемных антенн показаны на фиг.4.
Устройство содержит насосную станцию 1, трубопровод 2, передающую антенну 3 и передатчик 4, последовательно включенные первую приемную антенну 6.1, сумматор 26, приемник 5.1, блок 12 сравнения, второй вход которого соединен с выходом приемника 5.2, пороговый блок 13, генератор 14 пилообразного напряжения и гетеродин 15. Выходы порогового блока 13, первого 5.1 и второго 5.2 приемников через коммутатор 16 подключены к вертикально отклоняющим пластинам осциллографического индикатора 17, горизонтально отклоняющие пластины которого соединены с выходом генератора 14 пилообразного напряжения. Каждый приемник состоит из последовательно включенных усилителя 8.1 (8.2) высокой частоты, смесителя 9.1 (9.2), второй вход которого соединен с первым (вторым) выходом гетеродина 15, усилителя 10.1 (10.2) промежуточной частоты и амплитудного детектора 11.1 (11.2).
Блок 7 управления диаграммой направленности выполнен в виде последовательно включенных блока 23 формирования управляющего напряжения и мотора 24, связанного через редуктор 21 с платформой 20, редуктор 21 снабжен указателем 25 угла, вторая приемная антенна 6.2 выполнена в виде антенной системы, состоящей из вибратора 18 и рамочной антенны 19, размещенных на платформе 20 и подключенных через сумматор 26 к входу усилителя 9.1 высокой частоты первого приемника 5.1. Вход блока 23 формирования управляющего напряжения через фазовый детектор 22 соединен с выходами усилителей 10.1 и 10.2 промежуточной частоты первого 5.1 и второго 5.2 приемников.
Устройство работает следующим образом.
Передающая антенна 3 передатчика 4 размещается в трубопроводе 2, в частности в начале трубопровода 2 и насосной станции 1. При включении передатчика 4 в трубопроводе 2 возбуждаются электромагнитные волны (радиоволны). Причем длина волны X радиоволн выбирается меньше критической для данного диаметра D трубопровода. Для выбора длины волны электромагнитных волн при заданном диаметре D трубопровода используется следующее соотношение:
λкр=1,25D,
при котором происходит переход от экспоненциального затухания излучения в трубопроводе к свободному распространению основной волны в волноводном канале трубопровода.
Если трубопровод заполнен средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε, то соответствующая λкр частота излучения fкp определяется из выражения
где C - скорость света в вакууме.
Трубопровод в этом случае для радиоволн служит волноводом. Радиоволны распространяются по трубопроводу 2 и в случае разрыва проникают в атмосферу или грунт, окружающие трубопровод.
Приемная аппаратура перемещается вдоль трубопровода 2. При этом для перемещения могут быть использованы оператор, автомобиль или любое другое транспортное средство.
Гетеродин 15 под действием генератора 14 пилообразного напряжения вырабатывает гетеродинный сигнал с линейно изменяющейся частотой. На выходах приемников 5.1 и 5.2 последовательно во времени выделяются входные сигналы из соответствующего частотного диапазона. С выходов амплитудных детекторов 11.1 и 11.2 эти сигналы подаются через коммутатор 16 на вертикально отклоняющие пластины осциллографического индикатора 17, на горизонтально отклоняющие пластины которого подается напряжение развертки с выхода генератора 14 пилообразного напряжения. В результате на экране осциллографического индикатора 17 формируется картина спектральной плотности в соответствующем частотном диапазоне. За счет того, что на вторые входы смесителей 9.1 и 9.2 подается один и тот же линейно-частотно-модулированный сигнал с выходов гетеродина 15, на выходах приемников 5.1 и 5.2 в любой момент времени наблюдается один и тот же входной сигнал. Амплитуда сигнала на выходе приемника 5.2 не зависит от направления прихода входного сигнала из-за кругового вида диаграммы направленности антенны 6.2 (фиг.4). Антенна 6.1 имеет кардиоидную диаграмму направленности, вращение которой осуществляется блоком 7 управления. Огибающие спектров входных сигналов с выходов амплитудных детекторов 11.1 и 11.2 поступают на входы блока 12 сравнения и коммутатора 16. Коммутатор 16 служит для подключения к вертикально отклоняющим пластинам осциллографического индикатора 17 одного из сигналов: с выходов порогового блока 13, первого 5.1 и второго 5.2 приемников. Для осуществления селекции сигналов по направлению прихода при помощи блока 7 управления кардиоидную диаграмму направленности антенны 6.1 вращают до совмещения нулевого провала с направлением прихода сигналов (фиг.4). При этом первая приемная антенна 6.1 выполнена в виде антенной системы, состоящей из вибратора 18 и рамочной антенной 19, размещенных на платформе 20 и подключенных через сумматор 26 к входу усилителя 8.1 высокой частоты первого приемника 5.1.
Блок 7 управления кардиоидной диаграммой направленности выполнен в виде последовательно включенных блока 23 формирования управляющего напряжения и мотора 24, связанного через редуктор 21 с платформой 20. Редуктор 21 снабжен указателем 25 угла. Вход блока 23 формирования управляющего напряжения через фазовый детектор 22 соединен с выходами усилителей 10.1 и 10.2 промежуточной частоты первого 5.1 и второго 5.2 приемников.
Для осуществления селекции сигналов по направлению при помощи мотора 24 кардиоидную диаграмму направленности антенной системы 6.1, состоящей из вибратора 18 и рамочной антенны 19, вращают до совмещения нулевого провала с направлением прихода сигналов (фиг.4). Этот режим является режимом поиска сигналов. Амплитуды сигналов с этого направления на выходе амплитудного детектора 11.1 близки к нулю, поэтому на выходе блока 12 сравнения в этот момент времени сигнал будет максимальным.
Если на входы блока 12 сравнения поступают напряжения, амплитуды которых приблизительно равны, то на выходе блока 12 напряжение отсутствует. На выходе блока 12 сравнения образуется максимальное напряжение только в случае, когда на два его входа поступают напряжения, амплитуды которых значительно различаются.
Максимальное напряжение с выхода блока 12 сравнения превышает пороговое напряжение Vпор в пороговом блоке 13. Величину порога Vпор выставляют так, чтобы пороговый блок 13 срабатывал только от сигналов, приходящих с нулевого направления.
При срабатывании пороговый блок 13 формирует сигнал управления длительностью Ти, который поступает на вход генератора 14 пилообразного напряжения и останавливает его перестройку на время, определяемое длительностью Ти сигнала управления. Этот сигнал разрешает прохождение входного сигнала через коммутатор 16 на вертикально отклоняющие пластины осциллографического индикатора 17. На экране последнего образуется импульс (частотная метка), которая является признаком обнаружения разрыва трубопровода.
При совпадении нулевого провала антенной системы 6.1. с направлением прихода сигналов (фиг.4) на выходе фазового детектора 22 напряжение отсутствует.
При перемещении приемной аппаратуры вдоль трубопровода 2 в случае его разрыва на выходе фазового детектора 22 и блока 23 формирования управляющего напряжения появляется управляющее напряжение, амплитуда которого определяется степенью отклонения нулевого провала антенной системы 6.1 от направления прихода сигналов, а полярность - стороной отклонения. Это напряжение воздействует на мотор 24, связанный через редуктор 21 с платформой 20 так, что возникшее рассогласование устраняется.
Следящая система, состоящая из фазового детектора 22, блока 23 формирования управляющего напряжения, мотора 24, редуктора 21 и платформы 20, на которой установлена антенная система 6.1, состоящая из вибратора 18 и рамочной антенны 19, отрегулирована таким образом, что нулевой провал антенной системы 6.1 (кардиоиды) всегда совпадает с направлением прихода сигналов. При этом угловое перемещение места разрыва трубопровода в процессе работы все время компенсируется соответствующим поворотом платформы 20.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает обнаружение и пеленгацию места разрыва трубопровода с борта подвижного транспортного средства. Это достигается применением следящей системы, состоящей из фазового детектора 22, блока 23 формирования управляющего напряжения, мотора 24, редуктора 21 и платформы 20, на которой размещена антенная система 6.1, состоящая из вибратора 18 и рамочной антенны 19. Тем самым функциональные возможности устройства расширены.