ПЕРЕДАТЧИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ВНУТРИТРУБНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к вспомогательным устройствам для трубопроводных систем, а именно к системам определения положения устройств типа "крот" внутри трубопроводов, внутритрубных инспекционных снарядов, а также скребков и разделителей, перемещающихся внутри трубопроводов магистральных нефтепроводов, газопроводов и нефтепродуктопроводов, путем излучения низкочастотного электромагнитного поля внутри трубопровода и регистрации электромагнитного поля с противоположной стороны относительно стенки трубопровода.
Известен сигнализатор положения движущегося в трубопроводе объекта и способ его применения (а.с. СССР SU 1214985, МПК F17D 5/00, дата публикации 28.02.86), содержащий постоянный магнит, микроэлектродвигатель его вращения, источник питания, пускатель, последовательно соединенные магнитоуправляемый контакт, измеритель средней частоты вращения магнитов и блок управления, включенные в цепь питания микроэлектродвигателя, при этом выход блока управления соединен с микроэлектродвигателем и пускателем. Излучение электромагнитных колебаний возникает путем вращения постоянного магнита с помощью электродвигателя, подключенного к источнику питания, и создания, таким образом, вращающегося магнитного поля. Основным недостатком внутритрубного сигнализатора такого типа является низкий кпд из-за больших потерь рассеяния мощности, в том числе теплового рассеяния и излучения в широком диапазоне частот.
Известны способ и устройство для контроля положения и управления оборудованием внутри трубопровода (патент США US 5651638, МПК F16L 1/00, дата публикации 29.07.97), содержащее установленные на перемещающемся внутри трубопровода объекте передающие и приемные магнитные антенны, включающие токовые обмотки и магнитопровод, антенны подключены к приемопередатчику.
Известны способ и устройство для контроля положения объекта внутри трубопровода (международная заявка WO 00/65271, МПК F16L 55/48, дата публикации 02.11.00, патент-аналог: US 6092406), содержащее устанавливаемый вне трубопровода вблизи его стенки передатчик электромагнитных волн низкой частоты и устанавливаемый на контролируемом объекте, перемещающемся внутри трубопровода, низкочастотный приемник. Низкочастотный передатчик включает в себя магнитную антенну с токовой обмоткой и излучатель низкочастотных электромагнитных колебаний.
Известны способ и устройство для индикации местоположения объекта в трубопроводе (а.с. СССР SU 1691658, МПК F17D 5/00, дата публикации 15.11.91; а.с. СССР SU 1760234, МПК F17D 5/00, дата публикации 07.09.92; а.с. СССР SU 1767282, МПК F17D 5/00, дата публикации 07.10.92), содержащее источник постоянного тока и источник переменного магнитного поля, состоящий из кольцевой магнитной системы с наружным магнитопроводом и с секторообразными постоянными магнитами чередующейся полярности, в зазоре которой расположена электрообмотка. Указанные устройства применяют путем излучения низкочастотных электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контурах указанных устройств.
Прототипами заявленной полезной модели являются устройство для индикации положения внутритрубных объектов (передатчик), закрепляемое на внутритрубном объекте (а.с. СССР SU 987278, МПК F17D 5/00, дата публикации 07.01.83), которое включает в себя корпус, подключенные последовательно источник питания, низкочастотный генератор электромагнитных колебаний и LC-контур, подключенный к выходам указанного генератора; и способ применения устройства-прототипа (а.с. СССР SU 987278, МПК F17D 5/00, дата публикации 07.01.83) путем излучения электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, электромагнитные колебания излучаются путем возбуждения колебаний в LC-контуре. Основным недостатком указанных устройства и способа их применения является инерционность колебательных контуров, образованных индуктивными и емкостными элементами, из-за которой вывод контура в резонансный режим при включении режима излучения вызывает значительные затраты энергии источника питания, емкость которого ограничена, а при выключении передатчика запасенная энергия рассеивается.
Цель полезной модели - расширение функциональных возможностей передатчика и увеличение времени работы передатчика без замены источников питания.
Основной технический результат - увеличение функциональных возможностей передатчика электромагнитных волн, таких как: во-первых - повышение эффективности обнаружения внутритрубных объектов; во-вторых - возможности организации связи с внутритрубным объектом и безынерционного использования контура излучателя для излучения и/или приема несущих управляющую информацию электромагнитных колебаний, излучаемых внутри/вне трубопровода; достигнут за счет того, что устройство заявленного передатчика включает в себя корпус, нейтральный для агрессивных сред, внутри которого расположены подключенные последовательно источник питания, генератор электромагнитных колебаний и катушку индуктивности. При этом генератор включает в себя электронно-управляемые ключи и схему управления электронно-управляемыми ключами. Генератор электромагнитных колебаний имеет два режима работы: режим излучения электромагнитных колебаний и режимом без излучения. Управление режимами работы генератора электромагнитных импульсов происходит через программно-устанавливаемый интервал времени. При этом значение устанавливаемого интервала времени однозначно соответствует управляющему или информационному коду для средств приема излучаемых электромагнитных колебаний Катушка индуктивности подключена к источнику питания через электронно-управляемые ключи. Электромагнитные колебания возбуждаются на катушке индуктивности и формируют радиоимпульсы с огибающей в виде меандра с периодом 45,5 мс. Подключение катушки индуктивности к источнику питания происходит путем размыкания электронно-управляемых ключей.
В развитие полезной модели передатчик включает в себя схему приема и усиления электромагнитных колебаний, что позволяет организовать безынерционную двустороннюю связь с внутритрубным объектом.
В предпочтительном исполнении схема управления электронно-управляемыми ключами, выполненными на полевых транзисторах, представлена в виде программно перенастраиваемого микроконтроллера. Частота, излучаемая катушкой индуктивности, составляет 1-10 кГц. Схема управления электронно-управляемыми ключами состоит из генератора тактовых импульсов и микроконтроллера. Выходы микроконтроллера подключены к управляющим входам соответствующих электронно-управляемых ключей, частота тактового генератора составляет не менее 10 кГц. Указанное исполнение устройства позволяет свободно перепрограммировать схему управления устройством в зависимости от требуемых задач и условий применения: толщины стенки трубопровода, наличия защитных кожухов, протяженности участка трубопровода между камерами запуска/приема внутритрубных снарядов, транспортируемой среды, скорости и типа снаряда (отыскания застрявшего очистного скребка или обмен диагностической и управляющей информацией с движущимся инспекционным снарядом (внутритрубным дефектоскопом) и др.
На фиг.1 изображен принцип работы передатчика электромагнитных волн заданной частоты для определения положения внутритрубных объектов.
На фиг.2 изображено устройство передатчика электромагнитных волн заданной частоты для определения положения внутритрубных объектов.
На фиг.3 изображена принципиальная схема, иллюстрирующая работу заявленной полезной модели.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - приемник электромагнитных излучений;
2 - внутритрубный объект;
3 - трубопровод;
4 - слой грунта;
5 - передатчик электромагнитных волн заданной частоты для определения положения внутритрубных объектов.
На фиг.2 приняты следующие обозначения:
6 - корпус, нейтральный для агрессивных сред;
7 - колпак;
8 - источник питания;
9 - катушка индуктивности и генератор электромагнитных колебаний;
10 - фланец для закрепления устройства на снаряде.
На фиг.3 приняты следующие обозначения:
8 - источник питания;
11 - катушка индуктивности;
12, 13, 14, 15 и 16 - электронно-управляемые ключи;
17 - схема управления электронно-управляемыми ключами и переключатель установки режимов работы устройства;
18 - приемно-усилительный тракт;
19 - выход катушки индуктивности;
20 - выход катушки индуктивности;
21 - выход источника питания;
22 - выход источника питания.
В предпочтительном исполнении заявленный передатчик 5 (фиг.1) закрепляется на внутритрубном объекте 2 (фиг.1), пропускаемом внутри трубопровода 3 (фиг.1), находящегося под слоем грунта 4 (фиг.1), и включает в себя корпус 6 (фиг.2), источники питания 8 (фиг.2), установленные, в кассете, расположенной под крышкой. В колпаке 7 (фиг.2) установлен генератор электромагнитных колебаний 9 (фиг.2). На корпус 6 (фиг.2) устанавливается фланец 10 (фиг.2) для закрепления передатчика 5 (фиг.1) на объекте 2 (фиг.1). Излучаемые заявленным передатчиком электромагнитные волны регистрируются с помощью приемника 1 (фиг.1).
В предпочтительном исполнении заявленный передатчик электромагнитных волн для определения положения внутритрубных объектов включает в себя источник питания 8 (фиг.3); катушку индуктивности 11 (фиг.3); генератор электромагнитных колебаний, включающий в себя электронно-управляемые ключи 12, 13, 14, 15 и 16 (фиг.3); схему управления электронно-управляемыми ключами и переключатель режимов работы передатчика 17 (фиг.3). Передатчик включает в себя также приемно-усилительный тракт 18 (фиг.3). Выход 19 катушки 11 (фиг.3) подключен через ключ 12 (фиг.3) к выходу 21 источника питания 8 (фиг.3), а через ключ 15 (фиг.3) - выходу 22 источника 8 (фиг.3). Выход 20 катушки 11 (фиг.3) через ключ 14 (фиг.3) подключен к выходу 21 источника 8 (фиг.3), через ключ 13 - к выходу 22 источника 8 (фиг.3). Выход 19 катушки 11 (фиг.3), подключенный через дополнительный электронно-управляемый ключ 16 (фиг.3) подключен к входу приемно-усилительного тракта 18 (фиг.3). Выходы схемы 17 (фиг.3) подключены к управляющим входам электронно-управляемых ключей. Схема 17 (фиг.3) управления электронно-управляемыми ключами выполнена в виде программно-перенастраиваемого контроллера и включает в себя микроконтроллер и генератор тактовых импульсов, выходы микроконтроллера подключены к управляющим входам соответствующих электронно-управляемых ключей 12, 13, 14, 15 и 16 (фиг.3). Электронно-управляемые ключи 12, 15 и 16 (фиг.3) выполнены на полевых транзисторах; рабочая частота катушки индуктивности 11 (фиг.3) составляет от 1 до 10 кГц.
Заявленная полезная модель работает следующим образом: внутритрубный объект 2 (фиг.1) с закрепленным на нем через фланец 5 (фиг.2) передатчиком 5 (фиг.1) двигается внутри трубопровода 3 (фиг.1), уложенного под слоем грунта 4 (фиг.1). Электромагнитные волны, излучаемые передатчиком электромагнитных волн 5 (фиг.1), регистрируются в заранее выбранных точках с помощью приемника электромагнитных излучений 1 (фиг.1). При прохождении внутритрубным объектом 2 (фиг.1) в трубопроводе 3 (фиг.1) заранее выбранных точек сигналы от приемника электромагнитных излучений 1 (фиг.1) принимаются приемно-усилительным трактом 18 (фиг.3) и записываются в память. Электромагнитные колебания излучаются путем возбуждения колебаний в катушке индуктивности 11 (фиг.3), которое осуществляются путем периодического подключения катушки индуктивности 11 (фиг.3) к выходам источника питания 8 (фиг.3) с частотой колебаний от 1 до 10 кГц. Полярность подключения катушки индуктивности 11 (фиг.3) к источнику питания 8 (фиг.3) изменяется с помощью электронно-управляемых ключей 12, 13, 14 и 15 (фиг.3). В режиме излучения колебаний электронно-управляемый ключ 16 (фиг.3) разомкнут, электронно-управляемые ключи 12, 13, 14 и 15 (фиг.3) образуют пары 12-13 (фиг.3) и 14-15 (фиг.3). В отрезок времени, когда пара электронно-управляемых ключей 12-13 (фиг.3) замкнута, электронно-управляемые ключи 14 и 15 (фиг.3) разомкнуты. Когда пара электронно-управляемых ключей 14-15 (фиг.3) замыкает цепь, электронно-управляемые ключи 12-13 (фиг.3) разомкнуты. Переключение в режим приема внешних электромагнитных колебаний осуществляется путем замыкания электронно-управляемого ключа 15 (фиг.3) и дополнительного электронно-управляемого ключа 16 (фиг.3) с размыканием электронно-управляемых ключей 12, 13 и 14 (фиг.3). Переключение полярности подключения катушки индуктивности 11 (фиг.1) выполняется в момент времени, отсчитываемый счетчиками схемы 17 (фиг.3) как момент регистрации N-го импульса с момента последнего переключения полярности. Режим работы с излучением электромагнитных колебаний чередуется с режимом работы без излучения электромагнитных колебаний. Период переключения режимов равен 45,5 мс. Переключение указанных режимов работы выполняется путем размыкания или замыкания электронно-управляемых ключей 12, 13 и 14. Длительность режима работы с излучением колебаний составляет от 22 до 230 периодов возбуждаемых колебаний. Длительность режима работы без излучения колебаний также составляет от 22 до 230 периодов возбуждаемых колебаний. Период следований режимов работы составляет 45,5 мс. Количество периодов режимов включений и выключений составляет от 8 до 14. Переключение режима работы без излучения колебаний в режим работы с излучением колебаний происходит с интервалом времени, превышающим три периода излучаемых электромагнитных колебаний. Значение устанавливаемого интервала времени однозначно соответствует управляющему или информационному коду для средств приема излучаемых электромагнитных колебаний. Кроме того, разность между значением устанавливаемого интервала времени и значением времени, составляющим сумму полных периодов колебаний, укладывающихся в указанный интервал времени, тоже однозначно соответствует управляющему или информационному коду для средств приема излучаемых электромагнитных колебаний (при этом производится передача кодовых посылок с помощью разности начальной фазы излучаемых колебаний). Указанное значение задается схемой 17 (фиг.3) и является либо заданной запрограммированной функцией времени, либо функцией состояния каких-либо датчиков или индикаторов, установленных на объекте 2 (фиг.1). Например, в случае падения напряжения на источнике питания 8 (фиг.3) индикатор падения напряжения выдает управляющий сигнал на схему 17 (фиг.3), соответствующий некоторому значению указанного интервала времени. Если на внутритрубном объекте установлены контрольные датчики для измерения параметров трубопровода и/или состояния установленного на объекте 2 (фиг.1) оборудования, то в случае наступления заданного события (сбоев работы оборудования, идентификации дефектов трубопровода, особо опасных для его дальнейшей эксплуатации или для пропуска последующего инспекционного снаряда) указанные контрольные датчики выдают управляющие сигналы на схему 17 (фиг.3) для формирования заданной длительности "молчания" передатчика.
В другом варианте реализации заявленный передатчик электромагнитных волн устанавливают вне трубопровода и периодически включают на излучение электромагнитных колебаний. На объекте 2 (фиг.1) устанавливают приемник низкочастотных электромагнитных колебаний или бортовой приемопередатчик низкочастотных электромагнитных колебаний.
При прохождении объекта с установленным на нем приемником вблизи заявленного передатчика приемник регистрирует время приема колебаний или соответствующий времени параметр, например пройденную дистанцию. При прохождении объекта с установленным на нем приемником вблизи заявленного передатчика приемопередатчик принимает электромагнитные колебания и излучает соответствующую посылку электромагнитных колебаний, которая при переключении заявленного устройства в режим приема регистрируется.