СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА УТЕЧКИ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА ИЗ ТРУБОПРОВОДА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ГРУНТЕ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING LIQUID OR GAS LEAKAGE POINT IN UNDERGROUND PIPELINE AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Предлагаемые способ и устройство относятся к контрольно-измерительной технике, предназначенной для контроля герметичности газонефтесодержащего оборудования, и более конкретно к технике дистанционного определения места утечки жидкости или газа из магистрального трубопровода, находящегося в траншее под грунтом.
Известны способы и устройства определения места утечки жидкости или газа из трубопроводов (авт. свид. СССР №№934.269, 1.216.551, 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 №№2.135.887, 2.138.037, 2.231.037; патенты США №№4.289.019, 4.570.477, 5.038.614; патент Великобритании №1.349.129; патент Франции №2.498.325; патенты Японии №№59-38.537, 60-24.900, 63-22.531; Трубопроводный транспорт жидкости и газа. М., 1993 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, и устройство для его реализации» (патент РФ №2.231.037, G01M 3/22, 2002), которые и выбраны в качестве прототипов.
Известные технические решения обеспечивают дистанционное определение места утечки жидкости или газа из заглубленного магистрального трубопровода. При этом производят обзор трассы трубопровода радиолокатором для определения места его залегания. Одновременно сканируют трубопровод съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками и осуществляют совместную цифровую обработку сигналов датчиков.
Недостатком известных технических решений является низкая точность определения трассы залегания магистрального трубопровода. Это объясняется тем, что не определяются азимут α, угол места β и дальность D до трассы залегания магистрального трубопровода.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения трассы залегания магистрального трубопровода путем измерения азимута, угла места и дальности до трассы залегания магистрального трубопровода.
з
Поставленная задача решается тем, что способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в обзоре трубопровода трассоискателем путем облета на маловысотном летательном аппарате, одновременном сканировании трубопровода съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками и совместной цифровой фильтрации сигналов радиолокаторов, тепловизионного и телевизионного датчиков, при этом в качестве трассоискателя используют четыре радиолокатора разных длин волн, приемопередающие антенны четырех радиолокаторов размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатывают по алгоритму синтезирования апертуры, а о месте утечки жидкости или газа из трубопровода судят по локальному понижению температуры, зарегистрированному тепловизионным датчиком, и информации, полученной радиолокаторами и телевизионным датчиком, о глубине залегания трубопровода судят по цвету его изображения на экране индикатора, отличается от ближайшего аналога тем, что используют один измерительный и четыре пеленгационных канала, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, по два на каждую плоскость, в каждом канале преобразуют отраженные от трубопровода сигналы по частоте с использованием синтезатора частот первого гетеродина, выделяют напряжения первой промежуточной частоты, повторно преобразуют по частоте напряжение первой промежуточной частоты измерительного канала с использованием частоты второго гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной частоты, перемножают его с напряжениями первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, выделяют из полученных напряжений гармонические колебания на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, в каждой плоскости перемножают гармонические колебания двух пеленгационных каналов между собой, выделяют гармонические колебания на частоте вращения несущего винта вертолета, сравнивают их с опорным напряжением и точно, но неоднозначно измеряют азимут и угол места трассы залегания магистрального трубопровода, одновременно осуществляют автокорреляционную обработку гармонических колебаний, выделенных в другом пеленгационном канале каждой плоскости, и грубо, но однозначно измеряют азимут и угол места трассы залегания магистрального трубопровода, уменьшая индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ, где R - радиус окружности, на которой расположены приемопередающие антенны, λ - длина волны, зондирующий сигнал первого передатчика перемножают с отраженным сигналом, принятым антенной измерительного канала и пропущенным через блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотные напряжения, формируя тем самым корреляционную функцию R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением задержки поддерживают корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ между зондирующим и отраженным сигналами и по ее значению определяют дальность до трассы залегания магистрального трубопровода, приемную антенну измерительного канала размещают над втулкой несущего винта вертолета.
Поставленная задача решается тем, что устройство определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, четыре тракта, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу синхронизатора передатчика, антенного переключателя, второй вход которого соединен с выходом переключателя сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной, приемника, второй вход которого соединен с выходом генератора строб-импульса, и блока обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора, а выход подключен к четырехцветному индикатору, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизатора, а также блок приема, соответствующие входы которого соединены с выходами антенных переключателей, тепловизионный и телевизионный датчики, вторые входы которых соединены с выходом синхронизатора, а выходы подключены к блоку приема, приемопередающие антенны размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено двигателем, опорным генератором, коррелятором, измерительным каналом, четырьмя пеленгаторными каналами и блоком регистрации и анализа, причем измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и усилителя второй промежуточной частоты, каждый пеленгаторный канал состоит из последовательно подключенных к выходу антенного переключателя смесителя, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты измерительного канала, и узкополосного фильтра, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, третий узкополосный фильтр и первый фазометр, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены первая линия задержки, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазометр, к выходу четвертого узкополосного фильтра последовательно подключены шестой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, к выходу пятого узкополосного фильтра последовательно подключены вторая линия задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, вторые входы фазометров соединены с выходом опорного генератора, а выходы подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам блока регистрации и анализа соответственно, пятый вход которого соединен с выходом блока приема, коррелятор выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемной антенны блока регулируемой задержки, седьмого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого передатчика, фильтра нижних частот и экстремального регулятора, выход которого соединен с вторым входом блока регулируемой задержки, второй выход которого через указатель дальности подключен к шестому входу блока регистрации и анализа, приемная антенна размещена над втулкой винта вертолета, двигатель кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Взаимное расположение трубопровода, приемопередающих антенн 4.1-4.4 и приемной антенны 13 показано на фиг.2. Характеристики проникновения радиоволн различных длин изображены на фиг.3.
Устройство содержит четыре тракта, четыре пеленгационных канала (по два на каждую плоскость), один измерительный канал, синхронизатор 1, коррелятор 50, блок 55 регистрации и анализа.
Каждый тракт содержит последовательно подключенные к выходу синхронизатора 1 передатчик 2.1 (2.2, 2.3, 2.4), антенный переключатель 3.1 (3.2, 3.3, 3.4), второй вход которого соединен с выходом переключателя 7 сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной 4.1 (4.2, 4.3, 4.4), приемник 5.1 (5.2, 5.3, 5.4), второй вход которого соединен с выходом генератора 8 строб-импульса и блок 6.1 (6.2, 6.3, 6.4) обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, а выход подключен к соответствующему входу четырехцветного индикатора 9, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизатора 1. Выходы антенного переключателя 3.1 (3.2, 3.3, 3.4), тепловизионного датчика 10 и телевизионного датчика 11 подключены к соответствующим входам блока 12 приема, выход которого соединен с пятым входом блока 56 регистрации и анализа. Управляющие входы тепловизионного датчика 10, телевизионного датчика 11 и блока 12 приема соединены с выходом синхронизатора 1.
Измерительный канал содержит последовательно включенные приемную антенну 13, первый смеситель 17, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 16 частот первого гетеродина, усилитель 18 первой промежуточной частоты, второй смеситель 20, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 19, и усилитель 21 второй промежуточной частоты.
Каждый пеленгационный канал содержит последовательно подключенные к выходу антенного переключателя 3.1 (3.2, 3.3, 3.4) смеситель 22 (23, 24, 25), второй вход которого соединен с выходом синтезатора 16 частот первого гетеродина, усилитель 26 (27, 28, 29) первой промежуточной частоты, перемножитель 30 (31, 32, 33) и узкополосный фильтр 34 (35, 36, 37). К выходу первого 34 (четвертого 36) узкополосного фильтра последовательно подключены пятый 38 (шестой 40) перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго 35 (пятого 37) узкополосного фильтра, третий 42 (шестой 44) узкополосный фильтр и первый 46 (третий 48) фазометр. К выходу второго 35 (пятого 37) узкополосного фильтра последовательно подключены первая 39 (вторая 41) линия задержки, первый 43 (второй 45) фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго 35 (пятого 37) узкополосного фильтра, и второй (четвертый) фазометр 47 (49). Вторые входы фазометров 46, 47, 48 и 49 соединены с выходом опорного генератора 15, а выходы подключены к соответствующим входам блока 56 регистрации и анализа.
Коррелятор 50 выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемной антенны 13 блока 51 регулируемой задержки, седьмого перемножителя 52, второй вход которого соединен с выходом первого передатчика 2,1, фильтра 53 нижних частот и экстремального регулятора 54, выход которого соединен с вторым входом блока 51 регулируемой задержки, второй выход которого через указатель 55 дальности подключен к шестому входу блока 56 регистрации и анализа.
Приемопередающие антенны 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4 размещены на концах лопастей несущего винта вертолета. Приемная антенна 13 размещена над втулкой винта вертолета. Двигатель 14 кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором 15.
Предлагаемый способ определения места утечки жидкости или газа из магистрального напорного трубопровода осуществляется следующим образом.
На маловысотном летательном аппарате, например вертолете, размещаются четыре радиолокатора, четыре пеленгатора, измерительный канал, тепловизионное и телевизионное устройства и блок цифровой фильтрации сигналов тепловизионного, телевизионного и радиолокационных устройств.
При облете магистрального трубопровода, находящегося в грунте, на маловысотном летательном аппарате производятся:
1
2
3
4
- обзор трубопровода четырьмя радиолокаторами с λ=5 м, λ=1 м, λ=0,6 м и λ=0,003 м, для определения места залегания трубопровода (трассы трубопровода);
- пеленгация отраженных от трубопровода сигналов и измерение дальности до трубопровода для более точного определения места залегания трубопровода (трассы трубопровода);
- синхронизированное по времени наблюдение пространства над трассой трубопровода съюстированными тепловизионным и телевизионным устройствами;
- совместная цифровая фильтрация сигналов радиолокационного, тепловизионного и телевизионного устройств, которая позволяет определить профиль залегания трубопровода и выделить тепловые пятна на грунте по трассе трубопровода в месте утечки из него.
Основой предлагаемого способа является принцип совместной логической обработки сигналов, съюстированных и синхронно работающих информационных тепловизионного, телевизионного и радиолокационного каналов.
Радиолокационный канал обеспечивает точное определение места залегания трубопровода (трассы трубопровода).
Вырабатываемые в синхронизаторе 1 импульсы запускают четыре передатчика 2.1-2.4 и управляют работой четырех блоков 6.1-6.4 обработки сигналов. Импульсы синхронизатора 1 также управляют работой генератора 8 строб-импульсов, цветного индикатора 9, тепловизионного 10 и телевизионного 11 датчиков и блока 12 приема. Длительность и положение во времени строб-импульса определяют положение и протяженность наблюдаемого элемента земной поверхности по дальности. Этот импульс и подается на блоки обработки.
Каждый передатчик работает на своей длине волны, которая определяет глубину проникновения электромагнитного излучения под подстилающую поверхность земли (табл.).
Зондирующие импульсы с передатчиков 2.1-2.4 через антенные переключатели 3.1-3.4 поступают на свои антенны 4.1-4.4, каждая из которых расположена на конце лопасти несущего винта вертолета (фиг.2).
Каждая антенна, расположенная на конце вращающейся лопасти, подключается к своему передатчику и приемнику только в момент прохождения определенного заранее установленного сектора обзора. Это осуществляется с помощью переключателя 7 сектора обзора, который представляет собой электрический контакт, выполненный в виде четырех щеток, расположенных под соответствующими лопастями, перемещающихся в процессе вращения по неподвижному токопроводящему сегменту, который, в свою очередь, может устанавливаться в фиксированном положении вокруг оси винта. Каждые передатчик и приемник подключаются к антенне только в период прохождения соответствующей щетки по сегменту. Положение сегмента определяет положение сектора обзора в пространстве. При этом обеспечивается так, что в работе одновременно участвуют или приемопередающие антенны 4.1 и 4.2, или приемопередающие антенны 4.3 и 4.4.
С антенн 4.1-4.4 сигналы излучаются в направлении подстилающей поверхности.
Отраженные от трубопровода сигналы принимаются антеннами 13, 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4:
1
1
1±
1
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+φ],
2
2
1±
1
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+2π*R/λ*Cos(Ω-α)],
3
3
2±
2
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t-2π*R/λ*Cos(Ω-α)],
4
4
3±
3
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+2π*R/λ*Cos(Ω-β)],
5
5
4±
4
C
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t-2π*R/λ*Cos(Ω-β)], 0≤t≤T,
1
5
1
4
1
C
где υч÷υ, ω÷ω, φ, T - амплитуды, несущие частоты, начальная фаза и длительность сигналов;
±Δω - нестабильность несущих частот сигналов, обусловленная различными дестабилизирующими факторами;
R - радиус окружности, на которой размещены приемопередающие антенны 4.1-4.4;
1
2
3
4
λ, λ, λ, λ - длина волн;
Ω=2π*R - скорость вращения приемопередающих антенн 4.1-4.4 вокруг приемной антенны 13 (скорость вращения винта вертолета);
α, β - азимут и угол места трассы трубопровода,
и поступают непосредственно и через антенные переключатели 3.1-3.4 на первые входы смесителей 17, 22, 23, 24 и 25, приемников 5.1-5.4, а затем блоков 6.1-6.4 обработки, в которых осуществляется обработка принятых сигналов по алгоритму синтезирования апертуры. В этих же блоках учитывается эффект изменения дальности от антенны до трубопровода, вызванный перемещением антенн по окружности в процессе синтезирования. В блоках 6.1-6.4 обрабатываются сигналы, принятые только с определенного участка дальности, положение и протяженность которого определяется стробирующим импульсом, подаваемым с генератора 7. С блоков 6.1-6.4 обработки сигналы поступают на индикатор 9 с цветным изображением, причем сигналы с каждого блока обработки соответствуют изображению в определенном цвете.
На вторые входы смесителей 17, 22, 23, 24 и 25 подаются напряжения синтезатора 16 частот первого гетеродина
Гi
гi
гi
гi
Гi
U(t)=υ*Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
где i=1, 2, 3, 4.
На выходе смесителей 17, 22-25 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 18, 26-29 выделяются напряжения первой промежуточной частоты:
ПР1
пр1
пр1±
пр1
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+φ],
ПР2
пр1
пр1±
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+2π*R/λ*Cos(Ω-α)],
ПР3
пр2
пр1±
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+2π*R/λ*Cos(Ω-α)],
ПР4
пр3
пр1±
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+2π*R/λ*Cos(Ω-β)],
ПР5
пр4
пр1±
C
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+2π*R/λ*Cos(Ω-β)], 0≤t≤T,
пр1
1
г1
где υ=1/2υ*υ;
пр2
2
г1
υ=1/2υ*υ;
пр3
3
г2
υ=1/2υ*υ;
пр4
4
г3
υ=1/2υ*υ;
пр5
5
г4
υ=1/2υ*υ;
пр1
1
г1
2
г2
3
г3
4
г4
ω=ω-ω=ω-ω=ω-ω=ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
пр1
1
г1
φ=φ-φ.
Знаки «+» и «-» перед величинами 2π*R/λ*Cos(Ω-α) и 2π*R/λ*Cos(Ω-β) соответствуют диаметрально противоположным расположениям приемопередающих антенн 4.1 и 4.2, 4.3 и 4.4 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемной антенны 13, размещенной над втулкой винта вертолета.
ПР1
г5
Напряжение U(t) с выхода усилителя 18 первой промежуточной частоты поступает на первый вход смесителя 20, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 19 со стабильной частотой ω
Г5
г5
г5
г5
U(t)=υ*Cos(ω+φ).
На выходе смесителя 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 21 выделяется напряжение второй промежуточной частоты
ПР6
пр6
пр2±
пр6
U(t)=υ*Cos[(ωΔω)t+φ],
пр6
пр1
г5
где υ=1/2υ*υ;
пр2
пр1
г5
ω=ω-ω - вторая промежуточная частота;
пр6
пр1
г5
φ=φ-φ,
ПР2
ПР3
ПР4
ПР5
которое поступает на вторые входы перемножителей 30-33, на первые входы которых подаются напряжения U(t), U(t), U(t) и U(t) с выходов усилителей 26-29 первой промежуточной частоты соответственно.
г5
На выходах перемножителей 30-33 образуются фазомодулированные (ФМ) напряжения на стабильной частоте ω второго гетеродина 19:
6
6
г5
г5
U(t)=υ*Cos[(ωt+φ+2π*R/λ*Cos(Ω-α)],
7
7
г5
г5
U(t)=υ*Cos[(ωt+φ-2π*R/λ*Cos(Ω-α)],
8
8
г5
г5
U(t)=υ*Cos[(ωt+φ+2π*R/λ*Cos(Ω-β)],
9
8
г5
г5
C
U(t)=υ*Cos[(ωt+φ-2π*R/λ*Cos(Ω-β)], 0≤t≤T,
6
пр6
пр1
где υ=1/2υ*υ;
7
пр6
пр2
υ=1/2υ*υ;
8
пр6
пр3
υ=1/2υ*υ;
9
пр6
пр4
υ=1/2υ*υ;
н
г5
которые выделяются узкополосными фильтрами 34-37 с частотой настройки ω=ω.
г5
Следовательно, полезная информация об азимуте α и угле места β трассы трубопровода переносится на стабильную частоту ω второго гетеродина 19. Поэтому нестабильность ±Δω частот, вызванная различными дестабилизирующими факторами, не влияют на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения местоположения трубопровода.
м
Причем величина Δφ=2π*R/λ, входящая в состав указанных колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы отраженных сигналов, принимаемых вращающимися приемопередающими антеннами 4.1 и 4.2, 4.3 и 4.4 относительно фазы сигнала, принимаемого неподвижной антенной 13.
Пеленгаторное устройство тем чувствительнее к изменению углов α и β, чем больше относительный размер измерительной базы R/λ. Однако с ростом R/λ уменьшаются значения угловых координат α и β, при которых разность фаз превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета углов α и β.
Следовательно, при R/λ>1/2 наступает неоднозначность отсчета углов α и β. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения R/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения R/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.
На выходе перемножителей 38 и 40 образуются гармонические напряжения:
10
10
U(t)=υ*Cos(Ω-α),
11
11
C
U(t)=υ*Cos(Ω-β), 0≤t≤T,
10
6
7
где υ=1/2υ*υ;
11
8
9
υ=1/2υ*υ,
с индексом фазовой модуляции
м1
1
1
Δφ=2π*R/λ, R=2R,
которые выделяются узкополосными фильтрами 42, 44 и поступают на первые входы фазометров 46 и 48, на вторые входы которых подается напряжение опорного генератора 15
O
o
U(t)=υ*CosΩt.
Фазометры 46 и 48 обеспечивают точное, но неоднозначное измерение угловых координат α и β.
Для устранения возникшей при этом неоднозначности отсчета углов α и β необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ. Это достигается использованием автокорреляторов, состоящих из линии задержки 39 (41) и фазового детектора 43 (45), что эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величины
m2
1
1
Δφ=2π*d/λ, где d<R.
Фазометры 47 и 49 в этом случае обеспечивают грубое, но однозначное измерение углов α и β.
з
з
з
Одновременно зондирующий сигнал первого передатчика 2.1 поступает на первый вход седьмого перемножителя 52, на второй вход которого подается отраженный сигнал с выхода приемной антенны 13 через блок 51 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 52 напряжение пропускается через фильтр 53 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ). Экстремальный регулятор 54, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 53 нижних частот, воздействует на блок 51 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ равной τ(τ=τ), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ). Указатель 55 дальности, связанный с блоком 51 регулированной задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение дальности до магистрального трубопровода
з
D=с*τ/2,
где с - скорость распространения радиоволн.
з
Следовательно, задача измерения дальности D сводится к измерению временной задержки τ отраженного сигнала относительно зондирующего.
Измеренные значения α, β и D фиксируются блоком 56 регистрации и анализа.
Тепловизионный канал позволяет фиксировать прямой физический признак утечки газа из заглубленного газопровода в виде локального понижения температуры (отрицательного теплового контраста на поверхности покрытия газопровода в районе течи) вследствие проявления дроссельного эффекта при истечении газа из газопровода. При этом возможные поверхностные тепловые контрасты в районе течи, по имеющимся экспериментальным и расчетным данным, составляют до 8-10°С, что существенно превышает пороговые характеристики чувствительности тепловизионных приборов (0,5-1,0°С) и соответственно может быть выявлено измерениями. Однако эффективное выделение места течи по этому прямому физическому признаку затруднено вследствие наличия естественной неоднородности температурного поля.
В районах залегания трубопровода значения случайных температурных контрастов, вызванных рядом факторов: характер покрытия и структура почвы, время суток, года, метеоусловия - могут быть соизмеримы или даже превышать значения идентифицируемых локальных температурных контрастов в районе течи. Соответственно для повышения надежности селекции места течи предлагается использовать информацию дополнительных каналов: радиолокационного и телевизионного, позволяющих выделить косвенные признаки, сочетание которых с измерением прямого признака (отрицательного теплового контраста) существенно снижает вероятность ошибочной идентификации (ложной тревоги).
Так, радиолокационный канал, выделяя геометрическое расположение металлического трубопровода на местности по контрастам радиолокационных сигналов на четырех частотах и определяя азимут α, угол места β и дальность D до магистрального трубопровода, формирует тем самым косвенный логический признак возможного расположения места течи, а именно только в районе расположения трубопровода.
Телевизионный канал, выделяя поле контрастов, первопричиной которых является наличие внешнего источника подсветки (солнца), также позволяет формировать косвенные логические признаки наличия течи, т.е. внутреннего, не связанного с внешней подсветкой, источника отрицательного теплового контраста, за счет совместной оценки размеров фактуры знака контрастных образований телевизионного и тепловизионного кадров с учетом условий подсветки (освещенность, метеоусловия и др.).
Таким образом, совместный логический анализ (фильтрация) сигналов многоканальной системы, измеряющей прямой признак (тепловой контраст) и косвенные признаки (контрасты отраженного излучения внешних источников подсветки видимого и радиодиапазонов) позволяет существенно повысить эффективность обнаружения течи по сравнению с одноканальным способом, например тепловизионного или спектрального анализа поглощения газовых продуктов на местности.
1
2
3
4
Использование четырех радиолокаторов с λ=5 м, λ=1 м, λ=0,6 м и λ=0,003 м в предлагаемом способе вызвано необходимостью, с одной стороны, обеспечения возможности получения доступных для измерения отраженных сигналов от трубопровода, заглубленного в траншее на 1,5-2,0 м, с другой, локализации расположения трубопровода по результатам измерений с ошибками для большей достоверности и точности выделения косвенного признака.
Оценка показала, что использование более коротковолнового радиоизлучения не обеспечивает локации магистрального трубопровода при требуемых заглублениях (1,5-2 м). С другой стороны, локация более длинноволновым диапазоном (десятки метров и более), обеспечивая прохождение сигнала на требуемую глубину залегания трубопровода, имеет неудовлетворительные показатели по точности пеленгации сигналов (в пределах десятков градусов).
Также является неудовлетворительным для предлагаемого способа оперативного контроля течи посредством, например, облета вертолетом и использование известного метода локализации металлических трубопроводов по искажениям геомагнитного поля (магнитометрический метод). При допустимых из условий безопасности высоких высотах полета не менее 50-100 м, наличии значительной помеховой металлической массы в зоне измерения (корпус вертолета) выделение искажений геомагнитного поля, вызванных наличием массы трубопровода, аппаратурно затруднено. При этом точность пеленгации магнитометрическим методом не превосходит 20-30°, что существенно снижает ценность измеряемого косвенного признака.
Радиолокационный канал с синтезированной аппаратурой и антеннами, расположенными на концах вращающихся лопастей несущего винта и работающих на разных частотах, позволяет с большей достоверностью и точностью выделять косвенный признак, необходимый для обнаружения местоположения утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение точности определения трассы залегания магистрального трубопровода. Это достигается путем точного и однозначного измерения азимута, угла места и дальности до трассы залегания магистрального трубопровода. Причем точное и однозначное измерение азимута и угла места залегания магистрального трубопровода обеспечивается фазовым методом пеленгации отраженных от трубопровода сигналов. А измерение дальности до магистрального трубопровода достигается корреляционной обработкой зондирующих и отраженных сигналов.
Точное и однозначное измерение угловых координат и дальности позволяет существенно повысить точность определения трассы залегания магистрального трубопровода и, следовательно, позволяет с очень высокой достоверностью и точностью выделять косвенный признак, необходимый для обнаружения местоположения утечки жидкости или газа из магистрального трубопровода, находящегося в грунте.
Таблица
Способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте, и устройство для его реализации
Характеристики проникновения радиоволн
Вид спереди
Длина волны, м
Коэффициент затухания, Дб/м
Глубина проникновения при ослаблении мощности в 100 раз, м
Мерзлая почва
1
4,2
4,5
Сухая почва
5
0,8
25
Кварцевый песок
0,003
2,0
10
Песчаный грунт с
влажностью: 3%
0,003
0,5
0,07
0,6
3
6,7
12%
0,003
1100
0,02
0,6
12
1,6
Глинистый грунт с влажностью: 3%
0,003
300
0,07
0,6
14
1,4
12%
0,003
1400
0,014
0,6
50
0,4