Устройство для дистанционного обнаружения утечек нефти из магистрального трубопровода

 

Устройство для дистанционного обнаружения утечек нефти из магистрального трубопровода относится к области трубопроводного транспорта. Устройство содержит оптически связанные и последовательно установленные сканирующий элемент с четным количеством граней, установленный с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через его центр, входной объектив, спектроделитель, приемники видимого и теплового каналов, выходы которых через смеситель сигналов соединены с видеоконтрольным устройством, канал лазерного зондирования, включающий в себя лазерные излучатели, плоское зеркало, полихроматор, приемники излучения, блок обработки сигналов, выход которого через смеситель сигналов соединен с видеоконтрольным устройством. Новым в устройстве является то, что часть граней сканирующего элемента шириной, равной сечению пучков лазерных излучателей, выполнены неотражающими через одну грань и дополнительно между выходами каждого приемника лазерного излучения и блоком обработки сигналов последовательно установлены коммутатор аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь и дифференциальный усилитель, при этом второй выход коммутатора аналоговых сигналов соединен со вторым входом дифференциального усилителя. Устройство позволяет повысить чувствительность лазерного канала. 2 ил.

Изобретение относится к технике дистанционного контроля герметичности действующих магистральных трубопроводов, предназначенных для транспортирования нефти.

Известно устройство [1] для обнаружения утечек из трубопроводов низкокипящих углеводородов, содержащее оптически связанные и последовательно установленные зеркальный сканирующий элемент, установленный с возможностью вращения, приемный объектив, плоское зеркало, приемники инфракрасного и видимого излучения.

Недостатком этого сканирующего устройства является большая вероятность ложных тревог, вызываемых наличием на трассе трубопровода большого количества тепловых неоднородностей естественного и искусственного происхождения. К тому же это устройство предназначено для обнаружения утечек сжиженных газов, которые при выходе в окружающую среду охлаждают прилегающие к трубопроводу слои грунта. Создаваемый отрицательный контраст участка, имеющего определенные размеры, и является признаком наличия утечки.

Известное устройство не позволяет с достаточной достоверностью идентифицировать утечки нефти по тепловому признаку, т.к. зачастую даже выход нефти из трубопровода на открытый грунт не создает необходимых температурных контрастов для обнаружения утечки (нефть транспортируется по трубопроводу при температуре около +17^oC).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2] для обнаружения утечек нефти из магистральных трубопроводов по трем признакам: видимое и тепловое изображение, наличие газовой фракции нефти над местом утечки.

Устройство содержит оптически связанные и последовательно установленные сканирующий элемент, выполненный, например, в виде зеркальной призмы, установленный с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через его центр, входной объектив, спектроделитель, приемники видимого и теплового каналов, лазеры, полихроматор, плоское зеркало, приемники лазерного канала, выходы которых соединены с блоком обработки сигналов, датчик угла поворота призмы. Выходы приемников видимого и теплового каналов, а также выход блока обработки сигналов лазерного канала через смеситель соединены со входом видеоконтрольного устройства.

Устройство устанавливается на вертолет или легкий самолет. Анализ визуального, теплового и лазерного изображений, проводимых оператором, дает возможность определить место и интенсивность утечки нефти из трубопровода.

Недостатком этого сканирующего устройства является низкая чувствительность по обнаружению аномалий, вызванных наличием паров нефти над контролируемым участком местности в полосе обзора, из-за большого влияния фонового излучения подстилающей поверхности естественного происхождения (тепловое излучение, отраженное излучение от природных и искусственных источников). Неконтролируемые изменения сигналов на выходе приемников лазерного канала, вызванные фоновым излучением, сравнимы по величине с полезной составляющей сигнала. Эти низкочастотные флуктуации сигнала могут значительно превышать шумы приемников излучения, мешая реализации потенциального порога чувствительности, задаваемой отношением сигнал/шум приемно-регистрирующего тракта и, соответственно, снижают контрастность изображения в лазерном канале аппаратуры.

Целью изобретения является повышение чувствительности лазерного канала аппаратуры за счет исключения фоновой составляющей сигналов.

Цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем оптически связанные и последовательно установленные зеркальный сканирующий элемент с четным количеством граней, установленный с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через его центр, входной объектив, спектроделитель, приемники видимого и теплового каналов, выходы которых через смеситель сигналов соединены с видеоконтрольным устройством, канал лазерного зондирования, включающий в себя лазерные излучатели, плоское зеркало, полихроматор, приемники излучения, блок обработки сигналов, выход которого через смеситель сигналов соединен с видеоконтрольным устройством, часть граней сканирующего элемента шириной, равной сечению пучков лазерных излучателей, выполнены неотражающими через одну грань и дополнительно между выходами каждого приемника лазерного излучения и блоком обработки сигналов последовательно установлены коммутатор аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь и дифференциальный усилитель.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - проекция сканирующего элемента на плоскость, параллельную его оси вращения.

Устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные сканирующий зеркальный элемент 1, выполненный, например, в виде четырехгранной зеркальной призмы, установленной с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через ее центр, входной объектив 2, спектроделитель 4, приемники видимого 3 и инфракрасного 5 излучения, лазеры 6 рабочей и опорной длины, плоское зеркало 17, полихроматор 8, приемники лазерного канала 9. Выходы приемников 3 и 5 через смеситель сигналов 7 соединены с видеоконтрольным устройством 16. При вращении сканирующего элемента 1 поля зрения приемников 3 и 5 и входной щели полихроматора 8 перемещаются в плоскости сканирования, за счет чего осуществляется последовательный обзор элементов местности по строке. За счет движения носителя производится последовательный, строка к строке (для видимого и теплового каналов) обзор местности с шириной полосы, определяемой углом обзора устройства. Излучение от элементов подстилающей поверхности, отраженное зеркальной гранью сканирующего элемента 1, фокусируется объективом 2 на чувствительных элементах приемников 3 и 5, а плоским зеркалом 17 направляется на входную диафрагму полихроматора 8. На выходах приемников излучения 3 и 5 формируются видеосигналы, амплитуды которых пропорциональны яркости (видимый канал) и разности температур двух смежных элементов (тепловой канал) подстилающей поверхности, соответственно. Эти сигналы через смеситель 7 поступают на видеоконтрольное устройство 16, на экране которого формируется телевизионное изображение участка трассы, над которым пролетает носитель с предлагаемым устройством.

Зондирующее лазерное излучение от лазеров 6 с длинами волн λ_p и λ₀ направляется сканирующим элементом 1 на те же участки подстилающей поверхности, которые в данный момент просматриваются в видимом и тепловом каналах. Оба лазерных пучка совмещены во времени и пространстве.

Угловая расходимость лазерных пучков и элементарное поле зрения лазерного канала в 5-6 раз превышают элементарное поле зрения видимого и теплового каналов. Поэтому при скорости носителя, позволяющей проводить обзор элементов местности строка к строке в видимом и тепловом канале, лазерные строки переналагаются на 85%, что используется для вычитания фонового сигнала.

Лазерное излучение, отраженное от подстилающей поверхности, через сканирующий элемент 1 и входной объектив 2 направляется в полихроматор 8 , где оно разделяется на два пучка с длинами волн излучения λ_p и λ₀, находящимися в полосе поглощения паров нефти и вне ее, соответственно. На выходе полихроматора 8 установлены приемники лазерного излучения 9, для каждой длины волны λ_p и λ₀ имеющие аналогичные тракты вычитания фонового сигнала. При вращении сканирующего элемента 1 в лазерном канале формируются, поочередно, "активная" (зеркальная грань) и "слепая" (неотражающая часть грани) строки. При помощи коммутатора 10 аналоговых сигналов происходит разделение сигналов "слепой" и "активной" строки, которые чередуются во времени, синхронно с вращением сканирующего элемента.

Сигналы "слепой" строки при помощи цифровой линии задержки смещаются во времени ровно на такой период, что при прохождении "активной" строки ее сигналы подаются на дифференциальный усилитель 14 одновременно с сигналами "слепой" строки (фоновая составляющая), где происходит их вычитание и усиление разностных сигналов.

Цифровая линия задержки состоит из аналого-цифрового преобразователя 11, который преобразует сигналы "слепой" строки в двоичный параллельный цифровой код с последующей записью в оперативное запоминающее устройство 12. С приходом "активной" строки запускается тот же таймер, который отсчитывал интервалы между отсчетами аналого-цифрового преобразователя и по его команде из оперативного запоминающего устройства считывается цифровой код отсчетов "слепой" строки. В цифроаналоговом преобразователе 13 цифровой код "слепой" строки преобразуется в аналоговый сигнал и поступает на дифференциальный усилитель 14 одновременно с аналоговым сигналом "активной" строки. На вход блока обработки сигналов 15 поступают "чистые" сигналы, вызванные отраженным от подстилающей поверхности лазерным излучением на рабочей λ_p и опорной λ₀ длине волны. В блоке 15 обработки формируются отношения сигналов рабочей λ_p и опорной λ₀ длины волны, которые через смеситель 7 поступают на видеоконтрольное устройство 16.

При наличии на поверхности или в подповерхностном слое подстилающей местности в полосе обзора утечек нефти в тепловом канале аппаратуры на видеоконтрольном устройстве 16 будут появляться тепловые аномалии, которые сопровождаются выходом паров нефти. Лазерный пучок зондирующего излучения с рабочей длиной волны λ_p (находящейся в полосе поглощения) в местах скопления паров нефти будет ослабляться в результате поглощения.

Таким образом, относительная яркость подстилающей поверхности в этих местах будет меньше, и на экране видеоконтрольного устройства 16 появятся темные образования, контрастность которых тем больше, чем выше концентрация паров нефти.

Дополнительно введенные в известное устройство схемы вычитания фонового сигнала и прерывание зондирующего лазерного излучения с помощью специального сканирующего устройства позволяют повысить контрастность изображения в лазерном канале и тем самым улучшить порог чувствительности аппаратуры к утечкам нефти.

Формула изобретения

Устройство для дистанционного обнаружения утечек нефти из магистрального трубопровода, содержащее оптически связанные и последовательно установленные сканирующий элемент с четным количеством граней, установленный с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через его центр, входной объектив, спектроделитель, приемники видимого и теплового каналов, выходы которых через смеситель сигналов соединены с видеоконтрольным устройством, канал лазерного зондирования, включающий в себя лазерные излучатели, плоское зеркало, полихроматор, приемники излучения, блок обработки сигналов, выход которого через смеситель сигналов соединен с видеоконтрольным устройством, отличающееся тем, что часть граней сканирующего элемента шириной, равной сечению пучков лазерных излучателей, выполнены неотражающими через одну грань и дополнительно между выходами каждого приемника лазерного излучения и блоком обработки сигналов последовательно установлены коммутатор аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь и дифференциальный усилитель, при этом второй выход коммутатора аналоговых сигналов соединен с вторым входом дифференциального усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2