Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе путем устранения маскирующих сигналов, приходящих с других направлений. В способе определения места и характерного размера течи электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, принимают с помощью двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, вращают последнюю до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитного излучения и фиксируют этот момент, при этом местоположение отверстия течи определяют по минимуму кардиоидной диаграммы направленности, а размер отверстия течи определяют по частотной метке на экране осциллографического индикатора. 3 ил.

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для определения места течи и характерного размера течи в подземном трубопроводе.

Известны способы обнаружения места нарушения герметичности подземных трубопроводов (авт. свид. СССР 380909, 411268, 642575, 934269, 1216550, 1283566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705709, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патент РФ 2135887; патенты США 4289019, 4570477; патент Великобритании 1349129; патент Франции 2498325; патенты Японии 59-38537, 60-24900, 63-22531; Трубопроводный транспорт жидкости и газа. - М., 1993 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе" (авт. свид. СССР 1812386, F 17 D 5/02,1990), который и выбран в качестве прототипа.

Согласно данному способу в трубопроводе создают электромагнитное излучение помещением в нем излучателей передачи и по утечке из отверстия течи электромагнитного излучения путем наземной пеленгации определяют ее место на трассе. Вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают их приемником. Полоса пропускания приемника равна диапазону излучения передатчика. Местоположение и характерный размер отверстия течи определяют по появлению резкого возрастания электромагнитного сигнала, фиксируя частоту спада.

Однако обнаружить электромагнитный сигнал, который покидает пределы трубопровода и, пройдя толщину грунта, попадает на приемную антенну приемника электромагнитного излучения, в загруженных частотных диапазонах при большом числе маскирующих сигналов затруднительно.

Для селекции сигналов по направлению прихода панорамные приемники комплектуются пеленгаторными антеннами. Известны устройства, обеспечивающие пеленгацию либо по максимуму амплитуды сигнала, либо по минимуму (Белавин О.В. Основы радионавигации. - Издание второе. - М.: Сов. радио, 1977. - С.98-110).

Существенное уменьшение числа маскирующих сигналов может быть достигнуто при пеленгации по максимуму путем сужения диаграммы направленности антенны. Однако получение узких диаграмм направленности в диапазонах относительно низких частот затруднительно. При пеленгации по минимуму (с кардиоидной диаграммой направленности) существенного уменьшения числа маскирующих сигналов достичь нельзя.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе путем устранения маскирующих сигналов, приходящих с других направлений.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающемуся в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи, вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, принимают с помощью двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, вращают кардиоидную диаграмму направленности антенны до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитного излучения и фиксируют момент указанного совмещения, при этом местоположение отверстия течи определяют по минимуму кордиоидной диаграммы направленности антенны, а характерный размер отверстия течи определяют по частотной метке на экране осциллографического индикатора.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, и разрез участка трубопровода показаны на фиг.1. График зависимости коэффициента пропускания f⁽¹⁾ излучения отверстием диаметра Д=2а в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a представлен на фиг.2. Диаграмма направленности приемных антенн 7 и 8 изображена на фиг.3.

Устройство содержит передатчик 1, излучатель 2, среду 3, размещенную внутри трубопровода 4, отверстие 5 течи, грунт 6, последовательно включенные первую приемную антенну 7 с круговой диаграммой направленности, первый смеситель 10.1, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 17, первый усилитель 11.1 промежуточной частоты, частотомер 13, второй вход которого соединен с выходом формирователя управляющего импульса 19, и блок 14 регистрации, последовательно включенные вторую приемную антенну 8 с кардиоидной диаграммой направленности, блок 9 управления диаграммой направленности, второй смеситель 10.2, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 17, второй усилитель 11.2 промежуточной частоты, второй амплитудный детектор 12.2, коммутатор 15, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами первого амплитудного детектора 12.1, формирователя 19 управляющего импульса и блока 21 деления соответственно, и вертикально отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, горизонтально отклоняющие пластины которого соединены с выходом генератора 18 пилообразного напряжения, последовательно подключенные к выходу первого амплитудного детектора 12.1 блока 21 деления, второй вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора 12.2, пороговый блок 20, формирователь 19 управляющего импульса, генератор 18 пилообразного напряжения и гетеродин 17, выход которого соединен с вторыми входами смесителей 10.1 и 10.2.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

От передатчика 1 сверхвысокочастотный сигнал подается на излучатель 2, помещенный в водную, газовую или газоконденсатную среду 3 внутри трубопровода 4. От излучателя 2 электромагнитное поле ориентированно распространяется вдоль трубопровода 4, отражаясь от его стенок. В месте трубопровода 4, где находится отверстие 5 течи, генерируется электромагнитный сигнал, который покидает пределы трубопровода 4 и, пройдя толщину грунта 6, попадает на приемные антенны 7 и 8 двух панорамных приемников с одним общим гетеродином 17.

Для определения характерного размера Д отверстия 5 используется следующее соотношение между критической длиной волны излучения λ_кр и Д: λ_кр = 1,25Д, при котором происходит переход от экспоненциального затухания излучения в канале, образованном отверстием 5 в стене трубы 4, к пропусканию, обусловленному возможностью распространения основной волны в волноводном канале отверстия 5.

Если трубопровод 4 заполнен средой с относительной диэлектрической проницаемостью ε, то соответствующая λ_кр частота излучения f_kp определяется из выражения где с - скорость света в вакууме.

Таким образом, зная частоту излучения f_kp, при которой начинает резко возрастать сигнал на входах панорамных приемников, используемых для пеленгации течи, можно определить характерный размер отверстия 5 течи: На фиг. 2 представлен график зависимости коэффициента пропускания f⁽¹⁾ излучения отверстием диаметром Д=2а в экране толщиной d от относительной толщины экрана d/2a. Из вида зависимости f⁽¹⁾=f(d/2a) следует, что оценка характерного размера отверстия Д будет точной при d/2a>1. Именно в этой области наблюдается резкая зависимость коэффициента пропускания f⁽¹⁾от величины ка= 2πd/λ, т.е. при небольшом изменении частоты сигнала интенсивность прошедшего через отверстие 5 излучения сильно изменяется. При ка=2,5 в волноводном канале, образованном отверстием в стенке трубы, может распространяться основная волна - поэтому наблюдается периодическая зависимость f⁽¹⁾ от d.

Для расчета чувствительности приемопередающей системы в реальных условиях используем в качестве примера следующие параметры: Р= 3 Вт - мощность электромагнитного излучения, возбуждаемая в трубопроводе; Д=2R_тp=0,7 м - диаметр трубы трубопровода; 2а=4 см - диаметр отверстия течи;
1=100 км=10⁵ м - удаленность течи от источника излучения;
h=2 м - глубина залегания трубопровода;
λ=3πа=0,2 м - длина волны излучения в трубопроводе.

Используя соответствующие формулы, можно оценить необходимые параметры приемников излучения в месте течи, в частности:
Е_м= 0,32 В/м - амплитуда колебаний электрического поля в трубопроводе в сечении с течью;
Е_м1= 1,7•10^-3 В/м - амплитуда колебаний электрического поля на внешней стороне отверстия;
Е_м2= 4,3•10^-5 В/м - амплитуда колебаний электрической компоненты электромагнитного поля вблизи поверхности грунта со стороны атмосферы;
П=2,5•10^-12 Вт/м² - плотность потока излучения в области приемных антенн вблизи от поверхности грунта и при сопротивлении измерения приемных антенн R₂≈60 Oм сигналы на входе панорамных приемников определяются формулой

Следовательно, для обнаружения течи необходимы приемники с чувствительностью S≈10 мкВ.

Просмотр возможного диапазона критических частот f_kp осуществляется с помощью генератора 18 пилообразного напряжения, который периодически с периодом Т_п по пилообразному закону изменяет частоту f_г гетеродина 17. Одновременно пилообразное напряжение поступает на горизонтально отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, формируя его горизонтальную развертку.

Принимаемые электромагнитные сигналы с выходов антенн 7 и 8 поступают на первые входы смесителей 10.1 и 10.2, на вторые входы которых подается напряжение гетеродина 17 линейно изменяющейся частоты. На выходах смесителей 10.1 и 10.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 11.1 и 11.2 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты. После амплитудного детектирования в амплитудных детекторах 12.1 и 12.2 эти напряжения через коммутатор 15 подаются на вертикально отклоняющие пластины осциллографического индикатора 16, на горизонтально отклоняющие пластины которого подается напряжение развертки с выхода генератора 18 пилообразного напряжения. В результате на экране индикатора 16 (на горизонтальной развертке) формируется частотная метка, положение которой на горизонтальной развертке однозначно определяет характерный размер Д данной течи. Горизонтальная развертка осциллографического индикатора 16 проградуирована непосредственно в характерных размерах течи и может визуально наблюдаться оператором. За счет того, что на вторые входы смесителей 10.1 и 10.2 подается одно и то же напряжение гетеродина 17 линейно изменяющейся частоты, на выходах усилителей 11.1 и 11.2 промежуточной частоты в любой момент времени наблюдается один и тот же выходной сигнал. Амплитуда сигнала на выходе первого усилителя 11.1 промежуточной частоты не зависит от направления прихода входного сигнала из-за кругового вида диаграммы направленности первой антенны 7 (фиг.3). Вторая антенна 8 имеет кардиоидную диаграмму направленности, вращение которой осуществляется блоком 9 управления. Амплитуды сигналов с выходов амплитудных детекторов 12.1 и 12.2 поступают на входы блока 21 деления и коммутатора 15. Коммутатор 15 предназначен для подключения ко входу индикатора 16 одного из сигналов: с выходов амплитудных детекторов 12.1 и 12.2, формирователя 19 управляющего импульса и блока 21 деления.

Для осуществления селекции электромагнитных сигналов, генерируемых отверстием течи, по направлению прихода при помощи блока 9 управления кардиоидную диаграмму направленности антенны 8 вращают до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитных сигналов (фиг.3). Амплитуда сигналов с этого направления на выходе второго панорамного приемника близка к нулю, поэтому на выходе блока 21 деления, осуществляющего деление амплитуды сигнала с выхода первого амплитудного детектора 12.1 (первого панорамного приемника) на амплитуду сигнала с выхода второго амплитудного детектора 12.2 (второго панорамного приемника), в этот момент напряжение будет максимальным.

Следует подчеркнуть, что величина отношения не зависит от напряженности поля сигналов в месте приема. Момент максимизации отношения фиксируется по индикатору 16. Величину порога устанавливают так, чтобы пороговый блок 20 срабатывал только от сигналов, приходящих с нулевого направления.

При срабатывании порогового блока 20 формирователь 19 вырабатывает управляющий импульс, который останавливает генератор 18 пилообразного напряжения, запускает частотомер 13, разрешает прохождение сигнала на индикатор 16 и запись в блок 14 регистрации. За время длительности этого импульса частотомер 13 измеряет критическую частоту f_кр сигнала, которая записывается в блок 14 регистрации и визуально наблюдается на экране осцилло-графического индикатора 16.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение точности определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе. Это достигается путем устранения маскирующих сигналов, приходящих с других направлений, что обеспечивает возможность обнаружения слабых электромагнитных сигналов, генерируемых отверстием течи, измерения и записи значений их частот.

Эффективность предлагаемого способа заключается в облегчении поиска и повышении точности определения места и характерного размера течи при снижении трудозатрат за счет исключения каких-либо земляных работ или остановки транспортирования газа или газоконденсата по подземному трубопроводу. Способ позволяет определить наличие дефекта в трубопроводе как при наличии в нем нефтепродуктов, так и при их отсутствии.

Формула изобретения

Способ определения места и характерного размера течи в подземном трубопроводе, заключающийся в том, что в трубопроводе создают электромагнитное излучение с помощью помещенного в нем излучателя передачи, вдоль трубопровода ориентированно посылают сверхвысокочастотные электромагнитные излучения с изменяющейся во времени частотой и принимают электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, отличающийся тем, что электромагнитное излучение, утекающее из отверстия течи, принимают с помощью двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, вращают кардиоидную диаграмму направленности антенны до совмещения нулевого провала с направлением прихода электромагнитного излучения и фиксируют момент указанного совмещения, при этом местоположение отверстия течи определяют по минимуму кардиоидной диаграммы направленности антенны, а характерный размер отверстия течи определяют по частотной метке на экране осциллографического индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3