Способ обмена данными и управления внутритрубными объектами

 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту. Способ выполняют путем излучения электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода, полость которого герметично изолирована от пространства вне трубопровода, и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, при приеме электромагнитных колебаний формируют электрические сигналы данных и/или управления, соответствующие принятым электромагнитным колебаниям, при этом излучают и принимают высокочастотные электромагнитные колебания пачками в виде кодированных последовательностей импульсов излучения на расстоянии не более 100 м от арматуры трубопровода, образующей радиопрозрачную щель между полостью трубопровода и пространством вне трубопровода, и с частотой не менее 1 кГц. Применение изобретения позволяет управлять диагностическими и иными внутритрубными снарядами, находящимися внутри трубопроводов, и осуществлять с ними обмен данными при выполнении работ с указанными объектами во взрывоопасных зонах любого класса опасности. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к вспомогательным устройствам для трубопроводных систем, а именно к системам контроля и наблюдения за положением и состоянием, а также маркированием внутритрубных объектов типа "крот" (внутритрубных снарядов), пропускаемых внутри трубопроводов, в частности внутритрубных инспекционных снарядов, скребков и разделителей среды транспортировки, а также к системам их дистанционного управления.

Известно устройство контроля движения внутритрубных объектов (Патент РФ RU 2137977, MПK F 17 D 5/02, дата публикации 20.09.99) и способ его применения. Устройство содержит последовательно соединенные приемный преобразователь, усилитель, фильтр верхних частот, сумматор, исполнительный элемент, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот и дополнительный усилитель. Выход усилителя подключен к входу фильтра нижних частот, выход дополнительного усилителя подключен к второму входу сумматора.

Устройство регистрирует характерное акустическое излучение, возникающее при движении внутритрубных снарядов.

Основным недостатком указанного устройства и способа его применения является ограниченность информации, которая может быть передана только от снаряда к наземному оборудованию, и только о факте движения снаряда без информации о состоянии снаряда.

Известно устройство для контроля положения снаряда внутри трубопровода и способ его применения (а.с. СССР SU1495564, MПK F 17 D 5/00, дата публикации 23.07.89). Устройство включает в себя приемопередатчик электромагнитных волн внутри трубопровода, излучающий электромагнитные волны внутрь трубопровода в направлении снаряда и принимающий излученные от указанного снаряда электромагнитные волны. Измерение разницы во времени между испущенным и принятым сигналом позволяет определить расстояние от точки наблюдения до снаряда, проходимое волнами внутри трубопровода вдоль его оси.

Использование такого устройства для определения положения снаряда, передвигающегося с потоком транспортируемой среды, требует введения антенны наземного приемопередатчика внутрь трубопровода, что требует наличия специальных взрывобезопасных приспособлений на трубопроводе. Кроме того, точность данных о расстоянии по пути внутри трубопровода от точки наблюдения до застрявшего снаряда недостаточна для отыскания места раскопки трубопровода.

Известно устройство для определения прохождения объектов из магнитного материала внутри трубопроводов (Патент РФ RU 2097649, MПK F 17 D 5/00, дата публикации 27.11.97) и способ его применения. Устройство содержит источник переменного сигнала (генератор) с подключенной к нему катушкой индуктивности, охватывающей трубопровод, а также приемный преобразователь в виде включенных встречно-последовательно катушек, охватывающих трубопровод, и подключенные к выходу приемного преобразователя последовательно соединенные усилитель, полосовой фильтр, синхронный детектор, пороговую схему, временной селектор и индикатор. Вход синхронизации синхронного детектора подключен к источнику переменного сигнала.

Источник переменного сигнала с помощью катушки создает внутри трубопровода электромагнитное поле, что приводит к появлению напряжения на выходах приемных катушек. На вход усилителя поступает разностный сигнал, полосовой фильтр выделяет сигнал с частотой генератора, детектор выделяет огибающую сигнала. Сигнал на выходе детектора поступает на вход порогового устройства, которое преобразует его в два прямоугольных импульса, интервал между которыми анализируется временным селектором, если его значение попадает в некоторый интервал, то селектор идентифицирует данный сигнал как сигнал от снаряда и выдает сигнал на индикатор.

Основным недостатком указанного устройства и способа его применения является необходимость использования катушек, обхватывающих трубопровод, что ограничивает применимость способа и устройства при большой скорости снаряда, особенно в газопроводах.

Известно устройство для приема сигналов инфранизкой частоты от объекта, расположенного внутри трубопровода, и способ его применения (а.с. СССР SU 1458647, МПК F 17 D 5/00, дата публикации: 15.02.89). Устройство содержит магнитную антенну, соединенную через электронный блок с блоком индикации сигнала, и характеризуется тем, что магнитная антенна включает в себя полый каркас, электрообмотку на каркасе и магнитопровод внутри каркаса.

Прототипом заявленного способа является способ индикации положения внутритрубных объектов (а. с. СССР SU 987278, МПК F 17 D 5/00, дата публикации 07.01.83) с помощью низкочастотного передатчика электромагнитных колебаний, расположенного со стороны, противоположной расположению указанного устройства относительно стенки трубопровода, которое включает в себя приемно-усилительный тракт, путем излучения низкочастотных электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема и усиления указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода.

Основным недостатком указанных устройств и способов их применения является то, что применение индукционных катушек с большой индуктивностью ограничивает возможность работы с устройством в труднодоступных районах укладки трубопроводов и ограничивает зону взрывобезопасного применения устройства (в соответствии с требованиями серии ГОСТ Р 51330.0-99-51330.20-99 "Электрооборудование взрывозащищенное") и соответствующими требованиями Госгортехнадзора России).

В заявленном изобретении решается задача исключения источников образования взрыва при работе по управлению и обмену данными с внутритрубными снарядами во взрывоопасных зонах высокого класса опасности.

Заявленный способ обмена данными и/или управления внутритрубными объектами выполняют путем излучения электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, при приеме электромагнитных колебаний формируют электрические сигналы (данных или управления), соответствующие принятым электромагнитным колебаниям.

В отличие от прототипа в заявленном способе используют высокочастотное излучение (излучают и принимают высокочастотные электромагнитные колебания частотой не менее 1 кГц).

Основной технический результат, достигаемый в результате реализации заявленного изобретения - возможность управления и обмена данными диагностическими и иными внутритрубными снарядами, находящимися внутри трубопроводов, при выполнении работ с указанными объектами во взрывоопасных зонах любого класса опасности.

Механизм достижения указанного технического результата состоит в том, что именно во взрывоопасных зонах наибольшей опасности имеются элементы трубопроводной арматуры (задвижки, клапаны, датчики расхода или давления, камеры запуска/приема внутритрубных снарядов), которые образуют радиопроницаемые щели в герметичном объеме трубопровода в виде различного рода эластичных уплотнений, что позволяет использовать маломощный радиоканал связи со снарядом с использованием антенн, индуктивность которых невелика. Низкая индуктивность антенны, малые значения суммарной электрической емкости устройства и мощность обусловливают взрывобезопасное использование в местах образования взрывоопасных смесей. Кроме того, указанные параметры позволяют реализовать врзывобезопасную работу радиочастотных модулей в зоне образования воздушно-углеводородной смеси непосредственно внутри трубопровода и камеры запуска/приема снарядов.

В предпочтительном исполнении заявленного способа мощность излучения составляет от 1 мВт до 1000 мВт, частота излучения составляет от 1 МГц до 10 ГГц.

В предпочтительном исполнении электромагнитные колебания принимают на расстоянии не более 300 м от места излучения электромагнитных колебаний. Электромагнитные колебания излучают на расстоянии не более 100 м от арматуры трубопровода, образующей радиопрозрачную щель между полостью трубопровода и пространством вне трубопровода. Электромагнитные колебания излучают в зависимости от выраженного в метрах расстояния R от арматуры трубопровода, образующей радиопрозрачную щель между полостью трубопровода и пространством вне трубопровода, с мощностью излучения не менее 1 мВт*R². Полость трубопровода герметично изолирована от пространства вне трубопровода (непроницаема для жидкостей и газов).

Электромагнитные колебания излучают пачками в виде кодированных последовательностей импульсов излучения.

Длительность пачки импульсов составляет от 1 до 100 мс, интервал времени между пачками составляет от 1 до 100 мс.

Информационная емкость кодированной последовательности составляет не менее 1 байта, в предпочтительном исполнении информационная емкость кодированной последовательности составляет от 4 до 100 байт.

После приема высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанных колебаний относительно стенки трубопровода, из места приема колебаний излучают высокочастотные колебания и принимают их с противоположной стороны относительно стенки трубопровода.

Излучают пачки запросов после приема, по крайней мере, одной пачки запроса высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанной пачки относительно стенки трубопровода, из места приема колебаний излучают, по крайней мере, одну ответную пачку высокочастотных колебаний, которую принимают с противоположной стороны относительно стенки трубопровода. Ответную пачку высокочастотных колебаний принимают в месте излучения пачки запроса.

В возможных вариантах реализации изобретения: после приема высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанных колебаний относительно стенки трубопровода, включают или выключают излучение низкочастотных электромагнитных колебаний частотой не более 1 кГц из места приема высокочастотных колебаний; со стороны, противоположной месту излучения указанных высокочастотных колебаний относительно стенки трубопровода, излучают низкочастотные электромагнитные колебания частотой не более 1 кГц, после приема высокочастотных колебаний в месте излучения низкочастотных колебаний изменяют мощность и/или скважность низкочастотного излучения; со стороны, противоположной месту излучения указанных высокочастотных колебаний относительно стенки трубопровода, излучают низкочастотные электромагнитные колебания частотой не более 1 кГц, после приема высокочастотных колебаний в месте излучения низкочастотных колебаний низкочастотные электромагнитные колебания излучают с периодическим изменением мощности излучения, мощность низкочастотного излучения изменяют дискретно; высокочастотные электромагнитные колебания излучают вне трубопровода в виде кодированных последовательностей, принимают с помощью приемного оборудования, установленного на снаряде, находящемся внутри трубопровода, среди принятых кодированных последовательностей идентифицируют код изменения режима работы снаряда, после идентификации указанного коды формируют управляющие сигналы изменения режима работы снаряда (изменения режима питания снаряда или скорости снаряда или режима измерений диагностических параметров).

Электромагнитные колебания излучают пачками в виде кодированных последовательностей импульсов излучения, указанные выше действия над низкочастотным излучением выполняют после приема кодированной последовательности импульсов и идентификации заранее обусловленного кода.

В дальнейшее развитие изобретения (во время приема низкочастотных и/или высокочастотных электромагнитных колебаний) генерируют опорные электрические колебания и определяют разность фаз между электрическими колебаниями, соответствующими принятым электромагнитным колебаниям, и опорными колебаниями, формируют информационные и/или управляющие сигналы в зависимости от величины указанной разности фаз.

Разность фаз определяют путем перемножения электрических колебаний (напряжений и/или токов), соответствующих принятым электромагнитным колебаниям, с опорными колебаниями (напряжениями и/или токами соответственно), заданной частоты по одному из каналов обработки и одновременного перемножения электрических колебаний (напряжений и/или токов), соответствующих принятым электромагнитным колебаниям, с опорными колебаниями (напряжениями и/или токами соответственно), но сдвинутыми по фазе, по второму каналу обработки, интегрирования перемноженных колебаний по каждому из указанных каналов обработки, определения соотношения между полученными по каждому из двух указанных каналов обработки интегрированными амплитудными компонентами.

В заявленном способе принимают посылки электромагнитных колебаний, в каждой из которых не менее трех полных периодов электромагнитных колебаний заданной частоты, определяют начальную фазу колебаний для каждой из посылок.

При этом вычисляют разность между указанными фазами колебаний в разных посылках, формируют информационные и/или управляющие сигналы в зависимости от величины указанной разности между начальными фазами разных посылок; принимают посылки из 5-30 полных периодов электромагнитных колебаний заданной частоты; идентифицируют посылки с фазовыми манипуляциями.

В предпочтительном исполнении заявленного способа низкочастотные электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контуре, режим работы LC-контура с излучением электромагнитных колебаний чередуют с режимом работы LC-контура без излучения электромагнитных колебаний, переключение указанных режимов работы LC-контура выполняют путем разрыва или восстановления подключения, по меньшей мере, одного из выходов конденсатора LC-контура в некоторый момент времени, отстоящий от момента резонансного пика по напряжению не более чем на 0,05 периода резонансных колебаний в LC-контуре.

На чертеже изображена схема, иллюстрирующая реализацию заявленного способа обмена данными и управления внутритрубными объектами В предпочтительном исполнении бортовой приемопередатчик 5 закрепляется на внутритрубном объекте 2 (снаряде), пропускаемом внутри трубопровода 3, находящегося под слоем грунта 4, и включает в себя корпус. В корпусе установлены элементы питания, антенна, приемник и генератор высокочастотных электромагнитных колебаний, а также приемно-анализирующие модули. Внутритрубный снаряд запасовывают в камеру запуска внутритрубных снарядов, включают перекачку продукта, который толкает снаряд по трубопроводу. Бригады сопровождения снаряда, находясь вблизи камеры запуска снаряда, с помощью высокочастотных приемопередатчиков 1, 5 устанавливают режим работы снаряда и при необходимости режим работы низкочастотного передатчика или приемопередатчика, устанавливаемого на снаряде. На камерах запуска и приема снарядов, а также на примыкающих к ним трубах установлено множество вантузов и отводов с фланцевыми соединениями, а также с неразъемными соединениями, через уплотнения в которых способно проходить высокочастотное излучение. Основу высокочастотных передатчиков составляют известные из уровня техники высокочастотные микросхемы-генераторы колебаний на 20 МГц. При этом высокочастотная антенна имеет протяженность не более 5 см.

Излучаемые бортовым приемопередатчиком 5 высокочастотные электромагнитные колебания 8 проходят через радиопрозрачную щель 10, образуемую резиновой прокладкой в фланцевом соединении вантуза 9, и регистрируются с помощью наземного приемопередатчика 1.

Аналогичным образом излучаемые наземным приемопередатчиком 1 высокочастотные электромагнитные колебания 8 проходят через радиопрозрачную щель 10 и регистрируются с помощью бортового приемопередатчика 5.

При приеме электромагнитных колебаний формируют электрические сигналы данных и/или управления, соответствующие принятым электромагнитным колебаниям.

Мощность излучения регулируется в зависимости от решаемой задачи в диапазоне от 1 мВт до 1000 мВт. Для бортового приемопередатчика 5 мощность излучения устанавливается перед запасовкой снаряда 2 в трубопровод 3 с учетом ограниченности энергоресурса батарей внутритрубного снаряда 2. Для наземного приемопередатчика 1 мощность излучения может регулироваться в процессе работы, поскольку факт приема излученных колебаний бортовым приемопередатчиком 5 подтверждается излучением бортового приемопередатчика 5, что отображается на наземном приемопередатчике 1, принимающем ответные сигналы. При этом пользуются правилом, что электромагнитные колебания излучают в зависимости от выраженного в метрах расстояния R от арматуры трубопровода, образующей радиопрозрачную щель между полостью трубопровода и пространством вне трубопровода, с мощностью излучения не менее 1 мВт•R².

Высокочастотные электромагнитные колебания принимают на расстоянии не более 300 м от места их излучения и на расстоянии не более 100 м от арматуры трубопровода, образующей радиопрозрачную щель между полостью трубопровода и пространством вне трубопровода.

Электромагнитные колебания излучают пачками в виде кодированных последовательностей импульсов излучения. В предпочтительном исполнении длительность пачки импульсов составляет 10 мс, интервал времени между пачками составляет 10 мс, информационная емкость кодированной последовательности составляет 8 байт.

После приема высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанных колебаний относительно стенки трубопровода, из места приема колебаний излучают высокочастотные колебания и принимают их с противоположной стороны относительно стенки трубопровода. Излучают пачки запросов после приема, по крайней мере, одной пачки запроса высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанной пачки относительно стенки трубопровода, из места приема колебаний излучают, по крайней мере, одну ответную пачку высокочастотных колебаний, которую принимают с противоположной стороны относительно стенки трубопровода. Ответную пачку высокочастотных колебаний принимают в месте излучения пачки запроса. Таким образом, реализуется механизм подтверждения наличия связи между бортовым 5 и наземным 1 приемопередатчиками.

В зависимости от решаемой задачи на наземном приемопередатчике 1 в процессе работы выставляется режим работы. Реализованы следующие режимы работы: 1. После приема высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанных колебаний относительно стенки трубопровода, включают или выключают излучение низкочастотных электромагнитных колебаний частотой не более 1 кГц из места приема высокочастотных колебаний.

2. Со стороны, противоположной месту излучения указанных высокочастотных колебаний относительно стенки трубопровода, излучают низкочастотные электромагнитные колебания частотой не более 1 кГц; после приема высокочастотных колебаний в месте излучения низкочастотных колебаний изменяют мощность и/или скважность низкочастотного излучения.

3. Со стороны, противоположной месту излучения указанных высокочастотных колебаний относительно стенки трубопровода, излучают низкочастотные электромагнитные колебания частотой не более 1 кГц; после приема высокочастотных колебаний в месте излучения низкочастотных колебаний низкочастотные электромагнитные колебания излучают с периодическим изменением мощности излучения, мощность низкочастотного излучения изменяют дискретно.

4. Высокочастотные электромагнитные колебания излучают вне трубопровода в виде кодированных последовательностей, принимают с помощью приемного оборудования, установленного на снаряде, находящемся внутри трубопровода, среди принятых кодированных последовательностей идентифицируют код изменения режима работы снаряда, после идентификации указанного коды формируют управляющие сигналы изменения режима работы снаряда.

Электромагнитные колебания излучают пачками в виде кодированных последовательностей импульсов излучения, указанные выше действия над низкочастотным излучением выполняют после приема кодированной последовательности импульсов и идентификации заранее обусловленного кода.

Указанные действия над низкочастотным излучением выполняются с помощью низкочастотного передатчика электромагнитных колебаний, который включает в себя последовательный LC-контур из конденсатора и индуктивной катушки, низкочастотный генератор электромагнитных колебаний, включающий в себя электронно-управляемые ключи и схему управления ключами, выполненную в виде программно-перенастраиваемого контроллера и включающую в себя микропроцессор, генератор тактовых импульсов и счетчики тактовых импульсов. Электронно-управляемые ключи выполнены на полевых транзисторах; резонансная частота LC-контура составляет около 22 Гц.

Низкочастотные электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контуре, которое осуществляют путем периодического подключения LC-контура к выходам источника питания синхронно с периодом резонансных колебаний в контуре 45,5 мс с чередованием (инвертированием) полярности подключения в зависимости от фазы колебаний в контуре. Полярность подключения LC-контура к источнику питания изменяют с помощью электронно-управляемых ключей.

После начала движения снаряда по линейной части трубопровода бригады сопровождения снаряда прибывают на заранее помеченные пункты (маркерные пункты) по трассе трубопровода, включают оборудование для приема низкочастотных сигналов и регистрируют время прохождения снаряда или при получении сигналов от низкочастотного передатчика, установленного на снаряде 2, включают наземный передатчик низкочастотных электромагнитных сигналов, которые принимаются приемно-усилительным трактом на снаряде и записываются в память, либо при прохождении снаряда с установленным на нем приемником низкочастотного излучения вблизи наземного низкочастотного передатчика приемник на снаряде регистрирует время приема колебаний или соответствующий времени параметр, например пройденную дистанцию, и излучает соответствующую посылку электромагнитных колебаний, которая регистрируется вне трубопровода.

Маркерные пункты выбирают вблизи узлов арматуры трубопровода. При прохождении снаряда через маркерный пункт высокочастотный наземный приемопередатчик 1 посылает запрос бортовому приемопередатчику 5 о состоянии снаряда, бортовой приемопередатчик 5 посылает кодированные пачки высокочастотных колебаний, соответствующие данным о состоянии оборудования снаряда, параметрах среды перекачки, режимах работы снаряда (включен или выключен набор измерительных данных), указанные данные принимаются и декодируются в приемопередатчике 1. В зависимости от решаемой задачи и соответствия режима работы снаряда по данным от приемопередатчика 5 требуемому режиму работы для данного участка трассы трубопровода, при необходимости с помощью высокочастотного наземного приемопередатчика 1 посылается команда на изменение режима работы снаряда, которая принимается приемопередатчиком 5, декодируется и посылается соответствующий управляющий сигнал на соответствующие исполнительные модули, установленные в снаряде.

Аналогичным образом радиоканал позволяет управлять наземным оборудованием, расставленным в маркерных пунктах и работающим в автоматическом режиме.

В случае застревания снаряда в трубопроводе, например в месте сужения сечения или вмятины, радиоканал позволяет получить со снаряда диагностические данные о проконтролированном участке трубопровода, а также о параметрах трубопровода и состояния снаряда, предшествующих застреванию или вызвавших застревание. В случае обследования газопровода или конденсатопровода такие данные могут быть получены без остановки перекачки продукта.

Формула изобретения

1. Способ обмена данными и управления внутритрубными объектами путем излучения электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, при приеме электромагнитных колебаний формируют электрические сигналы, соответствующие принятым электромагнитным колебаниям, отличающийся тем, что излучают и принимают высокочастотные электромагнитные колебания частотой не менее 1 кГц, электромагнитные колебания излучают пачками в виде кодированных последовательностей импульсов излучения на расстоянии не более 100 м от арматуры трубопровода, образующей радиопрозрачную щель между полостью трубопровода и пространством вне трубопровода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мощность излучения составляет от 1 до 1000 мВт, частота излучения составляет от 1 МГц до 10 ГГц.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитные колебания принимают на расстоянии не более 300 м от места излучения электромагнитных колебаний.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электромагнитные колебания излучают в зависимости от выраженного в метрах расстояния R от арматуры трубопровода, образующей радиопрозрачную щель между полостью трубопровода и пространством вне трубопровода, с мощностью излучения не менее 1 мВт•R².

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность пачки импульсов составляет от 1 до 100 мс, интервал времени между пачками составляет от 1 до 100 мс.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что информационная емкость кодированной последовательности составляет не менее 1 байта.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что информационная емкость кодированной последовательности составляет от 4 до 100 байт.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после приема высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанных колебаний относительно стенки трубопровода, из места приема колебаний излучают высокочастотные колебания и принимают их с противоположной стороны относительно стенки трубопровода.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что излучают пачки запросов, после приема, по крайней мере, одной пачки запроса высокочастотных колебаний со стороны, противоположной месту излучения указанной пачки относительно стенки трубопровода, из места приема колебаний излучают, по крайней мере, одну ответную пачку высокочастотных колебаний, которую принимают с противоположной стороны относительно стенки трубопровода.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что ответную пачку высокочастотных колебаний принимают в месте излучения пачки запроса.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокочастотные электромагнитные колебания излучают вне трубопровода в виде кодированных последовательностей, принимают с помощью приемного оборудования, установленного на снаряде, находящемся внутри трубопровода, среди принятых кодированных последовательностей идентифицируют код изменения режима работы снаряда, после идентификации указанного коды формируют управляющие сигналы изменения режима работы снаряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1