Способ определения местонахождения утечек в магистральных трубопроводах, преимущественно нефтепроводах

 

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для текущего контроля за герметичностью магистральных трубопроводов, преимущественно нефтепроводов. Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности фазовой пеленгации местонахождения утечки в магистральном трубопроводе путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам. Способ определения местоположения утечек в магистральных трубопроводах, преимущественно нефтепроводах, основанный на регистрации времени прихода двух ударных волн пониженного давления, образующихся в момент местного разрыва или повреждения трубопровода, на концы контролируемого участка трубопровода, нахождении разности времени прихода указанных волн, определении местоположения утечки, генерирования высокочастотного колебания в момент местного разрыва или повреждения трубопровода, манипулировании его по фазе модулирующим кодом, содержащим сведения о номере аварийного участка трубопровода и местоположении утечки, формируя тем самым тревожный сигнал с фазовой манипуляцией, усилении сформированного сигнала по мощности, излучении его в эфир, приеме на пункте контроля тревожного фазоманипулированного сигнала на три антенны, расположенные на одной линии, параллельной трубопроводу, в виде отрезка прямой, в центре которого помещают приемную антенну измерительного канала, общую для приемных антенн двух пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной плоскости, образуя тем самым в данной плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми устанавливают неравенство где λ - длина волны, при этом меньшей базой d образуют грубую, но однозначную шкалу отсчета угла, а большей базой 2d образуют точную, но неоднозначную шкалу отсчета угла, преобразовании принимаемых сигналов по частоте, выделении напряжения первой промежуточной частоты, повторном преобразовании по частоте напряжения первой промежуточной частоты измерительного канала, выделении напряжении второй промежуточной частоты, перемножении его с напряжением первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, выделении из полученных напряжений гармонических колебаний на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измерении разности фаз между гармоническими колебаниями и напряжением второго гетеродина и оценивании по ним значения азимута поврежденного участка трубопровода, в котором в измерительном канале выделяют ложный сигнал, принимаемый на первой промежуточной частоте, сдвигают его по фазе на +180° и суммируют с исходным ложным сигналом, тем самым подавляя его, напряжение первого гетеродина сдвигают по фазе на +90°, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала на несущей частоте, выделяют напряжение первой промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на +90° и суммируют его с исходным напряжением первой промежуточной частоты, полученное суммарное напряжение первой промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом на несущей частоте, выделяют гармоническое напряжение на частоте первого гетеродина, детектируют его и используют для разрешения повторного преобразования по частоте суммарного напряжения первой промежуточной частоты. 11 ил.

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для текущего контроля за герметичностью магистральных трубопроводов, преимущественно нефтепроводов.

Известны способы определения местонахождения утечек в магистральных трубопроводах (авт. свид. СССР №380909, 411268, 642575, 934269, 1216550, 1283566, 1610347, 1657988, 1672105, 1679232, 1705799, 1733837, 1777014, 1778597, 1812386; патенты РФ №2135887, 2138037, 2190152; патенты США №4289019, 4570477, 5038614; патент Великобритании №1349129, патент Франции №2498325; патенты Японии №59-38.537, 60-24.900, 63-22.531; 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 15 D 5/02, 1990), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный способ основан на анализе ударных волн пониженного давления, возникающих в момент местного разрыва или повреждения трубы. Он обеспечивает определение места возникновения утечек в магистральных трубопроводах и позволяет своевременно информировать об этом обслуживающий персонал путем передачи по радиоканалу тревожного сигнала о месте возникновения утечек в магистральных трубопроводах на пункт контроля. На пункте контроля данный способ обеспечивает преобразование частоты принимаемых сигналов, в процессе которого образуются дополнительные каналы приема.

Это объясняется тем, что одно и то же значение первой промежуточной частоты ω_пр1 может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω_С и ω_З, т.е.

ω_пр1=ω_С-ω_Г1 и ω_пр1=ω_Г1-ω_З.

Следовательно, если частоту настройки (ω принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω_З которого отличается от частоты ω_С на 2ω_пр1 и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты первого гетеродина ω_Г1 (фиг.11). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу.

Поэтому он наиболее существенно влияет на помехозащищенность и точность фазовой пеленгации местонахождения утечки в магистральном трубопроводе.

Кроме зеркального существуют и другие, дополнительные (комбинационные) каналы приема. Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии несущей частоты принимаемых сигналов с гармониками частоты первого гетеродина малого порядка (второй, третий и т.д.), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам соответствуют частоты:

ω_К1=2ω_Г1-ω_пр1 и ω_К2=2ω_Г1+ω_пр1.

Если частота помехи ω_П равна первой промежуточной частоте ω_пр1 (ω_П=ω_пр1), то образуются каналы прямого прохождения. Преобразователь частоты для данной помехи выполняет функцию простого передаточного звена.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и точности фазовой пеленгации местонахождения утечки в магистральном трубопроводе.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности фазовой пеленгации местонахождения утечки в магистральном трубопроводе путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.

Поставленная задача решается тем, что в способе, основанном на регистрации времени прихода двух ударных волн пониженного давления, образующихся в момент местного разрыва или повреждения трубопровода, на концы контролируемого участка трубопровода, нахождении разности времени прихода указанных волн, определении местоположения утечки, генерирования высокочастотного колебания в момент местного разрыва или повреждения трубопровода, манипулировании его по фазе модулирующим кодом, содержащим сведения о номере аварийного участка трубопровода и местоположении утечки, формируя тем самым тревожный сигнал с фазовой манипуляцией, усилении сформированного сигнала по мощности, излучении его в эфир, приеме на пункте контроля тревожного фазоманипулированного сигнала на три антенны, расположенные на одной линии, параллельной трубопроводу, в виде отрезка прямой, в центре которого помещают приемную антенну измерительного канала, общую для приемных антенн двух пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной плоскости, образуя тем самым в данной плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми устанавливают неравенство

где λ - длина волны,

при этом меньшей базой d образуют грубую, но однозначную шкалу отсчета угла, а большей базой 2d образуют точную, но неоднозначную шкалу отсчета угла, преобразовании принимаемых сигналов по частоте, выделении напряжения первой промежуточной частоты, повторном преобразовании по частоте напряжения первой промежуточной частоты измерительного канала, выделении напряжении второй промежуточной частоты, перемножении его с напряжением первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, выделении из полученных напряжений гармонических колебаний на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измерении разности фаз между гармоническими колебаниями и напряжением второго гетеродина и оценивании по ним значения азимута поврежденного участка трубопровода, в измерительном канале выделяют ложный сигнал, принимаемый на первой промежуточной частоте, сдвигают его по фазе на +180° и суммируют с исходным ложным сигналом, тем самым подавляя его, напряжение первого гетеродина сдвигают по фазе на +90°, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала на несущей частоте, выделяют напряжение первой промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на +90° и суммируют его с исходным напряжением первой промежуточной частоты, полученное суммарное напряжение первой промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом на несущей частоте, выделяют гармоническое напряжение на частоте первого гетеродина, детектируют его и используют для разрешения повторного преобразования по частоте суммарного напряжения первой промежуточной частоты.

Предлагаемый способ может быть реализован устройством, структурная схема которого представлена на фиг.1.

Схема чувствительного элемента датчика давления изображена на фиг.2.

Временные диаграммы, поясняющие принцип действия способа и устройства, показаны на фиг.3.

Принцип пеленгации поврежденного участка магистрального трубопровода фазовым методом иллюстрируется фиг.4.

Структурная схема пункта контроля представлена на фиг.5.

Устройство содержит место разрыва или повреждения трубопровода 1, две образовавшиеся волны пониженного давления 2, датчики давления 3, усилители-преобразователи 4, управляющий блок 5 клапана, клапан-отсекатель 6, источник 7 питания, обмотку 7.1 и контакты 7.2 реле, ключ 8, счетчик времени 9, вычислительный блок 10, передатчик 11, формирователь кода 12, генератор 13 модулирующего кода, сумматор 14, генератор 15 высокой частоты, фазовый манипулятор 16, усилитель 17 мощности и передающую антенну 18. Датчики 3 давления устанавливаются в начале и конце контролируемого участка трубопровода. К выходу датчика 3 давления последовательно подключены усилитель-преобразователь 4, управляющий блок 5 клапана и клапан-отсекатель 6. К источнику питания 7 последовательно подключены обмотки 7.1 реле и ключ 8, управляющий вход которого соединен с выходам усилителя-преобразователя 4. К выходу датчиков 3 давления последовательно подключены счетчик 9 времени, вычислительный блок 10, формирователь кода 12, сумматор 14, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 модулирующего кода, фазовый манипулятор 16, второй вход которого соединен с выходом генератора 15 высокой частоты, усилитель 17 мощности и передающая антенна 18.

Пункт контроля 23 содержит измерительный канал и два пеленгационных канала. Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 24, узкополосного фильтра 73, фазоинвертора 74, сумматора 75, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны 24, смесителя 27, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 30, усилителя 31 первой промежуточной частоты, сумматора 80, перемножителя 81, второй вход которого соединен с выходом сумматора 75, узкополосного фильтра 82, амплитудного детектора 83, ключа 84, второй вход которого соединен с выходом сумматора 80, смесителя 35, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 34, усилителя 36 второй промежуточной частоты, удвоителя 37 фазы, узкополосного фильтра 38, делителя 39 фазы на два, частотного детектора 40, триггера 41, балансного переключателя 42, второй вход которого соединен с выходом делителя 37 фазы, фазового детектора 43, второй вход которого соединен с выходом усилителя 36 второй промежуточной частоты, и блока 50 регистрации. К второму выходу гетеродина 30 последовательно подключены фазовращатель 76 на 90°, смеситель 77, второй вход которого соединен с выходом сумматора 75, усилитель 78 первой промежуточной частоты и фазовращатель 79 на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 80.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 25 (26), смесителя 28 (29), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 30, усилителя 32 (33) первой промежуточной частоты, перемножителя 44 (45), второй вход которого соединен с выходом усилителя 36 второй промежуточной частоты, узкополосного фильтра 46 (47) и фазового детектора 48 (49), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 34 (узкополосного фильтра 46), выход которого подключен к блоку 50 регистрации.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

В момент местного разрыва или повреждения трубопровода образуется ударная волна пониженного давления. От места разрыва 1 в противоположных направлениях движутся две волны 2 со скоростью С распространения звука в среде. Схема чувствительного элемента датчика давления, измеряющего весьма малые высокочастотные возмущения давления (0,1...0,001 МПа) на фоне значительных, медленно изменяющихся давлений (3...7,5 МПа), изображена на фиг.2, где введены следующие обозначения: 19 - корпус, 20 - входные патрубки, 21 - демпфер, 22 - мембрана.

Сигнал из трубопровода в месте измерения подается одновременно на два входных канала чувствительного элемента, т.е. одно и то же давление действует на мембрану с двух сторон. В одном из каналов имеется многоканальная или резьбовая демпфирующая вставка, которая гасит высокочастотные колебания давления, т.е. является низкочастотным фильтром. При такой схеме включения прибора мембрана будет реагировать только на измеряемую величину, поскольку медленно меняющийся большой фон компенсируется. В усилителе-преобразователе показания прибора преобразуются в электрический сигнал, который интегрируется, и результат сравнивается с известным пороговым значением. В качестве преобразователей используются емкостные или тензометрические датчики. Когда датчик на одном конце участка зафиксирует момент прихода волны возмущения давления, включается счетчик времени 9, который останавливается в момент прихода другой волны к датчику на другом конце участка.

Оценка времени прихода волн осуществляется методом максимального правдоподобия, другими словами, происходит фильтрация высокочастотных возмущений давления от помех большой интенсивности и оценка их времени прихода.

Определив разность времени прихода волн (t₁, t₂) на конце контролируемого участка протяженностью l (фиг.1), в вычислительном блоке 10 определяется местоположение утечки:

где V_cp - средняя скорость движения транспортируемого продукта (вода, нефть, газ и т.п.).

При повышении порогового значения в усилителе-преобразователе 4 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий блок 5 клапана и на управляющий вход ключа 8, открывая его. В исходном состоянии ключ 8 всегда закрыт. При этом управляющий блок 5 включает клапан-отсекатель 6, а обмотка 7.1 реле через открытый ключ 8 замыкается на землю, реле срабатывает и замыкает контакты 7.2, через которые напряжение питания подается на передатчик 11.

После включения передатчика 11 высокочастотное колебание (фиг.3,а)

где U_c, ω_с, ϕ_с - амплитуда, несущая частота и начальная фаза высокочастотного колебания,

с выхода задающего генератора 15 поступает на первый вход фазового манипулятора 16.

Место разрыва Хо трубопровода в формирователе 12 кода преобразуется в соответствующий код, состоящий из m элементарных посылок. Генератор 13 формирует код, состоящий из n элементарных посылок, количество которых отражает номер контролируемого участка трубопровода. Указанные элементарные посылки суммируются в сумматоре 14 (N=n+m), и образуется модулирующий код M(t) (фиг.3,б), который поступает на второй вход фазового манипулятора 16. В результате фазовой манипуляции на выходе фазового манипулятора 16 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.3.в)

где ϕ_K(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_K(t)=const при kτ_Э<t<(k+1)τ_Э и может изменяться скачком при 1=kτ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=0,1,2,...,N-1);

τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_C (Т_с=Nτ_Э).

Этот сигнал после усиления в усилителе 17 мощности излучается передающей антенной 18 в эфир.

На пункте контроля 23 принимают ФМн-сигнал с нестабильной несущей частотой на три приемные антенны 24-26:

где ±Δω - нестабильность несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами,

который поступает на первые входы смесителей 27-29, 77, на вторые входы которых подается напряжение первого гетеродина 30:

При этом у сумматора 75 работает только одно плечо

Частота настройки узкополосных фильтров 73 и 82 выбирается следующим образом:

ω_н1=ω_пр1, ω_н2=ω_г1.

На выходах смесителей 27-29, 77 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 31-33, 78 выделяют напряжения первой промежуточной частоты:

где U_пр1=¹/₂К₁U₁U_Г1, U_пр2=¹/₂К₁U₂U_Г1, U_пр3=¹/₂К₁U₃U_Г1,

ω_пр1=ω_с-ω_г1 - первая промежуточная частота,

ϕ_пр1=ϕ₁-ϕ_Г1, ϕ_пр2=ϕ₂-ϕ_Г1, ϕ_пр3=ϕ₃+ϕ_Г1,

K₁ - коэффициент передачи смесителей.

В измерительном канале напряжение u_пр4(t) с выхода усилителя 78 первой промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 79 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

Напряжение U_пр4(t) и U_пр5(t) поступают на два входа сумматора 80, на выходе которого образуется суммарное напряжение

где UΣ₁=2U_пр1.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 81, на первый вход которого поступает принимаемый сигнал u₁(t). На выходе перемножителя 81 образуется напряжение

где U₄=¹/₂K₃U₁UΣ₁,

К₃ - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется узкополосным фильтром 82, дискредитируется амплитудным детектором 83 и поступает на управляющий вход ключа 84, открывая его. В исходном состоянии ключ 84 всегда закрыт.

При этом напряжение uΣ₁(t) с выхода сумматора 80 через открытый ключ 84 поступает на первый вход смесителя 35, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 34

На выходе смесителя 35 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 36 выделяется напряжение второй промежуточной частоты (фиг.3,г)

где U_пр6=¹/₂K₁UΣ₁U_Г2;

ω_пр2=ω_пр1-ω_г2 - вторая промежуточная частота,

ϕ_пр6=ϕ_пр1-ϕ_Г2.

Это напряжение поступает на первый вход фазового детектора 43 и на вход удвоителя 37 фазы. Так как 2ϕ_к(0={0,2π}, то в выходном напряжении удвоителя 37 фазы (фиг.3.д)

,

манипуляция фазы уже отсутствует. Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 38, а затем делится по фазе на два в делителе фазы 39 (фиг.3.е)

.

Начальная фаза полученного напряжения может иметь два устойчивых значения ϕ_пр4 и ϕ_пр4+π. Это легко показать аналитически. Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на л:

Следовательно, двузначность фазы полученного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя 39 фазы на два. Это явление "обратной работы" присуще всем устройствам (Пистолькорса А.А., Сифорова В.И, Костаса Д.Ф., Травина Г.А.), которые выделяют опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов, непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала.

Явление "обратной работы" обусловлена скачкообразными переходами фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ_пр4 в другое ϕ_пр4+π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМн-сигнала происходят в случайные моменты времени (например, t₁, t₁) (фиг.3,е). При этом на выходе фазового детектора 43 выделяется искаженный аналог модулирующего кода M₁(t) (фиг.3,ж), что значительно снижает достоверность приема информации, содержащейся в модулирующем коде M(t) (фиг.3,б).

Для стабилизации фазы опорного напряжения и устранения явления "обратной работы" используются частотный детектор 40, триггер 41 и балансный переключатель 42.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180° в момент времени t₁ (фиг.3,е) на выходе частотного детектора 40 появляется положительный короткий импульс, а при скачке фазы на -180° в момент времени t₂ (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) - отрицательный импульс (фиг.3,3). Знакочередующие импульсы с выхода частотного детектора 40 управляют работой триггера 41, выходное напряжение которого (фиг.3,и), в свою очередь, управляет работой балансного переключателя 42.

В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн-сигнала, на выходе триггера 41 образуется отрицательное напряжение и балансный переключатель находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение поступает с выхода делителя 39 фазы на опорный вход фазового детектора 43 без изменения.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180°, обусловленным, например, неустойчивой работой делителя 39 фазы под действием помех, триггер 41 положительным импульсом с выхода частотного детектора 40 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 41 в момент времени t₁ становится и остается положительным до очередного скачка фазы в момент времени t₂, который возвращает фазу опорного напряжения в первоначальное состояние. Положительное выходное напряжение триггера 41 переводит балансный переключатель 42 в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выхода делителя 39 фазы поступает на опорный вход фазового детектора 43 с изменением фазы на -180°. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения и связанную с ней "обратную работу".

Следовательно, частотный детектор 40 обеспечивает обнаружение момента возникновения "обратной работы", а триггер 41 и балансный переключатель 42 устраняют ее.

При этом на опорный вход фазового детектора 43 поступает опорное напряжение со стабильной фазой (фиг.3,к)

На выходе фазового детектора 43 образуется низкочастотное напряжение (фиг.3,л)

К₂ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M₂(t).

Одновременно напряжение второй промежуточной частоты U_пp6(t) с выхода усилителя 36 второй промежуточной частоты поступает на вторые входы перемножителей 44 и 45, на первые входы которых подаются напряжения u_пp2(t) и u_пр3(t) с выходов усилителей 32 и 33 первой промежуточной частоты соответственно. На выходах перемножителей 44 и 45 образуются гармонические колебания:

К₃ - коэффициент передачи перемножителей;

α - азимут поврежденного участка магистрального трубопровода (фиг.4),

которые выделяются узкополосными фильтрами 46, 47 и поступают на первые входы фазовых детекторов 48, 49 соответственно. На второй вход фазового детектора 48 подается напряжение u_Г2(t) гетеродина 34, на второй вход фазового детектора 49 подается гармоническое колебание u₈(t) с выхода узкополосного фильтра 46.

Знаки "+" и "-" перед фазовыми сдвигами Δϕ₁ и Δϕ₂ соответствуют диаметрально противоположным положениям приемных антенн 25 и 26 относительно антенны 24. На выходах фазовых детекторов 48 и 49 образуются постоянные напряжения:

которые фиксируются блоком 50 регистрации.

Приемные антенны 24...26 размещают таким образом, что измерительные базы образуют отрезок прямой, в центре которого помещают приемную антенну 24 измерительного канала (фиг.4). При этом меньшей базой d образуют грубую, но однозначную шкалу пеленгации, а большей базой 2d - точную, но неоднозначную шкалу пеленгации:

Так предполагается использовать фазовый метод пеленгации поврежденного участка магистрального трубопровода с помощью трех приемных антенн, расположенных на пункте приема, в виде отрезка прямой, параллельной магистральному трубопроводу на некотором расстоянии R₁ от него.

Зная расстояние R₁ и измерив угловую координату α, можно точно и однозначно определить координаты поврежденного участка магистрального трубопровода. Данные сведения уточняются модулирующим кодом M(t), который выделяется из принимаемого ФМн-сигнала путем его синхронного детектирования. В модулирующем коде M(t) содержится информация о номере поврежденного участка магистрального трубопровода и местоположении повреждения участка.

Предлагаемый способ инвариантен к нестабильности несущей частоты и виду модуляции (манипуляции) принимаемых сигналов, так как пеленгацию поврежденного участка магистрального трубопровода осуществляют на стабильной частоте ω_Г2 второго гетеродина 34. Предлагаемый способ позволяет регистрировать аварийные участки транспортируемого продукта весьма малой величины (менее 1%) вдоль участков магистральных трубопроводов протяженностью от нескольких сот метров до нескольких километров с точностью не ниже 0,1% (неопределенность Δx<30 м).

Описанная выше работа предлагаемого способа и устройства для его реализации соответствует случаю размещения пункта приема на земле на некотором расстоянии от магистрального трубопровода.

Для контроля протяженных магистральных трубопроводов пункт контроля размещают на борту космического аппарата, проекцию траектории полета которого располагают вблизи магистрального трубопровода параллельно ему. Причем приемные антенны располагают на концах специальных панелей в виде геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну 24 измерительного канала, общую для приемных антенн 25 и 26, 51 и 52 пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной (горизонтальной) и угломестной (вертикальной) плоскостях, по два на каждую плоскость, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми устанавливают неравенство

где λ - длина волны,

при этом меньшие базы d образуют грубые, но однозначные шкалы отсчета углов α и β, а большие базы 2d образуют точные, но неоднозначные шкалы отсчета углов α и β, где α - азимут места повреждения магистрального трубопровода, β - угол места повреждения магистрального трубопровода (фиг.6).

При этом дополнительные два пеленгационных канала, каждый из которых состоит из последовательно включенных приемной антенны 51 (52), смесителя 53 (54), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 30, усилителя 55 (56) первой промежуточной частоты, перемножителя 57 (58), второй вход которого соединен с выходом усилителя 36 второй промежуточной частоты, узкополосного фильтра 59 (60) и фазового детектора 61 (62), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 34 (узкополосного фильтра 59), а выход подключен к блоку 50 регистрации, обеспечивают точное и однозначное определение угла места β поврежденного участка магистрального трубопровода и работают так же, как два пеленгационных канала в азимутальной плоскости (фиг.7). В этом случае блоком 50 регистрации фиксируются манипулирующий код M(t), азимут α и угол места β поврежденного участка магистрального трубопровода

Для контроля протяженных магистральных трубопроводов пункт контроля размещают на борту самолета, пролетающего над магистральным трубопроводом. Причем четыре приемные антенны 25 и 26, 51 и 52 располагают на концах фюзеляжа и крыльев в виде геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну 24 измерительного канала (фиг.8). Состав и работа измерительного и четырех пеленгационных каналов те же, что и для космического аппарата (фиг.7).

Для контроля протяженных магистральных трубопроводов пункт контроля располагают на борту вертолета, пролетающего над магистральным трубопроводом.

Решение данной задачи требует высокоточной координатометрии, что применительно к вертолету имеет свои особенности. Наличие вращающихся винтов может быть использовано как положительный фактор для определения направления на источник излучения ФМн-сигнала (поврежденный участок магистрального трубопровода) с помощью пеленгационного устройства, четыре приемные антенны 25 и 26, 51 и 52 которого расположены на концах четырех лопастей несущего винта, а приемная антенна 24 измерительного канала размещена над втулкой винта (фиг.9).

Пеленгационные каналы в этом случае имеют следующие отличия: к выходу узкополосного фильтра 46 (59) последовательно подключены перемножитель 48 (63), второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 47 (60), узкополосный фильтр 47 (60), узкополосный фильтр 49 (64) и фазометр 70 (72), второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 68, а выход подключен к блоку 50 регистрации. К выходу узкополосного фильтра 47 (60) последовательно подключены линия задержки 61 (65), фазовый детектор 62 (66) и фазометр 69 (71), второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 68, а выход подключен к блоку 50 регистрации. Двигатель 67 кинетически связан с винтом вертолета и опорным генератором 68 (фиг.10).

Пеленгацию источника излучения ФМн-сигнала (поврежденного участка магистрального трубопровода) в двух плоскостях осуществляют дифференциально-фазовым методом с использованием обусловленной эффектом Доплера фазовой модуляцией, возникающей при круговом вращении приемных антенн 25 и 26, 51 и 52 вокруг приемной антенны 24.

В этом случае принимаемые антеннами 24, 25, 26, 51 и 52 ФМн-сигналы:

где R - радиус окружности, на которой расположены приемные антенны 25, 26, 51 и 52 (длина лопастей винта вертолета);

Ω - скорость вращения винта вертолета,

преобразуются по частоте, перемножаются и узкополосными фильтрами 46, 47, 59 D выделяются следующие напряжения:

Эти напряжения обрабатываются двумя автокорреляторами, каждый из которых состоит из фазового детектора 62 (66) и линии задержки 61 (65), что способствует уменьшению индекса фазовой модуляции Δϕ_m=2πR/λ и устранению неоднозначности отсчета углов α и β.

На выходе автокорреляторов образуются напряжения:

которые поступают на первые входы фазометров 69 к 70, на вторые входы которых подается напряжение опорного гетеродина 68

Измеренные фазометрами 69 и 70 угловые координаты фиксируются блоком 50 регистрации.

Описанная выше работа предлагаемого способа и устройства для его реализации соответствует случаю приема полезных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте ω_C (фиг.11).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте ω₃

то усилителями 31 и 78 первой промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

где U_ПР7=1/2K₁U_ЗU_Г1;

ω_пр1=ω_г1-ω₃ - первая промежуточная частота;

ϕ_пр7=ϕ_г1-ϕ₃.

Напряжение U_пp8(t) с выхода усилителя 78 первой промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 79 на 90°, на выходе которого образуется напряжение:

Напряжения U_пp7(t) и U_пp9(t), поступающие на два входа сумматора 80, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω_З, подавляется.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω_k1.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2

то усилителями 31 и 78 первой промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

где U_ПР10=1/2K₁U_К2U_Г1;

ω_пр1=ω_К2-2ω_Г1 - первая промежуточная частота;

ω_пр10=ϕ_К2-ϕ_Г1.

Напряжения U_пp11(t) с выхода усилителя 78 первой промежуточной частоты поступают на вход фазовращателя 79 на 90°, на выходе которого образуется напряжение:

Напряжения u_пр10(t) и U_пр12(t) поступают на два входа сумматора 80, на выходе которого образуется суммарное напряжение:

где UΣ₂=2U_пр10.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 81, на первый вход которого поступает принимаемый ложный сигнал (помеха) u_к2(t). На выходе перемножителя 81 образуется напряжение:

где U₇=¹/₂K₃UΣ₂U_K2,

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 82. Ключ 84 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω_к3, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимаемается по каналу прямого прохождения на частоте ω_пр1

то он выделяется узкополосным фильтром 73 и инвертируется по фазе на 180° в фазоинверторе 74, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения u_п(t) и u'_п (t), поступающие на два входа сумматора 75, на его выходе, компенсируются.

Предлагаемый способ обеспечивает передачу по радиоканалу тревожного сигнала о месте возникновения утечек в магистральных трубопроводах на пункт контроля. При этом тревожный сигнал манипулируется по фазе, что позволяет применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Для выделения модулирующего кода M(t) из принимаемого ФМн-сигнала используется его синхронное детектирование на пункте контроля.

Причем опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигнала, выделяется непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала, а возникающее при этом явление "обратной работы" устраняется частотным детектированием, триггером и балансным переключателем. Для контроля протяженных магистральных трубопроводов пункт контроля размещают на летательном аппарате (космическом аппарате, самолете или вертолете).

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости и точности фазовой пеленгации местонахождения утечки в магистральном трубопроводе.

Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам. Причем ложные сигналы (помехи), принимаемые по зеркальному каналу на частоте ω_З и по первому комбинационному каналу на частоте ω_К1, подавляются фазокомпенсационным методом, который реализуется “внешним” кольцом, состоящим из смесителей 27 и 77, гетеродина 30, фазовращателей 76 и 79 на +90°, усилителей 31 и 78 первой промежуточной частоты и сумматора 80. Ложные сигналы (помехи), принимаемые по второму комбинационному каналу на частоте ω_K2, подавляются, методом узкополосной фильтрации, который реализуется “внутренним кольцом”, состоящим из перемножителя 81, узкополосного фильтра 82, амплитудного детектора 83 и ключа 84. Ложные сигналы (помехи), принимаемые по каналу прямого прохождения на частоте ω_пр1, подавляются фазокомпенсационным методом, который реализуется “фильтром-пробкой”, состоящим из узкополосного фильтра 73, фазоинвертора 74 и сумматора 75.

Формула изобретения

Способ определения местоположения утечек в магистральных трубопроводах, преимущественно нефтепроводах, основанный на регистрации времени прихода двух ударных волн пониженного давления, образующихся в момент местного разрыва или повреждения трубопровода, на концы контролируемого участка трубопровода, нахождении разности времени прихода указанных волн, определении местоположения утечки, генерирования высокочастотного колебания в момент местного разрыва или повреждения трубопровода, манипулировании его по фазе модулирующим кодом, содержащим сведения о номере аварийного участка трубопровода и местоположении утечки, формируя тем самым тревожный сигнал с фазовой манипуляцией, усилении сформированного сигнала по мощности, излучении его в эфир, приеме на пункте контроля тревожного фазоманипулированного сигнала на три антенны, расположенные на одной линии, параллельной трубопроводу, в виде отрезка прямой, в центре которого помещают приемную антенну измерительного канала, общую для приемных антенн двух пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной плоскости, образуя тем самым в данной плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми устанавливают неравенство

где λ - длина волны,

при этом меньшей базой d образуют грубую, но однозначную шкалу отсчета угла, а большей базой 2d образуют точную, но неоднозначную шкалу отсчета угла, преобразовании принимаемых сигналов по частоте, выделении напряжения первой промежуточной частоты, повторном преобразовании по частоте напряжения первой промежуточной частоты измерительного канала, выделении напряжения второй промежуточной частоты, перемножении его с напряжением первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, выделении из полученных напряжений гармонических колебаний на частоте второго гетеродина с сохранением фазовых соотношений, измерении разности фаз между гармоническими колебаниями и напряжением второго гетеродина и оценивании по ним значения азимута поврежденного участка трубопровода, отличающийся тем, что в измерительном канале выделяют ложный сигнал, принимаемый на первой промежуточной частоте, сдвигают его по фазе на +180° и суммируют с исходным ложным сигналом, тем самым подавляя его, напряжение первого гетеродина сдвигают по фазе на +90°, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала на несущей частоте, выделяют напряжение первой промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на +90° и суммируют его и исходным напряжением первой промежуточной частоты, полученное суммарное напряжение первой промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом на несущей частоте, выделяют гармоническое напряжение на частоте первого гетеродина, детектируют его и используют для разрешения повторного преобразования по частоте суммарного напряжения первой промежуточной частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11