Устройство для локализации места утечки жидкости из трубопровода

 

Изобретение относится к средству неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов и их локализации, при этом в качестве контролируемого материала используется трубопровод для транспортировки текущего вещества. Технической задачей изобретения является повышение точности определения местонахождения течи. Устройство содержит генератор 1 гармонического колебания, подключенный одним электродом к земле 2, а вторым выходом к трубопроводу 3, первую рамочную антенну 4, первый приемник 5, первый полосовой фильтр 6, амплитудный детектор 7, индикатор 8 трассы, второй приемник 9, второй полосовой фильтр 10, вычитатель 11, первый фазовый детектор 12, первый интегратор 13, регулируемый усилитель 14, синхронный детектор 15, схему 16 фазовой автоподстройки частоты, второй фазовый детектор 17, второй интегратор 18, схему 19 выборки и хранения, индикатор 20 течи, генератор 21 импульсов, схему 22 задержки, блок 23 эталонных частот, первый смеситель 24, усилитель 25 первой промежуточной частоты, второй смеситель 26, усилитель 27 второй промежуточной частоты и измеритель 28 частоты. 2 ил.

Устройство относится к средствам неразрушающегося контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов и их локализации, при этом в качестве контролируемого материала используется трубопровод для транспортировки текущего вещества.

Известны устройства для обнаружения места течи в трубопроводах (Авт. свид. СССР 336.463, 380.910, 411.268, 417.675, 806.984, 932.098, 941.776, 1.013.704, 1.079.946, 1.208.402, 1.778.597, 1.781.577, 1.800.219; патенты РФ 2.011.110, 2.036.372, 2.047.815, 2.053.436, 2.084.757; патенты США 4.289.019, 4.570.477; патенты Великобритании 1.349.120; патенты Франции 2.498.325, 2.504.656; патенты ФРГ 3.112.829; патенты Японии 59-38537, 63-22531; Яковлев Е. И. и др. Трубопроводный транспорт жидкости и газа. - М., 1993 и др.).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для локализации места утечки жидкости из трубопровода" (Авт. свид. СССР 1.781.577, G 01 M 3/18, 1990), которое и выбрано в качестве прототипа.

Данное устройство обеспечивает возможность для компенсации электромагнитного излучения от трубопровода и для фиксирования электромагнитного излучения, обусловленного течью из трубопровода. При этом на выходе синхронного детектора формируется амплитуда сигнала течи совместно с помехами, при интегрировании которых на выходе второго интегратора формируется сигнал с большим отношением уровня выделенного сигнала к уровню помех. При перемещении антенн из точки поверхности O₁ вдоль трассы трубопровода к точке O₂ места течи индикатором будет отслеживаться рост напряжения до максимальной величины. Появление максимума напряжения будет соответствовать росту течи в трубопроводе.

Однако в этом случае отсутствует явно выраженный максимум напряжения (точка экстремума), что снижает точность местонахождения утечки в трубопроводе. Кроме того, возможны ложные максимумы напряжения, обусловленные различными факторами.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения местонахождения течи.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для локализации места утечки жидкости из трубопровода, содержащее генератор гармонического колебания, подключенный одним выводом к земле, а другим предназначенный для подключения к трубопроводу, первую рамочную антенну, соединенный с ней первый приемник, включающий в себя последовательно соединенные первый полосовой фильтр, амплитудный детектор и индикатор трассы, вторую рамочную антенну, плоскость которой ориентирована под углом 90^o к плоскости первой рамочной антенны, соединенный с ней второй приемник, включающий в себя последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вычитатель, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый интегратор, регулируемый усилитель, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, вычитатель, схему фазовой автоподстройки частоты, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом вычитателя, второй интегратор, второй вход которого через схему задержки соединен с выходом генератора импульсов, схему выборки и хранения, второй вход которой соединен с выходом генератора импульсов, и индикатор течи, введены два смесителя, блок эталонной частоты, усилитель первой промежуточной частоты, усилитель второй промежуточной частоты и измеритель частоты, причем к выходу вычитателя последовательно подключены первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом блока эталонных частот, усилитель первой промежуточной частоты, второй смеситель, второй вход которой соединен с вторым выходом блока эталонных частот, усилитель второй промежуточной частоты и измеритель частоты.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1; функциональная схема первого и второго приемников изображена на фиг.2.

Устройство для локализации места утечки жидкости из трубопровода содержит генератор 1 гармонического колебания, подключенный одним электродом к земле 2, а вторым выводом к трубопроводу 3, первую рамочную антенну 4, подключенную к первому приемнику 5, включающему в себя последовательно соединенные первый полосовой фильтр 6, амплитудный детектор 7 и индикатор трассы 8, вторую рамочную антенну 23, плоскость которой ориентирована под углом 90^o к плоскости первой рамочной антенны 4, соединенный с ней второй приемник 9, включающий в себя последовательно соединенные второй полосовой фильтр 10, вычитатель 11, первый фазовый детектор 12, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 6, первый интегратор 13, регулируемый усилитель 14, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 6, вычитатель 11, схему фазовой автоподстройки частоты 16, второй фазовый детектор 17, второй вход которого соединен с выходом вычитателя 11, второй интегратор 18, второй вход которого через схему задержки 22 соединен с выходом генератора 21 импульсов, схему 19 выборки и хранения, второй вход которой соединен с выходом генератора 21 импульсов, и индикатор 20 течи, последовательно подключенные к выходу вычитателя 11 первый смеситель 24, второй вход которого соединен с первым выходом блока 23 эталонных частот, усилитель 25 первой промежуточной частоты, второй смеситель 26, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 23 эталонных частот, усилитель 27 второй промежуточной частоты и измеритель 28 частоты.

Точное определение места утечки жидкости из подземного трубопровода основано на измерении радиальной скорости передвижения рамочной антенны 23 относительно места утечки жидкости. При этом используется эффект Доплера, сущность которого заключается в том, что частота f принимаемых колебаний отличается от частоты f₀ излучаемых колебаний, если излучатель и приемник перемещаются относительно друг друга.

Как известно из общих положений теории относительности, связь между частотами f и f₀, измеренными соответственно в движущейся и неподвижной системе отсчета, определяется соотношением где f - частота принимаемых колебаний; f₀ - частота излучаемых колебаний; С - скорость света; V - радиальная составляющая скорости перемещения рамочной антенны 23.

Поскольку то выражение (1) можно записать в виде Ограничиваясь первыми двумя слагаемыми в правой части последнего равенства, получаем где F_q - доплеровское смещение частоты; - длина волны излучаемых колебаний.

Замена точного соотношения (1) приближенным (3) обуславливает методическую погрешность измерения радиальной скорости. Из соотношения (2) следует, что в рассматриваемом случае частота принимаемых колебаний будет отличаться от частоты излучаемых колебаний даже в том случае, когда радиальная составляющая скорости равна нулю. Это изменение частоты принимаемого сигнала связывают с так называемым поперечным эффектом Доплера. В данном случае он входит в методическую ошибку измерения.

Если генератором 1 гармонических колебаний излучаются колебания с частотой f₀, приемником 9, перемещающимся относительно места утечки жидкости из трубопровода, фиксируют колебания с частотой
Работа устройства заключается в следующем.

Посредством генератора 1 в трубопроводе 3 возбуждается электромагнитная волна. Возбуждение электромагнитной волны производится так же и в жидкости через проводящий слой трубопровода. Но тогда возбужденный трубопровод и жидкость, истекающая из течи, будут создавать вокруг себя вторичные электромагнитные поля (ЭВП). В первой антенне 4 будет наводиться ЭДС за счет магнитного поля трубопровода. Во второй антенне 23 будет наводиться ЭДС за счет магнитного поля самой течи. Но ЭВП, возбуждаемое трубопроводом, будет существенно больше ЭМП, возбуждаемого течью, так как электропроводность трубопровода на несколько порядков (10⁺⁷10⁺⁸) больше электропроводности течи (жидкости). Отсюда ЭДС, возникающая в первой антенне 4, будет на несколько порядков больше ЭДС, возникающей во второй антенне 23. К тому же за счет конечных размеров второй антенны 23 ЭДС в ней будет наводиться от трубопровода, при этом ЭДС, наводимая от трубопровода, во второй антенне 23 будет соизмерима с ЭДС, наводимой от самой течи.

Таким образом, ЭДС, возникающая во второй антенне 23, будет состоять из двух частей, т.е.

где E₂₀₁ - амплитуда сигнала, наводимого от трубопровода в одной из точек O₁ трассы трубопровода во второй антенне 23; ₀ - циклическая частота, возбуждаемая генератором 1; ₂₀₁ - набег фазы, полученный при распространении возбуждаемой волны генератором 1 в самом трубопроводе и в среде вокруг трубопровода до точки O₁; E₄₀₁ - амплитуда сигнала, наводимого от самой течи в одной из точек O₁ трассы трубопровода во второй антенне 23; ₄₀₁ - набег фазы, полученный при распространении возбуждаемой генератором 1 волны в жидкости трубопровода и в среде вокруг течи до точки O₁.

Так как фазовые набеги ₂₀₁ и ₄₀₁ определяются средой распространения ЭМП, от проводимости сред (трубопровод и жидкость) существенно различны, поэтому и эти фазовые набеги будут различны.

В первой антенне 4 будет возбуждаться ЭДС, обусловленная магнитным полем трубопровода, т.е.

l₁(t) = E₁₀₁Sin(₀t+₀+₁₀₁),
где E₁₀₁ - амплитуда сигнала, наводимого от трубопровода в одной из точек O₁ трассы трубопровода в первой антенне 4; ₁₀₁ - набег фазы, полученный при распространении возбуждаемой волны генератором 1 в самом трубопроводе и в среде вокруг трубопровода до точки O₁.

Но набеги фаз ₁₀₁-₂₀₁, так как обусловлены распространением волны в одной и той же среде и порождены от одного источника измерения - трубопровода. Кроме того, как было выше показано, ЭДС E₂₀₁<, так как совместно с напряжениями l₁(t) и l₂(t) возможно существование помех, то входные напряжения с выходов первой 4 и второй 23 антенн предварительно фильтруются полосовыми фильтрами 6 и 10. Отфильтрованное напряжение с выхода полосового фильтра 10 поступает на суммирующий вход схемы вычитания 11, а отфильтрованное напряжение с выхода полосового фильтра 6 поступает на опорный вход фазового детектора 12 и через управляющий усилитель 14 поступает на вычитающий вход схемы вычитания 11, на выходе вычитателя 11 формируется разностное напряжение

где V₄ - амплитуда отфильтрованного сигнала, обусловленного течью;₄ - суммарная начальная фаза сигнала, обусловленного течью; V₂ - амплитуда отфильтрованного сигнала, обусловленного трубопроводом в антенне 23; ₂ - суммарный набег фазы сигнала, обусловленного трубопроводом во второй антенне 23; V₁ - амплитуда отфильтрованного сигнала, обусловленного трубопроводом в первой антенне 4; К - коэффициент передачи управляемого усилителя 14; ₁ - суммарный набег фазы сигнала, обусловленного трубопроводом в первой антенне 4.

Как было выше показано, суммарные набеги фаз равны, т.е. ₁ = ₂, отсюда сигналы, обусловленные трубопроводом в первой 4 и второй 23 антеннах будут синфазны. Тогда посредством фазового детектора 12, интегратора 13, регулируемого усилителя 14 совместно с вычитателем 11 проводится динамическое поддержание равенства амплитуд напряжений, т.е. V₂=KV₁, в результате напряжение на выходе вычитателя 11 будет представлять собой только напряжение, обусловленное течью, т.е.

U₀(t) = V₄Sin(₀t+₄). (7)
Если V₂KV₁, то на выходе вычитателя 11 будет часть разностного напряжения U_p(t), синфазного с напряжением l₁(t), и на выходе фазового детектора 12 будет постоянная составляющая, интегрирование которой приведет к формированию управляющего напряжения, регулирующего коэффициент передачи усилителя 14. Так, если V₁>V₂, при этом наклон регулировочной характеристики усилителя 14 должен соответствовать положительным значениям производной K(V), то при появлении напряжения коэффициент усиления станет уменьшаться до такой величины, пока не сможет выполняться равенство V₂=KV₁. Так как напряжение, обусловленное течью, на выходе вычитателя будет порядка уровня шумов, то его выделение производится посредством синхронного детектора 15. На выходе синхронного детектора 15 формируется амплитуда сигнала течи совместно с помехами, при интегрировании которых на выходе второго интегратора 18 можно формировать сигнал с большим отношением уровня выделенного сигнала к уровню помех, определенному как

где V_сд - амплитуда выделяемого напряжения течи на выходе синхронного детектора 15; Д - дисперсия помех на выходе синхронного детектора 15; f - эффективная шумовая полоса фильтра; Т - время интегрирования.

При этом отношение С/п будет зависеть только от времени интегрирования Т при постоянных значениях остальных параметров. Время интегрирования задается периодом следования импульсов генератора 21. В момент действия этого импульса производится запись накопленной величины в схему 19 выборки и хранения, а также передача ее на индикатор 20. После записи, через время задержки, задаваемого схемой задержки 22, производится сброс напряжения на выходе интегратора 18 на нулевое значение. При перемещении антенн 4, 23 из точки поверхности O₁ вдоль трассы трубопровода к точке О₂ места течи индикатором 20 будет отслеживаться рост напряжения до максимальной величины. Появление максимума напряжения будет соответствовать росту течи в трубопроводе.

Для точного определения места течи в предлагаемом устройстве измеряется радиальная скорость перемещения приемной антенны 23. С этой целью необходимо осуществлять многократное преобразование частоты принимаемых колебаний. Оно необходимо потому, что относительное значение доплеровского сдвига F_q/f₀, равное отношению скорости VR/C, не превышает 10^-4. В этих условиях выделение доплеровского сдвига при однократном преобразовании частоты требует использования контуров с очень высокой, практически недостижимой добротностью.

Напряжение U₀(t) с выхода вычитателя 11, обусловленное только течью жидкости из трубопровода, поступает на первый вход смесителя 24, на второй вход которого подается опорный сигнал на частоте ₁ с первого выхода блока 23 эталонных частот
U₁(t) = V₁cos(₁t+₁).
На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 25 выделяется напряжение первой промежуточной (разностной) частоты
U_пр1(t) = V_пр1cos(_пр1t+_пр1),
где V_пр1=1/2 K₁V₄V₁; K₁ - коэффициент передачи смесителя; _пр1 = -₁ = ₀+2F_q-₁ - первая промежуточная частота; _пр1 = ₄-₁.
Напряжение U_пp1(t) с выхода усилителя 25 первой промежуточной частоты поступает на первый вход смесителя 26, на второй вход которого подается опорный сигнал с второго выхода блока 23 эталонных частей
U₂(t)=V₂Cos(₂t+₂),
где ₂ = ₀-₁-2F₀; F₀ - частота подставки, которая вводится для определения знака доплеровского смещения F_q.

Номинал частоты подставки выбирается из условия

На выходе смесителя 26 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 27 второй промежуточной частоты выделяется напряжение второй промежуточной частоты
U_пp2(t)=V_пр2Cos(_пр2t+_пр2),
где V_пр2=1/2 K₁V_пр1V₂;

B зависимости от того, f_пp2>F₀ или f_пp2<F, определяется измерителем 28 частоты знак доплеровского смещения, а следовательно, и направление радиальной скорости, т.е. приближается приемная антенна 23 к месту течи жидкости из трубопровода или удаляется от него. По изменению знака доплеровского смещения точно определяется место течи жидкости из трубопровода.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение точности определения местонахождения течи жидкости из трубопровода. Это достигается использованием доплеровского смещения, по знаку которого определяется место повреждения трубопровода.

Формула изобретения

Устройство для локализации места утечки жидкости из трубопровода, содержащее генератор гармонического колебания, подключенный одним выводом к земле, а другим предназначенный для подключения к трубопроводу, первую рамочную антенну, соединенный с ней первый приемник, включающий в себя последовательно соединенные первый полосовой фильтр, амплитудный детектор и индикатор трассы, вторую рамочную антенну, плоскость которой ориентирована под углом 90^o к плоскости первой рамочной антенны, соединенный с ней второй приемник, включающий в себя последовательно соединенные второй полосовой фильтр, вычитатель, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый интегратор, регулируемый усилитель, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, вычитатель, схема фазовой автоподстройки частоты, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом вычитателя, второй интегратор, второй вход которого через схему задержки соединен с выходом генератора импульсов, схема выборки и хранения, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, и индикатор течи, отличающееся тем, что в него введены два смесителя, усилитель первой промежуточной частоты, усилитель второй промежуточной частоты, блок эталонных частот, и измеритель частоты, причем к выходу вычислителя последовательно подключены первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом блока эталонных частот, усилитель первой промежуточной частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом блока эталонных частот, усилитель второй промежуточной частоты и измеритель частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2