устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе

Формула изобретения

Устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе, включающее приемник и передатчик электромагнитных сигналов, выход последнего соединен с излучающей антенной, сигналы которой улавливает антенна переносного приемника, расположенного над трубопроводом на поверхности грунта, выход которой соединен с усилителем, а также последовательно включенные делитель частоты, первый фазовый детектор, генератор, управляемый напряжением, кварцевый фильтр, дешифратор и устройство контроля и индикации, при этом вход делителя частоты соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, отличающееся тем, что оно снабжено удвоителем фазы, двумя узкополосными фильтрами, делителем фазы на два, двумя измерителями ширины спектра, блоком сравнения, пороговым блоком, ключом и вторым фазовым детектором, причем к выходу усилителя последовательно подключены удвоитель фазы, первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, второй измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через первый измеритель ширины спектра соединен с выходом усилителя, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя, а выход подключен к второму входу устройства контроля и индикации, второй вход первого фазового детектора соединен с выходом ключа, передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и усилителя мощности, выход которого является выходом передатчика.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к трубопроводному транспорту, в частности к эксплуатации магистральных и промысловых трубопроводов, и предназначено для поиска и определения местонахождения с поверхности грунта застрявших и контроля прохождения движущихся очистных и диагностических устройств (снарядов).

Известен комплекс “Пума-1”, предназначенный для определения местонахождения рабочего снаряда в трубопроводе, включающий передатчик и приемник.

Передатчик устанавливается на тыльной по ходу движения стороне снаряда и предназначен для генерирования электромагнитных сигналов и передачи их через стенку трубопровода и грунт для определения местоположения специальных технических объектов внутри трубопровода с помощью приемника (Техническое описание и инструкция по эксплуатации комплекса “Пума-1”, утвержденное главным инженером ВНПО “Союзгазавтоматика” и согласованное с начальником управления по транспортировке и поставке газа НИИгазпрома СССР, 11.12.1982 г.).

Недостатком этого комплекса являются ограниченные возможности по чувствительности, стабильности и быстродействию, так как в качестве задающего частоту генератора используют мультивибратор, частота которого нестабильна, что ухудшает идентификацию поступающих сигналов по частоте и длительности.

Основные параметры комплекса “Пума-1”: частота излучаемого и преобразуемого сигнала 20 Гц, длительность пачки импульсов 0,5 с, скважность 0,5. Для подтверждения достоверности принимаемого сигнала с помощью указанного комплекса необходимо проанализировать не менее трех пачек импульсов. По времени это занимает 2,5 с. При движении снаряда в трубопроводе со скоростью 3 м/с (наиболее часто используемая скорость при перекачке нефтепродуктов) снаряд проходит 7,5 м. Расстояние устойчивого приема сигнала передатчика составляет около 3 м. Таким образом сигнал не может быть проанализирован и считается потерянным. Эти параметры позволяют использовать указанное устройство в узком диапазоне скоростей движения снарядов.

Известно устройство, включающее приемник и передатчик электромагнитных сигналов, настроенный на частоту излучения 7-10 Гц, последний монтируется на снаряде в герметичном контейнере и выходом соединен с излучающей антенной, сигналы которой улавливает антенна переносного приемника, расположенного над трубопроводом на поверхности грунта, выход которой через предварительный усилитель и дешифратор соединен с устройством контроля и индикации (патент РФ № 2.110.729, F 17 D 5/00, 1998).

Недостатком устройства является ограниченное быстродействие, определяемое рабочей частотой передатчика, соизмеримой со скоростями движения снарядов в трубопроводе. При максимальных скоростях движения снарядов в трубопроводе увеличивается вероятность потери связи приемника с передатчиком. Увеличение частоты передатчика ограничивается тем, что с увеличением частоты растет затухание электромагнитных волн через стенку трубопровода пропорционально частоте.

Кроме того, невозможно в узком диапазоне изменения инфранизких частот достаточно эффективно защититься от промышленных помех и тем более передавать дополнительную информацию на частотах, отличающихся на несколько герц. На высоких частотах такая задача решается применением высокоэффективных кварцевых фильтров, имеющих полосу пропускания от единиц до десятков герц. Даже незначительное изменение разности

инфранизких частот приводит к изменению электрических и конструктивных параметров передающего и приемного устройства.

Известны также устройства для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе (авт. свид. СССР №№ 1.458.647, 1.733.837; патенты РФ №№ 2.097.649, 2.109.206, 2.184.307 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является “Устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе” (патент РФ № 2.184.307, F 17D 5/06, 2002), которое и выбрано в качестве прототипа.

Данное устройство обеспечивает увеличение быстродействия, повышение надежности распознавания сигналов передатчика и помехоустойчивости приемника, увеличение расстояния устойчивого приема сигнала передатчика и возможность расширения частотного диапазона информативных сигналов в диапазоне частот от десятых долей до единиц герц. При этом не требуется изменение электрических и конструктивных параметров приемных и передающих устройств.

Однако известное устройство имеет все же сравнительно низкую надежность распознавания сигналов передатчика и низкую помехоустойчивость приемника из-за воздействия промышленных помех, а также не обеспечивает идентификации очистных и диагностических снарядов в трубопроводе.

Технической задачей изобретения является повышение надежности обнаружения сигналов передатчика и помехоустойчивости приемника, а также расширение функциональных возможностей устройства путем идентификации очистных и диагностических снарядов в трубопроводе.

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе, включающее приемник и передатчик электромагнитных сигналов, выход последнего соединен с излучающей антенной, сигналы которой улавливает антенна переносного приёмника, расположенного над трубопроводом на поверхности грунта, выход которой соединен с усилителем, а также последовательно включенные делитель частоты, первый фазовый детектор, генератор, управляемый напряжением, кварцевый фильтр, дешифратор и устройство контроля и индикации, при этом вход делителя частоты соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, снабжено удвоителем фазы, двумя узкополосными фильтрами, делителем фазы на два, двумя измерителями ширины спектра, блоком сравнения, пороговым блоком, ключом и вторым фазовым детектором, причем к выходу усилителя последовательно подключены удвоитель фазы, первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, второй измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через первый измеритель ширины спектра соединен с выходом усилителя, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя, а выход подключен к второму входу устройства контроля и индикации, второй вход первого фазового детектора соединен с выходом ключа, передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, и усилителя мощности, выход которого является выходом передатчика.

Структурная схема устройства представлена на фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг. 2.

Устройство содержит трубопровод 1, передатчик 5, смонтированный на снаряде в герметичном контейнере 4, и переносной приёмник 11, расположенный над трубопроводом 1 на поверхности 3 грунта 2.

Передатчик 5 содержит последовательно включенные задающий генератор 6, фазовый манипулятор 8, второй вход которого соединен с выходом генератора 7 модулирующего кода, и усилитель 9 мощности, подключенный к излучающей антенне 10.

Приемник 11 содержит последовательно включенные антенну 12, усилитель 13, удвоитель 15 фазы, первый узкополосный фильтр 16, делитель 17 фазы на два, второй узкополосный фильтр 18, второй измеритель 20 ширины спектра, блок 21 сравнения, второй вход которого через первый измеритель 19 ширины спектра соединен с выходом усилителя 13, пороговый блок 22, ключ 23, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 18, первый фазовый детектор 24, второй вход которого через делитель 27 частоты соединен с выходом генератора 26, управляемого напряжением, кварцевый фильтр 28, дешифратор 29 и устройство 30 контроля и индикации, второй вход которого через второй фазовый детектор 25 соединен с выходами усилителя 13 и ключа 23. Удвоитель 15 фазы, делитель 17 фазы на два, узкополосные фильтры 16 и 18, измерители 19 и 20 ширины спектра, блок 21 сравнения, пороговый блок 22 и ключ 23 образует обнаружитель (селектор) фазоманипулированных (ФМн)-сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Передатчик 5, смонтированный на снаряде в герметичном контейнере 4, передвигается в трубопроводе 1 со скоростью V=3 м/с (наиболее часто используемая скорость при перекачке нефтепродуктов).

При этом задающий генератор 6 формирует гармоническое колебание (фиг.2, а)

U_c(t)=Vc· Cos(Wc· t+ _c), 0 t Т_с,

где V_с, W_c, _с, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания.

Это колебание поступает на первый вход фазового манипулятора 8, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.2, б), содержащий номер снаряда, на котором установлен передатчик 5. На выходе фазового манипулятора 8 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг.2, в)

U₁(t)=Vc· Cos[W_c· t+( _к(t)+ _c], 0 t T_c,

_к(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем _к(t)=const при К· _э<t<(К+1) _э и может изменяться скачком при t=К _э, т. е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, ... , N1);

_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т _с=N· _э),

который после усиления в усилителе 9 мощности излучается излучающей антенной 10 в пространство. Приемная антенна 12 улавливает этот сигнал и с помощью усилителя 13 приводит к необходимой для дальнейшей обработки амплитуде, затем сигнал подается на удвоитель 15 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг.2, г)

U₂(t)=V ₂· Cos(2W_c· t+2 _с), 0 t Т_с.

Так как 2 _к(t)={0, 2 }, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.

Гармоническое напряжение U₂(t) выделяется узкополосным фильтром 16, частота настройки Wн₂ которого выбирается равной 2W_c (Wн₁=2W_c), и поступает на вход делителя 17 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг.2, д)

U₃(t)=V ₂· Cos(W_c· t+ _c), 0 t T_c.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 18, настроенным на несущую частоту W_c(Wн₂ =W_c).

Ширина спектра f_с сложного ФМн-сигнала определяется длительностью _э элементарных посылок ( f_c=1/ _э), тогда как ширина спектра f₂ гармонического напряжения определяется длительностью Т_с сигнала ( f_г=1/Т_с).

Следовательно, спектр ФМн-сигнала при удвоении фазы “сворачивается” в N раз ( f_c/ f_г=N) и за счет узкополосной фильтрации выделяется гармоническое напряжение. При этом значительная часть промышленных помех и шумов отфильтровывается, что значительно повышает чувствительность приемника.

Ширина спектра f_с принимаемого ФМн-сигнала измеряется с помощью измерителя 19 ширины спектра, а ширина спектра f_г гармонического напряжения измеряется с помощью измерителя 20 ширины спектра. Напряжения V_s и V _г, пропорциональные f_с и f_г соответственно, поступают на два входа блока 21 сравнения. Так как V_s>>V_г, то на выходе блока 21 сравнения образуется напряжение, которое превышает пороговое напряжение V_пор в пороговом блоке 22. Пороговый уровень V_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня V_nop в пороговом блоке 22 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 23 и открывает его. В исходном состоянии ключ 23 всегда закрыт. При этом гармоническое напряжение U₃(t) (фиг.3, д) с выхода узкополосного фильтра 18 через открытый ключ 23 поступает на опорные входы фазовых детекторов 24 и 25. На информационный вход фазового детектора 25 поступает принимаемый ФМн-сигнал U₁(t) (фиг.2, в). В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 25 выделяется низкочастотное напряжение (фиг.2, е)

U_н(t)=Vн· Cos _к(t), 0 t T_c,

где V_н=¹/₂ · K₁· V_c · V₂,

К₁ - коэффициент передачи фазового детектора, пропорциональный модулирующему коду М(t) (фиг.2, б).

Следовательно, опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.

Напряжение U_н(t), по которому можно идентифицировать снаряд, фиксируется устройством 30 контроля и индикации.

На второй выход фазового детектора 24 подается сигнал с делителя 27 частоты, имеющего коэффициент деления, равный частному от деления частоты W_ф кварцевого фильтра 28 на частоту W_с основного принимаемого ФМн-сигнала. С выхода фазового детектора 24 фазоразностный сигнал поступает на генератор 26, управляемый напряжением, и перестраивает частоту так, чтобы в итоге на входах фазового детектора 24 частоты и фазы сигналов уравнялись. При этом, если входная частота соответствует частоте W_с основного сигнала, на выходе генератора 26, управляемого напряжением, частота будет соответствовать частоте W_ф кварцевого фильтра 28. В этом случае сигнал проходит через кварцевый фильтр 28 и через дешифратор 29 поступает на устройство 30 контроля и индикации.

Работа устройства основана на фазовой автоподстройке частоты основного сигнала с частотой генератора 26, управляемого напряжением, поделенной на коэффициент деления, равный частному от деления частоты W_ф кварцевого фильтра 28 на частоту W_c основного принимаемого ФМн-сигнала, что позволяет преобразовать частоту основного сигнала в более высокую частоту, соответствующую кварцевому фильтру 28. Это значительно облегчает дальнейшее преобразование сигнала, а именно: при движении снарядов в трубопроводе с максимальной скоростью, соизмеримой с частотой основного сигнала, уменьшается вероятность потери сигнала. Это обеспечивается значительным запасом времени по обработке сигналов для повышения достоверности дешифрации сигнала и отсеивания помех. Кроме того, инерционность высокодобротных кварцевых фильтров значительно меньше, а добротность на несколько порядков выше. Все это в целом позволяет увеличить быстродействие, поднять чувствительность и соответственно дальность обнаружения.

Например, при использовании кварцевого фильтра с частотой W_ф=500 кГц и выборе частоты связи приемника и передатчика W_с=W_ф /n=16 Гц, коэффициент деления делителя частоты будет n=31.250. В этом случае изменение основной частоты W_c принимаемого сигнала на 0,01 Гц вызывает изменение частоты генератора, управляемого напряжением, на 312,5 Гц. Для кварцевого фильтра такое изменение является существенным.

Следовательно, используя несколько отличающихся по частоте кварцевых фильтров, а в передатчике незначительно изменяя частоту передачи сигнала, пропорционально резонансной частоте кварцевых фильтров, можно расширить число частотных каналов устройства для передачи дополнительных информативных сигналов.

Устройство может быть использовано для поиска застрявших снарядов в водопроводных, газопроводных и канализационных трубопроводах. Кроме того, устройство может быть применено для дистанционной беспроводной передачи управляющих сигналов из закрытых толстостенных металлических конструкций, например резервуаров или подземных объектов.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности обнаружения сигналов передатчика и помехоустойчивости приемника. Это достигается за счет использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и селектора (обнаружителя) этих сигналов, основанного на свертке спектра принимаемого ФМн-сигнала.

Кроме того, в передаваемом ФМн-сигнале заложен модулирующий код M(t), по которому можно идентифицировать застрявшие снаряды в водопроводных, газопроводных и канализационных трубопроводах.

Сложные ФМн-сигналы с точки зрения обнаружения обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений их параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптималъную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные ФМн-сигналы позволяют 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.

Сложные ФМн-сигналы благодаря своим хорошим корреляционным свойствам могут быть “свернуты” на частотной или временной оси.

Тем самым функциональные возможности устройства расширены.