Спосіб локалізації місця витоку речовини з трубопроводу та система для його здійснення

1. Спосіб локалізації місця витоку речовини з трубопроводу, що включає формування первинного тестового сигналу тиску, реєстрацію відбитих вторинних сигналів з датчика тиску, перетворення їх у електричний сигнал, обчислення автокореляційної функції цього сигналу і на її основі формування імпульсної характеристики трубопроводу з врахуванням наперед виміряної за допомогою додатко C2 2 (11) 1 3 83290 ному контрольованому вузлі вимірювання величини перепаду тиску між тиском в трубопроводі і «реперним» тиском, який створений автономним джерелом, величину якого попередньо встановлюють для кожного контрольного вузла. Недоліком такого способу є значна кількість датчиків вимірювання тиску для контролю трубопроводу великої протяжності. Відомий також спосіб визначення розташування місця витоку в трубопроводі [UA 15392, G01М3/24, F16L55/00, 1997], який передбачає знімання акустичних сигналів з пари датчиків, які розташовані на поверхні трубопроводу, що транспортує рідину, перетворення їх в електричні, виділення із сумарного сигналу спектру витоку, причому зняття акустичних сигналів здійснюють з трубопроводу при гідравлічному збуренні середовища транспортування ступінчато-рухливим запірним органом лінійної арматури. Головним недоліком вказаного способу є те, що акустичні датчики розміщують на зовнішній поверхні труби, що передбачає розкопку труби. Введення гідравлічних збурень у потік виконують шляхом ступінчатого перекриття запірного органа трубопроводу в межах від 20 до 80% умовного проходу, що передбачає порушення нормальної експлуатації трубопроводу. Відома система виявлення витоків і ударів Leak and Impact / Shock Detection System (LDS) розроблена ТзОВ «Химбалт», Росія. В такій системі виявлення витоку контролюється за допомогою датчиків, які розміщені з обох кінців трубопроводу. Момент часу, в який відбувається витік, фіксується в кожному з датчиків. Різниця в часі між моментами фіксування сигналу витоку використовується для визначення його місцезнаходження, метод заснований на швидкості розповсюдження хвилі в рідині. Проте, така система потребує значної кількості датчиків для уточнення місця витоку. Найбільш близьким аналогом до заявленого способу є автоматизована система локалізації витоків з трубопроводу [US 5708193, G01N29/04, G01М3/24, 1998], яка, шляхом створення хвилі тиску в середовищі транспортування трубопроводу, здійснює обробку відбитої хвилі та, на основі різниці часу пуску та приходу сигналу, визначає місце витоку. Недоліком такого способу є знижена ймовірність виявлення відбитого сигналу на фоні завад, тобто низьке співвідношення "сигнал/шум". В основу винаходу поставлено задачу підвищення чутли вості при визначенні місця витоку в трубопроводі за рахунок використання в автоматизованій системі локалізації місця витоку речовини тестових сигналів на основі завадостійких кодів та подальшої цифрової обробки сигналів. Спосіб локалізації місця витоку речовини з трубопроводу полягає у створенні тестового сигналу з первинних хвиль тиску в межах рідкого або газоподібного середовища транспортування та обробці відбитих сигналів, які ідентифікують зміну стану тр убопровідної системи. Первинні хвилі розповсюджуються зі швидкістю звуку в межах середовища, зумовлюючи генерацію вторинних відбитих хвиль на неоднорідностях (відгалуженнях трубопроводу, витоках, запірній арматурі, різких 4 згинах і т.д.) трубопроводу. Прийняті датчиком тиску системи вторинні відбиті хвилі, перетворені в електричні, а далі - в цифрові сигнали, після обробки за допомогою алгоритму обчислення автокореляційної функції, формують в пам'яті мікропроцесорного пристрою імпульсну характеристику трубопроводу, яка дозволяє виявити всі значні його неоднорідності. Імпульсна характеристика трубопроводу містить в собі всю інформацію про неоднорідності, включаючи топологію трубопроводу та фізичні характеристики речовини, що транспортується. Для виявлення нових неоднорідностей система за допомогою мікропроцесорної програми здійснює віднімання експериментальної імпульсної характеристики від еталонної, формуючи різницеву імпульсну характеристику. При цьому із експериментальної імпульсної характеристики усуваються відомі неоднорідності, зумовлені топологією трубопроводу і залишаються тільки нові неоднорідності, виявлені під час вимірювання. Алгоритми визначення віддалі до неоднорідності по суті ідентичні до алгоритмів визначення віддалі до цілі на фоні завад для радіолокаційних станцій [1, 2]. Система локалізації не має обмежень щодо середовища транспортування в тр убопроводі. Формування первинних хвиль тиску, модульованих за законами завадозахищених сигналів (кодом Баркера і т.д.) дозволяє підвищити співвідношення "сигнал/шум" при прийомі відбитих сигналів, і, тим самим, збільшити відстань дослідження трубопроводу при збереженні генерованої потужності первинних хвиль, або зменшити їх потужність при збереженні довжини дослідження трубопроводу у порівнянні із застосуванням однократної первинної хвилі найближчого аналога [US 5708193, G01N29/04, G01M3/24, 1998]. Схематичне представлення системи локалізації неоднорідностей трубопроводу та ілюстрація способу знаходження відстані до витоку приведені на Фіг.1 та 2 відповідно. Структурна схема системи локалізації витоку речовини (Фіг.1) включає реалізацію способу виявлення витоку речовини з допомогою створення первинних (тестови х) хвиль тиску в середовищі транспортування трубопроводу 6. Середовищем транспортування може бути газ, нафта або інші нафтопродукти. До системи локалізації входить генератор тестових хвиль тиску 3 в середовищі трубопроводу 6. Система також включає пристрій введення/прийому тестового сигналу 2, до складу якого входить датчик тиску 21, який з'єднаний з підсистемою обробки сигналів та моніторингу 1, яка теж входить до складу системи. Підсистема обробки сигналів та моніторингу 1 працює наступним чином. Електричні сигнали коливань тиску з датчика тиску 21 перетворюються в блоці формування і обробки даних від датчика тиску 13 в цифровий код і надходять до комп'ютера 11, де вони обробляються і аналізуються. Комп'ютер 11 може включати відео дисплей 113 для демонстрації сигналів тиску і клавіатур у 114 для взаємодії з мікропроцесорною системою 112, а також принтер 111. Робочий алгоритм мікропроцесорної системи 112 забезпечує генерацію тестово 5 83290 го сигналу, обробку прийнятих сигналів та вивід результатів обробки у візуальній формі, зручній для сприйняття людиною-оператором. Тестовий сигнал, який надходить в трубопровід, модулюється завадозахищеним сигналом. Визначення відстані до витоку проводиться за часом, що встановлюється з взаємокореляційної функції тестового сигналу і сигналу-відгуку. Використання завадозахи щеного тестового сигналу дає змогу підняти співвідношення "сигнал/шум" і точніше виділити корисний сигнал. Якщо розглядати в якості тестового сигнал Баркера, то такий сигнал володіє властивістю незалежно від числа позицій зберігати відношення максимуму автокореляційної функції до значення цієї функції у всіх інших точках на рівні значення розрядності коду Баркера [1]. Підсистема обробки сигналів та моніторингу 1, окрім розпізнавання сигналу наявності витоку в трубопроводі, контролює процес створення тестового сигналу тиску в блоці 3. Такий тестовий сигнал розповсюджується по трубопроводу і відбивається від неоднорідностей в трубопроводі 6. Відбиті хвилі сприймаються пристроєм введення/прийому тестового сигналу 2. Генератор тестового сигналу тиску 3 може мати два варіанти реалізації. Перший варіант включає газовий акумулятор 31 для нагнітання хвиль тиску в трубопровід. Процес нагнітання реалізується з допомогою електрично-керованого запірного регулятора 34, яким керує підсистема обробки сигналів та моніторингу 1. Запірний регулятор 34 характеризується високою швидкістю відкривання/закривання. Запірний регулятор служить для модуляції тестового сигналу завадостійким кодом і може формувати хвилі тиску як за дискретними (цифровими) (наприклад код Баркера) так і за неперервними (аналоговими) (наприклад, лінійна частотна модуляція - ЛЧМ) законами. Окрім того, до блоку 3 входить насос 36, який призначений для створення надлишкового тиску газу в акумуляторі 31, що необхідно для формування робочих імпульсів тиску. В системі локалізації витоків система обробки сигналів та моніторингу 1 періодично контролює стан трубопроводу 6. Тиск в акумуляторі 31 попередньо вирівнюється з тиском в трубопроводі 6 при відкритих клапанах 24, 22, 35, 33, 32. Коли клапан 33 закритий, з допомогою насосу 36 тиск в акумуляторі 31 піднімається на допустиме значення (0,20,3МПа) над значенням тиску в тр убі 6, після чого генератор готовий до формування тестових сигналів. Другий варіант складається з касети з набором піропатронів, які спрацьовують за допомогою електрозапалів, керованих підсистемою обробки сигналів та моніторингу 1. Час спрацювання визначається типом вибраного завадозахищеного коду. Вихідні гази, що виникають в результаті спрацювань піроп'атронів формують тестові імпульси тиску. Такий варіант простіший в реалізації, однак дозволяє формувати тільки дискретні імпульсні послідовності і вимагає заміни відпрацьованих піропатронів. Розглянемо детальніше склад підсистем, які входять до системи локалізації місця витоку речо 6 вини (Фіг.1): підсистему обробки сигналів та моніторингу 1, пристрій введення/прийому тестового сигналу 2, генератор тестової хвилі 3. Складовими частинами пристрою введення/прийому тестового сигналу 2 є да тчик тиску 21, який встановлюється у відвід 5 трубопроводу 6. Поряд з датчиком тиску 21 до пристрою 2 входять електрично-керовані клапани 22, 23 та 24. Підсистема обробки сигналів та моніторингу 1 складається з трьох частин: пристрою спряження датчика і комп'ютера 12, блоку формування і обробки даних від датчика тиску 13 і мікропроцесорного блоку 11. Пристрій спряження датчика і комп'ютера 12 призначений для одержання інформації від ультразвукового датчика вимірювання густини середовища транспортування 4 і обробки даних. З цих даних блок 12 визначає значення швидкості розповсюдження хвиль в середовищі транспортування та визначає усереднене значення швидкості звуку у момент часу, який передує моменту закінчення процедури визначення координати витоку. Блок формування і обробки даних від датчика тиску 13 є пристроєм одержання і обробки інформації з датчика тиску 21. Блок 13 здійснює запис сигналу у ци фровій формі та визначає час прибуття сигналів-відгуків в точці вимірювання. Підсистема обробки сигналів та моніторингу 1 призначена для обробки даних про значення швидкості розповсюдження хвиль в середовищі рідини, які надходять з блоку 12, обробки даних динаміки сигналу коливань хвиль в трубопроводі з блоку 13 та керування процедурою зарядки акумулятора 31 блоку генерування тестового сигналу тиску 3. Комп'ютер 11 обчислює взаємокореляційну функцію тестового та прийнятого сигналу, формує імпульсну характеристику трубопроводу, здійснює її обробку і виводить на монітор 113 координату можливого місця знаходження будьякого витоку чи несанкціонованого доступу з ділянки трубопроводу 6, яка контролюється. Клапан 24 є ізоляційним і призначений для надання доступу до середовища транспортування. Визначення відстані до витоку з використанням описаної системи продемонстровано на Фіг.2. Знаючи різницю часу (Т1 - Т2) між часом пуску тестового сигналу та часом прийому відбитої хвилі та швидкість розповсюдження хвиль в середовищі транспортування стає можливим визначення координати L неоднорідності 7 трубопроводу 6. Система локалізації витоку включає датчик визначення густини рідини 4, на основі якої визначається швидкість розповсюдження звуку v в трубопроводі 6. Величина L обчислюється за формулою: L = v* (T1 - T2)/2, де різниця часу пуску та прийому сигналів в трубопроводі (Т1 - Т2) визначається за максимумом взаємокореляційної функції тестового завадостійкого сигналу та зареєстрованого сигналу-відгуку. ^ Отже, особливістю запропоновано способу локалізації місця витоку з трубопроводу є можливість при односторонньому доступі до середовища транспортування виявити та визначити координату неоднорідності в трубопровідній системі та підви 7 83290 щити достовірність одержаної інформації за рахунок цифрової обробки прийнятих сигналів. Література: 1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. школа.,1988. - 448с. Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 2. Ю.М. Казаринов и др. Радиотехнические системы. / под ред. Ю.М. Казаринова. М.: 1968. 496с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601