Пристрій для обстеження ізоляції захованих струмопроводів

Пристрій для обстеження ізоляції захованих струмопроводів, який містить чотири перетворювачі магнітного поля, чотири попередніх підсилювачі, чотири вибіркових підсилювачі, два мультиплексори, керований підсилювач, випрямляч, блок запам'ятовуючих конденсаторів, демультиплексор, аналого-цифровий перетворювач і мікрокомп'ютер, в якому виходи перетворювачів магнітного поля підключені до входів ВІДПОВІДНИХ попередніх підсилювачів, а виходи вибіркових підсилювачів через перший мультиплексор з єднані з послідовно ввімкненими керованим підсилювачем і випрямлячем, вихід останнього через демультиплексор підключений до обкладок чотирьох запам'ятовуючих конденсаторів блока конденсаторів, другі обкладки яких підключені до загальної точки і чотирьох входів другого мультиплексора, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний з інформаційним входом мікрокомп'ютера, керуючий вихід якого з'єднаний з керуючими входами обох мультиплексорів, керованого підсилювача і демультиплексора, який відрізняється тим, що в нього додатково введені перемикач на два положення і чотири напрямки і генератор калібрувального сигналу, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом одного з попередніх підсилювачів, а його вихід підключений одночасно до чотирьох других контактів перемикача, до перших контактів якого підключені виходи ВІДПОВІДНИХ підсилювачів, а кожний збираючий контакт перемикача з'єднаний з входом ВІД Пропонований винахід відноситься до галузі технічної фізики і може бути використаний в апаратурі для пошуку і обстеження підземних або підводних струмопроводів (кабелів, трубопроводів та інших ізольованих від середовища ЛІНІЙНИХ провідників) Відомий пристрій для пошуку і безконтактного обстеження трубопроводів, який складається з двох розміщених на штанзі датчиків, виконаних в вигляді двохкомпонентних систем взаємно ортогональних з сумісними центрами індукційних рамок, виходи яких через перемикач послідовно під'єднані до аттенюатора, відбіркового підсилювача, амплітудного детектора і вимірювального приладу [1] Недоліком пристрою є його низька точність, обумовлена відсутністю калібровки Найближчим до пропонованого є пристрій для обміру дефектів в ІЗОЛЯЦІЙНИХ покриттях [2], що складається з однієї або двох пар ідентичних індукційних перетворювачів, розташованих паралельно і рознесених в просторі в площині, перпендикулярній до осі трубопроводу, і пристрій прийому, порівняння і обробки сигналів, що складається з чотирьох попередніх підсилювачів, чотирьох вибіркових підсилювачів, двох мультиплексорів, керо ваного підсилювача, випрямляча, чотирьох запам'ятовуючих конденсаторів, демультиплексора, аналого-цифрового перетворювача і мікрокомп'ютера, причому ВІДПОВІДНІ індукційні перетворювачі, попередні підсилювачі і вибіркові підсилювачі з'єднані послідовно, а виходи останніх через перший мультиплексор з'єднані з послідовно ввімкненими керованим підсилювачем і випрямлячем, вихід якого через демультиплексор під'єднаний до обкладок чотирьох запам'ятовуючих конденсаторів, другі обкладки яких під'єднані до загальної точки, і чотирьох входів другого мультиплексора, вихід якого з'єднаний з аналого-цифровим перетворювачем з'єднаним з інформаційним входом мікрокомп'ютера, керуючий вихід якого з'єднаний з керуючими входами двох мультиплексорів, керованого підсилювача і демультиплексора Для створення струму в трубопроводі використовується пристрій генерування і підведення струму до трубопроводу В якості індукційних перетворювачів в приладі використовуються індукційні котушки ПОВІДНОГО вибіркового підсилювача Недоліком прототипу є те, що для визначення положення обстежуваного трубопроводу і для орієнтації перетворювачів необхідно використовувати спеціальний додатковий прилад-трасошукач 42220 До недоліків прототипу можна віднести також низьку точність, обумовлену нестабільністю частоти струму у трубопроводі Задачею винаходу є підвищення точності вимірювання Для вирішення цієї задачі в пристрій для обміру дефектів в ІЗОЛЯЦІЙНИХ покриттях, що складається з чотирьох індукційних перетворювачів магнітного поля, чотирьох попередніх і чотирьох вибіркових підсилювачів, двох мультиплексорів, керованого підсилювача, випрямляча, блоку конденсаторів, демультиплексора, аналого-цифрового перетворювача і мікрокомп'ютера, причому виходи перетворювачів магнітного поля підключені до входів ВІДПОВІДНИХ попередніх підсилювачів, а виходи вибіркових підсилювачів через перший мультиплексор з'єднані з послідовно ввімкненими керованим підсилювачем і випрямлячем, вихід якого через демультиплексор з'єднаний з обкладками чотирьох запам'ятовуючих конденсаторів блоку конденсаторів, другі обкладки яких під'єднані до загальної точки і чотирьох входів другого мультиплексора, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач, з'єднаний з інформаційним входом мікрокомп'ютера, керуючий вихід якого з'єднаний з керуючими входами обох мультиплексорів, керованого підсилювача і демультиплексора, введений синхронізований генератор калібровочного сигналу і перемикач на два положення і чотири напрямки, причому керуючий вхід генератора з'єднаний з виходом одного з попередніх підсилювачів, а його вихід підключений одночасно до чотирьох других контактів перемикача, до перших контактів якого підключені виходи ВІДПОВІДНИХ попередніх підсилювачів, а кожний збираючий контакт перемикача з'єднаний з входом ВІДПОВІДНОГО відбіркового підсилювача ВІДМІННІ ознаки пропонованого пристрою не ВІДОМІ ні в аналога, ні в прототипі, ні у інших приладів, і тому відповідають критерію "новизни" Структурна схема пропонованого пристрою приведена на фіг 1 На фіг 2 - показана структурна схема генератора калібровочного сигналу, а на фіг 3 схематично зображена установка індукційних перетворювачів магнітного поля Пристрій складається з чотирьох перетворювачів магнітного поля 1, 2, 3, 4, синхронізованого генератора калібровочного сигналу 5, чотирьох попередніх підсилювачів 6, 7, 8, 9, перемикача на два положення і чотири напрямки 10, чотирьох вибіркових підсилювачів 11, 12, 13, 14, першого мультиплексора 15, керованого підсилювача 16, випрямляча 17, демультиплексора 18, блоку конденсаторів 19, другого мультиплексора 20, аналогоцифрового перетворювача 21, мікрокомп'ютера 22 Синхронізований генератор калібровочного сигналу 5 (фіг 2) складається з послідовно з'єднаних відбіркового підсилювача 23, синхронізованого генератора 24, фіксатора величини калібровочної напруги 25 Індукційні перетворювачі магнітного поля 1, 2, 3, 4 прикріплені на штангах 26, 27, які встановлюються над струмопроводом 28 Виходи перетворювачів магнітного поля 1-4 з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ попередніми підсилювачами 6-9, виходи яких з'єднані з першими контактами перемикача 10, другі контакти якого з'єднані між собою і підключені до виходу синхронізованого генератора калібровочного сигналу 5, а збираючи контакти під'єднані до входів вибіркових підсилювачів 11-14 Керуючий вхід синхронізованого генератора калібровочного сигналу 5 поєднується до виходу одного з попередніх підсилювачів (на фіг 1 до виходу підсилювача 9) Виходи всіх вибіркових підсилювачів під'єднані до входів першого мультиплексора 15, вихід якого послідовно з'єднаний з керованим підсилювачем 16, випрямлячем 17 і демультиплексором 18, чотири виходи якого з'єднані з обкладками запам'ятовуючих конденсаторів блоку конденсаторів 19, другі обкладки яких під'єднані до загальної точки і чотирма входами другого мультиплексора 20, вихід якого послідовно з'єднаний з аналого-цифровим перетворювачем 21 і інформаційним входом мікрокомп'ютера 22 Керуючий вихід мікрокомп'ютера з'єднаний з керуючими входами обох мультиплексорів 15 і 20, керованого підсилювача 16 і демультиплексора 18 Пристрій працює наступним чином Протікаючий по струмопроводу 28 змінний електричний струм від станції катодного захисту або спеціального генератора створює навколо нього магнітне поле з силовими ЛІНІЯМИ у вигляді концентричного кола в площині перпендикулярній до осі струмопроводу Перетворювачі 1 -4, осі чутливості яких орієнтовані по напрямку силових ЛІНІЙ, перетворюють напруженість цього поля в електричні сигнали, які поступають на ВІДПОВІДНІ попередні підсилювачі 6-9 Попередні підсилювачі розташовуються безпосередньо біля перетворювачів і служать для зняття впливу на параметри перетворювачів з'єднувальних кабелів, що йдуть від датчиків до апаратури 3 виходу попередніх підсилювачів через перемикач 10 сигнали поступають на вибіркові підсилювачі 11-14, налагоджені на частоту (першу гармоніку) струму в струмопроводі 28 Підсилений сигнал через перший мультиплексор 15 поступає на вхід керованого підсилювача 16 Коефіцієнт передачі якого вибирається таким, щоб максимальна величина поступаючого сигналу відповідала шкалі пристрою, чим досягається найбільша можлива точність вимірів 3 виходу підсилювача сигнал поступає на випрямляч 17 і потім знову розділяється демультиплексором 18 Розділені сигнали запам'ятовуються на конденсаторах блоку конденсатора 19 у вигляді постійних напруг, які пропорційні амплітуді ВІДПОВІДНОГО вхідного сигналу Після цього, отримані значення напруг знову об'єднуються другим мультиплексором 20 і подаються на аналого-цифровий перетворювач 21 Перетворений в цифровому вигляді сигнал поступає на інформаційний вхід мікрокомп'ютера 22 Керування роботою обох мультиплексорів керованого підсилювача і аналого-цифрового перетворювача здійснюється командами з мікрокомп'ютера Визначення глибини залягання струмопроводу, величини струму в ньому і його зникання на відрізку між обома парами перетворювачів вираховується мікрокомп'ютером по значенню сигналів наведених на датчики 1-4 Для підвищення точності вимірів сигналів в пристрої введений новий в порівнянні з прототипом елемент - синхронізований генератор калібровочного сигналу Процедура калібровки повинна виконуватись перед процедурою вимірів При цьому, перемикач 10 переводиться в положення 1, і 42220 входи вибіркових підсилювачів відключаються від попередніх підсилювачів, з'єднуються разом і підключаються до виходу синхронізованого генератора калібровочного сигналу 5 Вхід цього генератора з'єднаний з виходом одного з попередніх підсилювачів, наприклад 9, і, таким чином, частота виробленого генератором сигналу буде строга відповідати частоті протікаючого по струмопроводу струму В випадку відсутності сигналу на виході перетворювача 4 і, ВІДПОВІДНО, попереднього підсилювача 9 генератор калібровочної напруги буде працювати на власній частоті близькій до частоти струму в струмопроводі Синхронізований генератор калібровочного сигналу працює наступним чином Сигнал з виходу одного з перетворювачів магнітного поля поступає через вхід на вибірковий підсилювач 23, аналогічний вибірковим підсилювачам 11-14 3 його виходу підсилена напруга поступає на синхронізований генератор 24 В якості такого генератора може використовуватись або генератор синусоїдальних коливань з автоматичною підстройкою частоти, або синхронізовані мультивібратори Такі генератори при відсутності синхронізуючого сигналу самозбуджуються на частоті близькій до частоти синхронізації При появі синхронізуючої напруги частота їх генерації стає рівною частоті синхронізації і слідкує за и зміною Для стабілізації амплітуди сигналу синхронізованого генератора використовується фіксатор величини калібровочної напруги 25, яка в найпростішому випадку є двостороннім обмежувачем напруги на прецизійному стабілітроні Таким чином, на виході синхронізованого генератора калібровочного сигналу появляється змінна напруга строга фіксованої амплітуди і форми з частотою струму в струмопроводі Ця напруга поступає для калібровки всіх вимірювальних каналів пристрою Врахування калібровки на результати вимірів здійснюється наступним чином При переводі перемикача 10 в положення 2 (режим калібровки) в мікрокомп'ютері 22 фіксуються величини сигналу, що поступає від синхронізованого генератора калібровочного сигналу 5 Нехай на виході першого каналу це буде Ак, другого - Вк, третього - Ск і четвертого - DK Якщо б коефіцієнти передачі всіх каналів були б однакові і пронормовані, то тоді AK=B K =CK=D K =N ЯКЩО Ж це не виконується із-за то го, що коефіцієнти передачі відрізняються один від одного і від номінального, то виключити похибку вимірів можна шляхом зміни коефіцієнтів передачі за рахунок обчислення з наступним введенням в пам'ять комп'ютера поправочних коефіцієнтів виду a=N/AK, p=N/BK, Y-N/Ск, 5=N/DK, на які в подальшому перемножуються виміряні значення сигналів Аи, Ви, Си, Du Таким чином, для розрахунків використовуються не виміряні значення сигналів, а нормовані А=а Аи, В=р Ви, С=у CUl D=5 Du Обробка даних здійснюється по тих же алгоритмах і програмах, що і в прототипі Наведемо приклад використання пропонованого пристрою для вимірювання струму станцій катодного захисту в ізольованих від землі трубопроводах, що мають дефекти ізоляції Відомо [3], що використовувана з метою обстеження ізоляції апаратура повинна мати високу точність і стабільність вимірів, т як вона повинна реєструвати витікання струму в землю в місцях дефектів з похибкою порядку 1 % від величини загального струму в трубопроводах По-друге, згідно ГОСТ 13109-87 допускається зміна частоти напруги електричної мережі, тобто живлення станцій катодного захисту в межах +0,4 % і, нарешті, з метою забезпечення завадостійкості від наведеного на перетворювачі магнітного поля з частотою 50 Гц в серійній апаратурі аналогічного призначення коефіцієнт фільтрації завад від ЛЕП за рахунок використання вибіркових підсилювачів складає порядку 50 дБ при робочій частоті апаратури 100 Гц [4] Виходячи з цього, оцінимо величину похибки вимірів магнітного поля за допомогою перетворювачів магнітного поля з ЛІНІЙНОЮ (незалежно від частоти) частотною характеристикою в робочій смузі частот (кращий випадок) при частоті струму в трубопроводі fp=100 Гц і и ЗМІНІ на +0,4 Гц при використанні в якості вибіркових елементів коливальних контурів (без врахування впливу навантаження) Використання фільтрів більш високого порядку, хоча і забезпечує більш високу крутизну схилів частотної характеристики, але відрізняється підвищеною нелінійністю в області пропускання і нестабільністю своїх параметрів при ЗМІНІ параметрів елементів цих фільтрів Використання цифрових фільтрів ускладнено із-за складності забезпечення необхідної швидкодії, енергоспоживання, апаратурної складності і т д Визначимо добротність еквівалентного коливального контуру, резонансна частота якого fo—fp—100 Гц, а сигнал на частоті 50 Гц придушується в порівнянні з 100 Гц на 50 дБ (в 316,2 рази) Частота 50 Гц розглядається як завада в зв'язку з тим, що часто паралельно трубопроводу розміщені ЛЕП, що живлять станції катодного захисту Струм цих ЛЕП створює завадове електромагнітне поле Відносна резонансна крива коливального контуру має вигляд [5] (стор 59) 1 и де Q - добротність коливального контуру При U/Up=1/316,2, fo/fP=2, Q=307,2 Реалізувати таку добротність на одному контурі неможливо і тому фільтр необхідно виконувати в вигляді послідовно ввімкнених вибіркових підсилювачів з добротністю коливальних контурів порядку 15 Якщо при використанні такого підсилювача відбудеться зміна частоти струму підземного трубопроводу з частоти 100 Гц, на яку він настроєний, на частоту 100,4 Гц, то згідно наведеному виразу, U/Up=0,376, тобто сигнал впаде більш, ніж в 2,5 разі, в той час, як допустимі похибки вимірів лежать в межах одиниць процентів Використання ж синхронізованого генератора калібровочної напруги згідно винаходу знизить похибку вимірювання теж до одиниць процентів Наведений приклад підтверджує ефективність пропонованого пристрою для збільшення точності вимірювання струму в захованому струмопроводі і, як наслідок, підвищення надійності інформації про якість ізоляції 42220 Введений в відомий пристрій додатковий синхронізований генератор калібровочної напруги може бути виконаний як з дискретних, так і з інтегральних елементів, а схемні рішення носять загальновідомий характер Джерела інформації 1 А с СССР 1506367 Опубл в БИ 1989 р №33 2 Патент Великобритании №2119094 А G01V3/11, G01 N27/82 3 Мизюк Л Я , Дикмарова Л П , Джала Р М Методика градиентных измерений малых токов утечки на участках магистральных трубопроводов Экспресс-информация Серия Защита от коррозии и охрана окружающей среды - М , 1990 -С 22-29 4 Информационный листок Всесоюзного НИИ по сбору, подготовке и транспортировке нефти и нефтепродуктов (ВНИИСНТ-нефть), УКИ-установка для определения дефектных мест в изоляционном покрытии нефтепроводов, 1985 5 Асеев Б П Колебательные цепи Госиздат литературы по вопросам связи и радио - М 1955 и т X 3 $ —і 9 .J S ФІГ. 1 Фіг. 2 42220 ft a 7 Фіг. З ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Киів-133, бульв Лесі Українки, 26 (044)295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку Обсяг обл -вид арк 2002 р Формат 60x84 1/8 Тираж 50 прим Зам УкрІНТЕІ, 03680, Киів-39 МСП, вул Горького, 180 (044) 268-25-22