Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В ТРУБОПРОВОДЕ

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано для контроля движения очистных, диагностических и иных объектов в трубопроводах в потоке перекачиваемого продукта, например скребков, разделителей, контейнеров, дефектоскопов и т.д.

Известно устройство для определения местонахождения очистных и диагностических снарядов в трубопроводе, включающее приемник и передатчик электромагнитных сигналов, передатчик монтируется на снаряде и содержит автономный источник питания и излучающую антенну. Сигналы антенны передатчика улавливает антенна переносного приемника, расположенного над трубопроводом на поверхности грунта, выход которой через усилитель-преобразователь соединен с устройством контроля и индикации [Патент РФ №21 10729, кл. F17D 5/00, приоритет от 05.07.1996].

Недостатком устройства является сложность конструкции и низкая пространственная разрешающая способность.

Наиболее близким к заявляемому изобретению но совокупности существенных признаков - прототипом - является устройство контроля движения очистных объектов в трубопроводах, содержащее последовательно соединенные приемный преобразователь создаваемых объектом акустических колебаний в электрический сигнал, и блок анализа [Патент РФ №2137977, кл. F17D 5/02, приоритет от 06.05.1997].

Недостатком прототипа является его недостаточная эффективность, обусловленная низкой дальностью обнаружения и плохой пространственной разрешающей способностью, связанной с дискретностью приемника.

Задача изобретения - повышение эффективности контроля движения очистных объектов в трубопроводах.

Технический результат изобретения - увеличение дальности и повышение точности обнаружения и регистрации положения контролируемого объекта в трубопроводе.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве контроля движения объекта в трубопроводе, содержащем последовательно соединенные приемный преобразователь создаваемых объектом акустических колебаний в электрический сигнал и блок анализа, приемный преобразователь выполнен в виде когерентного рефлектометра, содержащего оптический источник, волоконно-оптический кабель, предназначенный для установки вдоль трубопровода в качестве распределенного датчика аккустических колебаний, и приемник рассеянного излучения, при этом волоконно-оптический кабель выполнен из комбинации последовательно соединенных отрезков оптических волокон, расположенных таким образом, что коэффициент рэлеевского рассеяния каждого последующего отрезка, начиная от оптического источника, больше коэффициента рэлеевского рассеяния предыдущего отрезка, кроме того, устройство дополнительно снабжено автономным источником вибрации или акустических колебаний в диапазоне от 10 Гц до 5 кГц, предназначенным для установки на объекте.

Изобретение поясняется чертежом - схемой установки устройства контроля движения объекта в трубопроводе относительно последнего, где 1 - трубопровод; 2 - когерентный рефлектометр, содержащий оптический источник (не показан), приемник рассеянного излучения (не показан) и волоконно-оптический кабель 3, предназначенный для установки вдоль трубопровода в качестве распределенного датчика аккустических колебаний; 4 - блок обработки.

Устройство работает следующим образом. При движении очистного, диагностического или иного контролируемого объекта (не показан) в трубопроводе 1 возникает акустическое излучение вследствие соударения объекта со стенкой трубопровода, дросселирования жидкости через зазор между объектом и стенкой трубопровода или от автономного источника вибрации или акустических колебаний (не показал), установленного на объекте. Координата источника звука вдоль трубопровода 1 регистрируется приемным преобразователем - рефлектометром 2, а именно его распределенным датчиком акустических колебаний - чувствительным элементом в виде волоконно-оптического кабеля 3 следующим образом. Оптический источник рефлектометра 2 посылает оптические импульсы в расположенный вдоль трубопровода 1 измерительный волоконно-оптический кабель 3. В кабеле 3 под действием акустического излучения возникают периодические удлинения и сжатия волокна, приводящие к модуляции коэффициента рассеяния. Рассеянное излучение попадает на приемник рефлектометра 2, преобразуется в электрический сигнал и попадает в блок обработки 4. Блок обработки 4 формирует последовательность рефлектограмм и сравнивая пары или большее число последовательных рефлсктограмм определяет место акустического воздействия, т.е. место расположения объекта в трубопроводе 1.

Экспериментально установлено, что дальность действия рефлектометра 2 с измерительным волоконно-оптическим кабелем 3, выполненным из однородного волокна, ограничена тем, что мощность Р(х) излучения, рассеянного в измерительном волоконно-оптическом кабеле 3, попадающая на приемник рассеяного излучения рефлектометра 2, уменьшается с расстоянием х по экспоненциальному закону:

Р(х)=P_Inexp(-2γx)R,

где P_In - мощность тестирующих оптических импульсов на входе в волоконно-оптический кабель 3,

γ - коэффициент затухания света в волокне,

R - коэффициент рэлеевского рассеяния.

Для работы рефлектометра 2 необходимо, чтобы мощность P(x) превышала некоторое критическое значение P_KR (минимальная мощность излучения, при которой рефлектометр 2 регистрирует отраженный сигнал).

В современных волокнах основной источник потерь - рэлеевское рассеяние, поэтому между коэффициентом рэлеевского рассеяния R и коэффициентом затухания света в волокне γ существует взаимосвязь: с увеличением R увеличивается также и γ. Поэтому использование волокна с более высоким коэффициентом рэлеевского рассеяния R и, следовательно с большим значением затухания γ приводит к увеличению мощности Р(х) в самом начале волоконно-оптического кабеля 3, но ведет к более быстрому снижению мощности Р(х) с увеличением х. Как правило, наибольшая дальность работы рефлектометра 2 достигается при использовании волокна с наименьшим затуханием. Замена его волокном с большим значением коэффициента рэлеевского рассеяния часто ведет к уменьшению дальности его работы.

За счет использования комбинированного волоконно-оптического кабеля 3, состоящего из последовательно расположенных участков волокна с увеличивающимся коэффициентом рэлеевского рассеяния, удается увеличить дальность работы устройства. При изготовлении первого участка максимально возможной длины L₁, когда мощность P(L₁) равна P_KR, присоединение волокна с более высоким коэффициентом рэлеевского отражения увеличивает мощность отраженного сигнала до уровня P_KR·(R₂/R₁). В результате обеспечивается увеличение дальности на длину L₂, которую можно определить из условия: (R₂/R₁)·exp(-2γ₂L₂)=1 и, следовательно, обеспечивает увеличение дальности работы датчика.

Еще больше увеличить дальность работы рефлектометра позволяет использование на втором участке волокна, коэффициент затухания которого изменяется вдоль волокна по следующему закону (х - координата вдоль волокна):

На первом участке распределенного датчика в качестве чувствительного элемента используется волокно, коэффициент затухания которого имеет минимально возможное постоянное значение γ₀.

Точность определения положения и дальность работы устройства могуч быть увеличены также за счет оснащения контролируемого объекта (очистной или диагностический) источником вибрации и/или акустических колебаний в диапазоне от 10 Гц до 5 кГц.

Кроме того, могут быть использованы и другие дополнительные приемы повышения эффективности работы устройства, характерные для когерентных рефлектометров, некоторые из которых онисанны ниже.

Увеличить дальность работы устройства позволяет использование распределенного ВКР (рамановского) усиления при соединении волоконно-оптического кабеля с источником непрерывного оптического излучения, частота которого больше частоты излучения импульсного оптического источника на 13±7 ТГц. В этом случае непрерывное оптическое излучение обеспечивает усиление как импульсного сигнала, распространяющегося в прямом направлении вдоль волоконно-оптического кабеля, так и рассеянного излучения, распространяющегося в обратном направлении.

Увеличить дальность работы устройства позволяет использование эрбиевого усилителя с удаленной накачкой. В этом случае в чувствительном элементе приемного преобразователя в виде волоконно-оптического кабеля содержится один или несколько участков активного оптического волокна, причем активное оптическое волокно соединено с источником излучения накачки. Первый участок активного волокна расположен после одного или нескольких участков пассивного волокна. Поскольку в пассивных волокнах мощность излучения импульсного оптического источника уменьшается, а кроме того уменьшается мощность рассеянного назад излучения, то амплитуда регистрируемого сигнала тоже уменьшается и этим ограничивается дальность работы устройства. Эрбиевый усилитель с удаленной накачкой обеспечивает усиление, как светового импульса, так и рассеянного назад излучения, тем самым увеличивая амплитуду регистрируемого сигнала. Поскольку амплитуда сигнала выросла, то этим самым обеспечивается возможность увеличения длины кабеля путем присоединения еще одного участка пассивного волокна.

С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что заявленный технический результат - увеличение дальности и повышение точности обнаружения и регистрации положения контролируемого объекта в трубопроводе - достигнут.