БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА В ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для экспресс контроля коррозионного состояния подземных трубопроводов: поиска трассы и точной привязки трубопровода к дневной поверхности, измерения глубины заложения трубопровода, измерения тока, протекающего по трубопроводу, оценки состояния изоляционного покрытия трубопровода и его сопротивления изоляции.

Известна система РСМ фирмы Radiodetection (см. рекламный проспект RD400PCM Pipeline Current Mapper Receiver Technical Specification от 1996 г. ), содержащая бесконтактный измеритель тока в подземных трубопроводах, включающий три индукционных магнитоприемника, жестко связанных между собой и расположенных вдоль прямой, являющейся продолжением радиуса трубопровода, измерительные датчики разнесены по высоте. Кроме того, РСМ содержит систему обработки сигналов, поступающих с датчиков. Недостатком системы является большая погрешность при измерении глубины залегания трубопровода и измерения тока, протекающего по трубопроводу.

Известен бесконтактный измеритель тока в подземных трубопроводах (см. А. С. N 1821785 от 22.11.90 г., опубликовано в БИ N 22 от 15.06.93 г.), содержащий три индукционных датчика магнитного поля, жестко между собой связанных и расположенных вдоль прямой, являющейся продолжением радиуса трубопровода. Измерительные датчики разнесены по высоте на расстояние, равное базе, и ориентируются на измерение полного вектора поля. Последовательно с датчиками включены переключатель рода работ, переключатель пределов измерения, избирательный усилитель, детектор и выходной индикатор. В усилитель дополнительно введен плавно изменяемый линейный регулятор усиления, имеющий шкалу. Бесконтактный измеритель тока в подземных трубопроводах является наиболее близким по своей технической сущности и может быть в качестве прототипа к заявляемому изобретению.

Недостаток прототипа заключается в практической невозможности выполнить одинаковый коэффициент преобразования индукционных датчиков, что приводит к низкой точности измерения глубины заложения трубопровода, измерения тока, протекающего по трубопроводу, и как следствие к неточной оценке состояния изоляционного покрытия трубопровода.

Решаемой технической задачей является создание устройства для измерения тока, протекающего по подземным трубопроводам, с большей точностью.

Достигаемый технический результат - повышение точности измерений.

Технический результат достигается тем, что бесконтактный измеритель тока в подземных трубопроводах содержит, по крайней мере, два датчика магнитного поля, расположенных в плоскости, перпендикулярной трубопроводу, при этом датчики жестко связаны между собой, расположены вдоль прямой, являющейся продолжением радиуса трубопровода, магнитные оси первого и второго соответственно верхнего и нижнего датчиков расположены в плоскости, ортогональной трубопроводу, и параллельны между собой, нуль-орган, последовательно соединенные переключатель рода работ, ступенчатый регулятор усиления, избирательный усилитель, линейный регулятор усиления, усилитель, детектор и индикатор, второй вход нуль-органа заземлен. Новым является то, что в качестве датчиков магнитного поля используют феррозондовые магнитометры, один из которых является однокомпонентным, а другой - двухкомпонентным, вторая магнитная ось которого совпадает с радиальной прямой трубопровода и перпендикулярна первой магнитной оси второго магнитометра и лежит в плоскости, проходящей через магнитную ось первого магнитометра и первую магнитную ось второго магнитометра, которые противоположно направлены, выход первого магнитометра соединен с первым входом переключателя рода работ, первый выход второго магнитометра соединен со вторым входом переключателя рода работ, а второй выход второго магнитометра соединен с первым входом нуль-органа.

Введение в бесконтактный измеритель тока в подземных трубопроводах датчиков магнитного поля в виде феррозондовых магнитометров один из которых является однокомпонентным, а другой - двухкомпонентным, вторая магнитная ось которого совпадает с радиальной прямой трубопровода и перпендикулярна первой магнитной оси второго магнитометра и лежит в плоскости, проходящей через магнитную ось первого магнитометра и первую магнитную ось второго магнитометра, которые противоположно направлены, что позволяет получить одинаковые коэффициенты преобразования датчиков в широком диапазоне температур и большом интервале глубин залегания трубопровода, что существенно влияет на погрешность определения глубины залегания трубопровода и тока, протекающего по нему.

Изобретение поясняется фигурой, на которой изображена структурная схема бесконтактного измерителя тока в подземных трубопроводах.

Бесконтактный измеритель тока в подземных трубопроводах содержит однокомпонентный феррозондовый магнитометр 1, двухкомпонентный феррозондовый магнитометр 2, 3 - нуль-орган, 4 - переключатель рода работы, 5 - регулятор усиления скачкообразный (переключатель пределов измерения), 6 - избирательный усилитель, 7 - регулятор усиления плавный (линейный потенциометр с равномерной шкалой), 8 - усилитель, 9 - линейный детектор, 10 - выходной индикатор, 11-13 - выходы феррозондовых магнитометров 1 и 2, 14-15 - входы нуль-органа 3, 16-19 - контакты переключателя 4, 20 - трубопровод.

Устройство работает следующим образом.

Феррозондовый магнитометр 1 установлен так, что его магнитная ось ориентирована таким образом, чтобы измерить тангенциальную составляющую магнитного поля тока, протекающего по трубопроводу. Феррозондовый магнитометр 2 имеет две магнитные оси и, соответственно, два канала, один из которых измеряет нормальную составляющую поля выход 12, второй канал измеряет тангенциальную составляющую поля выход 13. Феррозондовые магнитометры 1 и 2, измерительный усилитель 6 настраивают на частоту измеряемого тока (на вторую гармонику сетевого напряжения при контроле станции катодной защиты (СКЗ) или на частоту генератора, подключенного выходными клеммами к трубопроводу и заземлению). Поиск местоположения трубопровода (трассы) производят во втором или третьем положении переключателя 4, при котором на вход измерителя подается сигнал от однокомпонентного феррозондового магнитометра 1 выход 11 или с выхода 13 двухкомпонентного феррозондового магнитометра 2, соответственно, через контакты 17 или 19 переключателя 4. Перемещая и поворачивая штангу с установленными магнитометрами 1, 2 поперек трассы, добиваются максимального показания выходного измерителя 10, которое соответствует ориентации измерительной системы в поперечной плоскости на измерение тангенциальной составляющей (полного вектора) поля. По минимальному показанию нуль-органа 3, подключенного к выходу 12 феррозондового магнитометра 2, уточняют ориентацию феррозондовых магнитометров 1 и 2 над осью трубопровода 20.

Затем производят измерение глубины залегания трубопровода (расстояние от феррозондового магнитометра 2 до оси трубы). Для этого плавный регулятор усиления 7 ставят в среднее положение и переключателем 4 на вход измерителя через контакты 16 и 18 подают сигналы от идентичных (в смысле коэффициента преобразования) феррозондовых магнитометров 1 и 2, измеряющих тангенциальные составляющие поля тока, протекающего по трубопроводу (соответственно выходы 11 и 13), магнитные оси которых противоположно направлены, напряжения на выходе которых соответственно равны


где a - база антенной системы, h - расстояние от нижнего феррозондового магнитометра 2 до оси трубопровода (глубина), G₁ - коэффициент преобразования феррозондового магнитометра 1 (чувствительность) B/A/м, G₂ - коэффициент преобразования феррозондового магнитометра 2, K - коэффициент усиления, I - ток в трубопроводе.

В результате того, что магнитные оси магнитометров 1, 2 противоположно направлены (а коэффициенты преобразования феррозондовых магнитометров равны, т. е. G₁ = G₂ = G), тогда показание выходного измерителя α будет пропорционально разности сигналов измерительных феррозондовых магнитометров.

где K = K₁K₂; K₂ - коэффициент передачи плавного регулятора; K₁ - коэффициент передачи скачкообразного регулятора усиления (предел измерения), при котором стрелка измерителя устанавливается в рабочую часть шкалы.

Регулировкой плавного регулятора усиления K₂ до значения K_2н доводят отклонение α стрелки измерителя до последнего деления α_н (номинальное показание). Тогда

Далее переключатель 4 переводят в следующее положение, при котором с контакта 17 на вход регулятора усиления 5 поступает сигнал с феррозондового магнитометра 1. При этом показания измерителя α определяется напряжением U₁, т.е.

Подставляя сюда значение K_2н из (4), получаем

где - постоянная прибора по глубине h.

Из (6) следует, что шкала измерителя линейна и ее можно проградуировать непосредственно в значениях глубины.

Затем переходим к измерению тока в трубопроводе. Имея на плавном регуляторе усиления 7 равномерную шкалу с оцифровкой, например, от 10 до 1, что будет соответствовать глубинам h =10-1 м, и зная уже h, установим этот регулятор на отметку, равную значению h. Тем самым мы установим коэффициент передачи пропорциональным глубине, т.е. K₂≡ h. Поскольку отклонение измерителя α пропорционально U₂, соответствующему (2), то с учетом K₂ = mh

где - постоянная устройства по току,
m - коэффициент пропорциональности.

Скачкообразным изменением коэффициента усиления K₁ производят изменение пределов измерения по току, чем обеспечивается необходимый динамический диапазон его измерения, в частности, от единиц мА до десятков А.

Существенным фактором, влияющим на точность измерения, является введение феррозондового магнитометра 1, охваченного отрицательной обратной связью по полю, и двухкомпонентного феррозондового магнитометра 2, одна из осей которого, измеряющая тангенциальную составляющую поля тока, протекающего по трубопроводу, также охвачена отрицательной обратной связью пo полю. Это позволяет получить идентичные коэффициенты преобразования этих каналов феррозондовых магнитометров в широком температурном диапазоне и в широком интервале глубин залегания трубопроводов под землей, независимо от базы антенной системы а. Идентичность коэффициентов преобразования феррозондовых магнитометров G₁ и G₂, приведенных в формулах (1) и (2), позволяют получить разностный сигнал двух этих каналов в виде формулы (3), что практически невозможно выполнить, применяя индукционные магнитоприемники, выполненные на ферритовых сердечниках.

Канал феррозондового магнитометра 2, регистрирующий нормальную компоненту поля тока, протекающего по трубопроводу, не охвачен отрицательной обратной связью, так как для более точного определения местоположения трубопровода требуется высокая чувствительность, что выполняется в данном случае. Совмещение на одном магнитометре двух каналов, измеряющих нормальную и тангенциальную компоненту поля тока, протекающего по трубопроводу, позволяет экономить потребляемую мощность и уменьшить габариты антенной системы.

Изготовлен опытный образец бесконтактного измерителя тока подземного трубопровода. Антенная система, состоящая из однокомпонентного и двухкомпонентного феррозондового магнитометра выполнена по типичной схеме феррозондовых магнитометров для измерения низкочастотных магнитных полей [см. Афанасьев Ю. В. Феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986 - 128 с.], а датчик феррозондового магнитометра 2 дополнен взаимно перпендикулярной измерительной обмоткой с дополнительным каналом обработки сигнала, который аналогичен каналу обработки, приведенному в [см. Афанасьев Ю. В. Феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986 - 110 с.]. Этот канал используется для нуль-органа (уточнения местоположения трубопровода).

Измерительное устройство собрано на микромощных операционных усилителях, обеспечивающих необходимую точность измерений и обладающих низким энергопотреблением, что важно для работы в полевых условиях. Диапазонный регулятор 5 может быть выполнен по схеме инвертирующего усилителя с набором резисторов в цепи ОС, соответствующих необходимому коэффициенту усиления и коммутируемых переключателем пределов измерения. Количество диапазонов и необходимый коэффициент усиления выбирают исходя из реальных условий реализации.

Избирательный полосовой фильтр 6 может быть выполнен по схеме биквадратного активного фильтра и настраиваться на частоту измеряемого поля, в частности 100 Гц при использовании СКЗ.

Регулятор плавный 7 реализуется также по схеме инвертирующего усилителя с переменным резистором в цепи ОС, плавно изменяющим коэффициент усиления в пределах не менее 20 дБ.

Усилитель 8 выполняется по схеме неинвертирующего усилителя и предназначен для усиления сигналов до уровня необходимого для работы детектора 9, который выполнен по схеме точного выпрямителя, выход которого соединен со стрелочным индикатором 10.

Нуль-орган выполняется по любой из известных схем для аналогичных устройств.

Бесконтактный измеритель тока подземного трубопровода показал свои хорошие метрологические характеристики в сравнительных испытаниях с приемником системы РСМ фирмы Radiodetection (см. RD 400 PCM Pipeline Current Mapper Receiver Technical Specification), выполненных на участках газопроводов "Волготрансгаза".