Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДИКАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ВНУТРИТРУБНЫХ ОБЪЕКТОВ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к вспомогательным устройствам для трубопроводных систем, а именно к системам индикации положения устройств типа "крот" внутри трубопроводов, внутритрубных инспекционных снарядов, а также скребков и разделителей, перемещающихся внутри трубопроводов, главным образом, внутри магистральных нефтепроводов, газопроводов и нефтепродуктопроводов, путем излучения низкочастотного электромагнитного поля внутри трубопровода и регистрации электромагнитного поля с противоположной стороны относительно стенки трубопровода.

Известен сигнализатор положения движущегося в трубопроводе объекта и способ его применения (а.с. СССР SU 1214985, MПК F 17 D 5/00, дата публикации 28.02.86), содержащий постоянный магнит, микроэлектродвигатель его вращения, источник питания, пускатель, последовательно соединенные магнитоуправляемый контакт, измеритель средней частоты вращения магнитов и блок управления, включенные в цепь питания микроэлектродвигателя, при этом выход блока управления соединен с микроэлектродвигателем и пускателем. Излучение электромагнитных колебаний производят путем вращения постоянного магнита с помощью электродвигателя, подключенного к источнику питания, и создания, таким образом, вращающегося магнитного поля.

Основным недостатком внутритрубных сигнализаторов такого типа является низкий кпд из-за больших потерь рассеяния мощности, в том числе теплового рассеяния и излучения в широком диапазоне частот.

Известны также
способ и устройство для контроля положения и управления оборудованием внутри трубопровода (патент США US 5651638, MПК F 16 L 1/00, дата публикации 29.07.97), содержащее установленные на перемещающемся внутри трубопровода объекте передающие и приемные магнитные антенны, включающие токовые обмотки и магнитопровод, антенны подключены к приемопередатчику;
способ и устройство для контроля положения объекта внутри трубопровода (международная заявка WO 00/65271, MПК F 16 L 55/48, дата публикации 02.11.00, патент-аналог: US 6092406), содержащее устанавливаемый вне трубопровода вблизи его стенки передатчик электромагнитных волн низкой частоты и устанавливаемый на контролируемом объекте, перемещающемся внутри трубопровода, низкочастотный приемник. Низкочастотный передатчик включает в себя магнитную антенну с токовой обмоткой и формирователь низкочастотных электромагнитных колебаний;
способ и устройство для индикации местоположения объекта в трубопроводе (а. с. СССР SU 1691658, MПК F 17 D 5/00, дата публикации 15.11.91; а.с. СССР SU 1760234, MПК F 17 D 5/00, дата публикации 07.09.92; а.с. СССР SU 1767282, MПК F 17 D 5/00, дата публикации 07.10.92), содержащее источник постоянного тока и источник переменного магнитного поля, состоящий из кольцевой магнитной системы с наружным магнитопроводом и с секторообразными постоянными магнитами чередующейся полярности, в зазоре которой расположена электрообмотка.

Указанные устройства применяют путем излучения низкочастотных электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контурах указанных устройств.

Прототипом заявленного устройства является устройство для индикации положения внутритрубных объектов (передатчик), закрепляемое на внутритрубном объекте (а. с. СССР SU 987278, MПК F 17 D 5/00, дата публикации 07.01.83), которое включает в себя корпус, подключенные последовательно источник питания, низкочастотный генератор электромагнитных колебаний и индуктивную катушку, подключенную к выходам указанного генератора.

Прототипом заявленных вариантов способа является способ применения устройства-прототипа (а.с. СССР SU 987278, MПК F 17 D 5/00, дата публикации 07.01.83) путем излучения низкочастотных электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контуре.

Основным недостатком указанных устройств и способов их применения является инерционность колебательных контуров, образованных индуктивными и емкостными элементами, из-за которой вывод контура в резонансный режим при включении режима излучения вызывает значительные затраты энергии источника питания, емкость которого ограничена, а при выключении передатчика запасенная энергия рассеивается.

В заявленном изобретении решается задача исключения регулярных энергозатрат на вывод контура в резонансный режим и расширение функциональных возможностей устройства.

Заявленное устройство для индикации положения внутритрубных объектов также включает в себя подключенные последовательно источник питания, низкочастотный генератор электромагнитных колебаний и LC-контур.

В отличие от прототипа в заявленном устройстве генератор включает в себя электронно-управляемые ключи и схему управления ключами, LC-контур выполнен последовательным и подключен к источнику питания через электронно-управляемые ключи.

Основной технический результат, достигаемый в результате применения заявленного устройства, - повышение эффективности обнаружения внутритрубных объектов и длительности работы устройства индикации без замены батарей питания, а также увеличение функциональных возможностей устройства, в частности возможности организации связи с внутритрубным объектом и безынерционного использования контура излучателя для излучения (и/или приема) несущих управляющую информацию электромагнитных колебаний, излучаемых вне трубопровода. Механизм достижения указанного технического результата состоит в том, что периодическое изменение полярности подключения контура к источнику питания с помощью электронно-управляемых ключей позволяет запасать энергию в конденсаторе при выключении режима излучения колебаний и/или при переключении в режим приема внешних электромагнитных колебаний, а также чередовать режимы работы с излучением колебаний с режимами работы без излучения в зависимости от скорости снаряда в трубопроводе и дальности обнаружения сигнала излучателя (с учетом толщины стенки трубопровода) без инерционных потерь в резонансном контуре.

В предпочтительном исполнении один из входов LC-контура через один из ключей подключен к первому полюсу источника питания, через второй ключ подключен ко второму полюсу источника питания, второй вход LC-контура через третий ключ подключен к первому полюсу источника питания, через четвертый ключ подключен ко второму полюсу источника питания.

В развитие изобретения LC-контур включает в себя конденсатор и индуктивную катушку, устройство включает в себя также второй конденсатор, схему приема и усиления электромагнитных колебаний, дополнительный яемый ключ, один из выходов индуктивной катушки LC-контура, подключенный к конденсатору LC-контура, через указанный дополнительный яемый ключ подключен также к одному из выходов второго конденсатора, второй выход второго конденсатора подключен к входу схемы приема и усиления электромагнитных колебаний, что позволяет организовать безынерционную двустороннюю связь с внутритрубным объектом.

Устройство включает в себя также третий конденсатор, вход приемно-усилительного тракта подключен через указанный третий конденсатор к общему проводу и/или одному из полюсов источника питания. Емкость третьего конденсатора составляет от 3 до 50 емкости второго конденсатора. Емкость второго конденсатора составляет не менее емкости конденсатора LC-контура или суммарной емкости LC-контура.

В предпочтительном исполнении схема управления электронно-управляемыми ключами выполнена в виде программно перенастраиваемого контроллера и включает в себя микропроцессор.

Схема управления электронно-управляемыми ключами включает в себя генератор тактовых импульсов и счетчики тактовых импульсов, входы счетчиков подключены к выходам генератора тактовых импульсов, выходы счетчиков подключены к управляющим входам соответствующих электронно-управляемых ключей, частота тактового генератора составляет не менее резонансной частоты LC-контура. Указанное исполнение устройства позволяет свободно перепрограммировать организацию схемы устройства в зависимости от решаемых задач и условий применения: толщины стенки трубопровода, наличия защитных кожухов, протяженности участка трубопровода между камерами запуска/приема внутритрубных снарядов, транспортируемой среды, скорости и типа снаряда (отыскания застрявшего очистного скребка или обмен диагностической и управляющей информацией с движущимся инспекционным снарядом (внутритрубным дефектоскопом)) и др.

В предпочтительном исполнении устройства электронно-управляемые ключи выполнены на полевых транзисторах; резонансная частота LC-контура составляет не более 1 кГц, емкость конденсатора LC-контура составляет от 1 до 100 мкФ, исполнение устройства с указанными параметрами позволяет пренебречь коммутационными процессами.

В дальнейшее развитие изобретения генератор включает в себя резистор, выход индуктивной катушки LC-контура, подключенный к выходу конденсатора LC-контура, подключен через указанный резистор к общему проводу и/или к одному из полюсов источника питания.

Заявленный способ индикации положения внутритрубных объектов (по первому варианту) также выполняют путем излучения низкочастотных электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контуре.

В отличие от прототипа в первом варианте заявленного способа электромагнитные колебания в LC-контуре возбуждают путем периодического подключения LC-контура к выходам источника питания синхронно с периодом резонансных колебаний в контуре с чередованием (инвертированием) полярности подключения в зависимости от фазы колебаний в контуре.

Общий технический результат (для двух вариантов заявленных способов), достигаемый в результате применения первого варианта заявленного способа, - повышение эффективности обнаружения внутритрубных объектов и длительности выполнения работы по индикации положения внутритрубных объектов без замены батарей питания в устройствах индикации. Механизм достижения указанного технического результата для первого варианта заявленного способа состоит в том, что периодическое изменение полярности подключения контура к источнику питания с помощью электронно-управляемых ключей позволяет запасать энергию в конденсаторе при выключении режима излучения колебаний и чередовать режимы работы с излучением колебаний с режимами работы без излучения в зависимости от скорости снаряда в трубопроводе и дальности обнаружения сигнала излучателя (с учетом толщины стенки трубопровода) без инерционных потерь в резонансном контуре.

В предпочтительном исполнении первого варианта заявленного способа полярность подключения LC-контура к источнику питания изменяют с помощью электронно-управляемых ключей.

Переключение полярности выполняют в некоторый момент времени, отстоящий от момента резонансного пика по напряжению не более чем на 0,05 периода резонансных колебаний в LC-контуре.

Переключение полярности подключения LC-контура выполняют в некоторый промежуток времени, в течение которого сила тока в LC-контуре составляет не более 5% максимального значения за период колебаний.

Переключение полярности подключения LC-контура выполняют в некоторый промежуток времени, в течение которого напряжение на конденсаторе LC-контура составляет не менее 95% максимального значения за период колебаний.

Переключение режима работы с излучением колебаний в режим работы без излучения колебаний выполняют в фазе увеличения силы тока в контуре и/или через некоторый промежуток времени после достижения величины тока в LC-контуре менее 5% максимального значения за период колебаний.

Переключение полярности подключения LC-контура к источнику питания выполняют через некоторый промежуток времени после достижения величины напряжения на конденсаторе LC-контура более 95% максимального значения за период колебаний.

Указанный здесь промежуток времени составляет 0,01-0,05 периода колебаний в контуре и/или промежуток времени составляет 30-1000 мкс.

Реализация способа с параметрами в указанных пределах наиболее предпочтительна для сохранения запаса энергии в емкостных элементах схемы при переключениях.

В предпочтительном исполнении первого варианта заявленного способа момент переключения полярности подключения LC-контура к источнику питания определяют путем подсчета числа импульсов заданной частоты с момента последнего переключения полярности как момент регистрации N-го импульса, что позволяет свободно перепрограммировать организацию схемы устройства в зависимости от решаемых задач и условий применения: толщины стенки трубопровода, наличия защитных кожухов, протяженности участка трубопровода и др.

Заявленный способ индикации положения внутритрубных объектов (по второму варианту) также выполняют путем излучения низкочастотных электромагнитных колебаний внутри или вне трубопровода и приема указанных колебаний с противоположной стороны относительно стенки трубопровода, электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контуре.

В отличие от прототипа во втором варианте заявленного способа режим работы LC-контура с излучением электромагнитных колебаний чередуют с режимом работы LC-контура без излучения электромагнитных колебаний, переключение указанных режимов работы LC-контура выполняют путем разрыва или восстановления подключения, по меньшей мере, одного из выходов конденсатора LC-контура в некоторый момент времени, отстоящий от момента резонансного пика по напряжению не более чем на 0,05 периода резонансных колебаний в LC-контуре.

Общий технический результат (для двух вариантов заявленных способов), достигаемый в результате применения второго варианта заявленного способа, - повышение эффективности обнаружения внутритрубных объектов и длительности выполнения работы по индикации положения внутритрубных объектов без замены батарей питания в устройствах индикации. Механизм достижения указанного технического результата для второго варианта состоит в том, что периодическое изменение полярности подключения контура к источнику питания с помощью электронно-управляемых ключей позволяет запасать энергию в конденсаторе при переключении режима излучения колебаний в режим приема с учетом характерного времени пассивного состояния передатчика при движении снаряда в трубопроводе и чередовать режимы работы с излучением колебаний с режимами приема в зависимости от скорости снаряда в трубопроводе и дальности обнаружения сигнала излучателя (с учетом толщины стенки трубопровода), а также решаемой задачи, без инерционных потерь в резонансном контуре.

В предпочтительном исполнении второго варианта заявленного способа переключение режимов работы выполняют в некоторый промежуток времени, в течение которого сила тока в LC-контуре составляет не более 1% максимального значения за период колебаний и/или в течение которого напряжение на конденсаторе LC-контура составляет не менее 95% максимального значения за период колебаний.

Переключение режима работы с излучением колебаний в режим работы без излучения колебаний выполняют в фазе увеличения силы тока в контуре и/или через некоторый промежуток времени после начала фазы увеличения силы тока в контуре.

Промежуток времени составляет 0,01-0,05 периода резонансных колебаний в контуре и/или промежуток времени составляет 30-1000 мкс.

Реализация способа с параметрами в указанных пределах наиболее предпочтительна для сохранения запаса энергии в емкостных элементах схемы при переключениях с учетом характерного времени пассивного состояния передатчика при движении снаряда в трубопроводе.

Длительность режима работы с излучением колебаний составляет не менее трех периодов возбуждаемых колебаний. Указанное условие предпочтительно для обеспечения достоверного приема излучаемых колебаний приемником.

Указанные ранее разрыв или восстановление подключения выхода конденсатора выполняют с помощью электронно-управляемого ключа, момент переключения режима работы контура определяют путем подсчета числа импульсов заданной частоты с заданного момента времени как момент регистрации N-го импульса, что позволяет свободно перепрограммировать организацию схемы устройства в зависимости от решаемых задач и условий применения: толщины стенки трубопровода, наличия защитных кожухов, протяженности участка трубопровода и др.

Переключение режимов работы контура выполняют с помощью электронно-управляемых ключей подключения LC-контура к источнику питания путем размыкания ключей, соответствующих размыканию, по меньшей мере, одного из выходов конденсатора LC-контура.

Переключение режима работы без излучения колебаний в режим работы с излучением колебаний выполняют через переменный интервал времени, превышающий три периода излучаемых электромагнитных колебаний, значение устанавливаемого интервала времени однозначно соответствует управляющему или информационному коду для средств приема излучаемых электромагнитных колебаний.

Переключение режима работы без излучения колебаний в режим работы с излучением колебаний выполняют через переменный интервал времени, превышающий три периода излучаемых электромагнитных колебаний, разность между значением устанавливаемого интервала времени и значением времени, составляющем сумму полных периодов колебаний, укладывающихся в указанный интервал времени, однозначно соответствует управляющему или информационному коду для средств приема излучаемых электромагнитных колебаний, что позволяет организовать двустороннюю безынерционную связь с внутритрубным объектом и/или его управление.

В дальнейшее развитие заявленного способа:
при переключении LC-контура в режим работы без излучения колебаний устройство включают в режим приема электромагнитных колебаний;
после переключении LC-контура в режим работы без излучения колебаний устройство включают в режим приема электромагнитных колебаний;
устройство включают в режим приема путем подключения одного из выходов конденсатора LC-контура, соединенного с катушкой индуктивности LC-контура, к приемно-усилительному тракту.

На фиг.1 изображена схема, иллюстрирующая применение заявленного устройства для обнаружения и индикации (регистрации) прохождения внутритрубного снаряда;
на фиг.2 изображена схема, иллюстрирующая работу генератора электромагнитных колебаний заявленного устройства.

В предпочтительном исполнении заявленное устройство для индикации положения внутритрубных объектов (фиг.1) закрепляется на внутритрубном объекте 2 (снаряде), пропускаемом внутри трубопровода 3, находящегося под слоем грунта 4, и включает в себя корпус. В одном из фрагментов корпуса 5 установлены элементы питания, в другом фрагменте (колпаке) 7 корпуса установлены индуктивная катушка и низкочастотный генератор электромагнитных колебаний, корпус включает в себя фланец 6 для закрепления устройства на снаряде. Излучаемые заявленным устройством электромагнитные колебания 8 регистрируются с помощью приемника (регистратора) 1.

Заявленное устройство для индикации положения внутритрубных объектов включает в себя (фиг.2) источник питания 21, последовательный LC-контур из конденсатора 22 и индуктивной катушки 23, низкочастотный генератор электромагнитных колебаний, включающий в себя электронно-управляемые ключи 24, 25, 26, 27, резистор 28, дополнительный ключ 29 и схему 30 управления ключами. Устройство включает в себя также приемно-усилительный тракт 31, дополнительные конденсаторы 32, 33.

Один из выходов катушки 23 подключен к конденсатору 22, второй выход катушки 23 подключен через ключ 24 к одному выходу источника питания 21, а через ключ 27 - ко второму выходу источника 21. Второй выход конденсатора 22 (не подключенный к катушке 23) через ключ 26 подключен к первому выходу источника 21, через ключ 25 - ко второму выходу источника 21. Выход катушки 23, подключенный к выходу конденсатора 22, через резистор 28 сопротивлением несколько кОм подключен ко второму выходу источника питания 21 (общему проводу), а через дополнительный электронно-управляемый ключ 29 и дополнительный конденсатор 32 подключен к входу приемно-усилительного тракта 31. К входу тракта 31 подключен конденсатор 33, второй выход которого подключен к общему проводу. Выходы схемы 30 подключены к управляющим входам ключей. Схема 30 управления электронно-управляемыми ключами выполнена в виде программно-перенастраиваемого контроллера и включает в себя микропроцессор, генератор тактовых импульсов и счетчики тактовых импульсов, входы счетчиков подключены к выходам генератора тактовых импульсов, выходы счетчиков подключены к управляющим входам соответствующих электронно-управляемых ключей 24, 25, 26, 27, 29. Электронно-управляемые ключи 24-27, 29 выполнены на полевых транзисторах; резонансная частота LC-контура составляет около 22 Гц, емкость конденсатора составляет около 5 мкФ. Емкость конденсатора 33 составляет 10 емкостей конденсатора 32. Емкость конденсатора 32 равна емкости конденсатора 22 LC-контура.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Фиг. 1 иллюстрирует применение заявленного устройства для обнаружения и регистрации прохождения внутритрубного снаряда 2 внутри уложенного трубопровода 3 под слоем грунта 4. Приемопередатчик, элементы которого обозначены позициями 5,6,7, является источником низкочастотного электромагнитного поля, которое регистрируется на поверхности земли обнаружителем 1.

Перед запуском снаряда в трубопровод на снаряд 2 устанавливают приемопередатчик. Внутритрубный снаряд с включенным приемопередатчиком пропускают внутри трубопровода. Бригады сопровождения снаряда прибывают на заранее помеченные пункты по трассе трубопровода, включают оборудование для приема низкочастотных сигналов 8 и регистрируют время прохождения снаряда или при получении сигналов от заявленного устройства включают наземный передатчик электромагнитных сигналов, которые принимаются приемно-усилительным трактом 31 и записываются в память.

Электромагнитные колебания излучают путем возбуждения колебаний в LC-контуре, которое осуществляют путем периодического подключения LC-контура к выходам источника питания 21 синхронно с периодом резонансных колебаний в контуре 45,5 мс с чередованием (инвертированием) полярности подключения в зависимости от фазы колебаний в контуре.

Полярность подключения LC-контура к источнику питания изменяют с помощью электронно-управляемых ключей 24, 25, 26, 27.

В режиме излучения колебаний ключ 29 разомкнут, ключи 24, 25, 26, 27 образуют пары 24-25 и 26-27. В отрезок времени, когда пара ключей 24-25 замкнута, ключи 26 и 27 разомкнуты. Когда пара ключей 26-27 замыкает цепь, ключи 24 и 25 разомкнуты. Замыкание и размыкание ключей осуществляют синхронно с периодом резонансных колебаний в контуре. Переключение в режим приема внешних электромагнитных колебаний осуществляют путем замыкания ключа 27 и дополнительного ключа 29 с размыканием ключей 24, 25, 26.

Переключение полярности подключения LC-контура выполняют в момент времени, отсчитываемый счетчиками схемы 30 как момент регистрации N-го импульса с момента последнего переключения полярности. Указанный момент времени соответствует фазе увеличения силы тока в контуре через промежуток времени около 100 мкс после достижения величины тока в LC-контуре менее 5% максимального значения за период колебаний (или после достижения величины напряжения на конденсаторе 22 более 95% максимального значения за период колебаний).

Режим работы LC-контура с излучением электромагнитных колебаний чередуют с режимом работы LC- контура без излучения электромагнитных колебаний. Переключение указанных режимов работы LC-контура выполняют путем разрыва или восстановления подключения выхода конденсатора 22, не подключенного к катушке 23, в момент времени, отсчитываемый счетчиками схемы 30, который соответствует фазе увеличения силы тока в контуре через промежуток времени около 100 мкс после начала фазы увеличения силы тока в контуре, при этом напряжение на конденсаторе 22 более 95% максимального значения за период колебаний, сила тока в LC-контуре менее 1% максимального значения за период колебаний.

Длительность режима работы с излучением колебаний составляет от 6 до 12 периодов возбуждаемых колебаний. Разрыв или восстановление подключения выхода конденсатора 22 выполняют с помощью электронно-управляемых ключей 29 и (25 или 26).

Переключение режима работы без излучения колебаний в режим работы с излучением колебаний выполняют через переменный интервал времени, превышающий три периода излучаемых электромагнитных колебаний. Значение устанавливаемого интервала времени однозначно соответствует управляющему или информационному коду для средств приема излучаемых электромагнитных колебаний. Кроме того, разность между значением устанавливаемого интервала времени и значением времени, составляющим сумму полных периодов колебаний, укладывающихся в указанный интервал времени, тоже однозначно соответствует управляющему или информационному коду для средств приема излучаемых электромагнитных колебаний (при этом производится передача кодовых посылок с помощью разности начальной фазы излучаемых колебаний).

Указанное значение задается схемой 30 и является либо заданной запрограммированной функцией времени, либо функцией состояния каких-либо датчиков или индикаторов, установленных на снаряде 2. Например, в случае падения напряжения на источнике питания 21 индикатор падения напряжения выдает управляющий сигнал на схему 30, соответствующий некоторому значению указанного интервала времени. Если на снаряде установлены контрольные датчики для измерения параметров трубопровода и/или состояния установленного на снаряде 2 оборудования, то в случае наступления заданного события (сбоев работы оборудования, идентификации дефектов трубопровода, особо опасных для его дальнейшей эксплуатации или для пропуска последующего инспекционного снаряда) указанные контрольные датчики выдают управляющие сигналы на схему 30 для формирования заданной длительности "молчания" передатчика.

В другом варианте реализации заявленного изобретения заявленное устройство устанавливают вне трубопровода и периодически включают на излучение низкочастотных электромагнитных колебаний. На снаряд 2 устанавливают приемник-регистратор низкочастотных электромагнитных колебаний или бортовой приемопередатчик низкочастотных электромагнитных колебаний.

При прохождении снаряда с установленным на нем приемником-регистратором вблизи заявленного устройства приемник-регистратор регистрирует время приема колебаний или соответствующий времени параметр, например пройденную дистанцию.

При прохождении снаряда с установленным на нем приемопередатчиком вблизи заявленного устройства приемопередатчик принимает электромагнитные колебания и излучает соответствующую посылку электромагнитных колебаний, которая при переключении заявленного устройства в режим приема регистрируется.