ПРИЁМНЫЙ ПОЛУКОМПЛЕКС СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ НЕФТЕПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Дементьев А.С. 1, Проскуряков Р.М.2
1ORCID: 0000-0001-7777-0087, Аспирант; 2Доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский горный университет
ПРИЁМНЫЙ ПОЛУКОМПЛЕКС СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ НЕФТЕПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Аннотация
В данной статье кратко описан принцип действия диагностической системы технического состояния трубопровода на основе импульсного магнитного поля. Рассмотрена структура приёмного полукомплекса данной системы диагностики. Приведена функциональная схема применяемого полукомплекса. Рассмотрен принцип действия преобразователя частотно-импульсных сигналов в напряжение постоянного тока и приведена схема демодулятора частотно-импульсных сигналов с усреднением во времени, а также временная диаграмма его работы.
Ключевые слова: нефтепровод, система диагностики, ЧИМ-преобразователь.
Dementev A.S. 1, Proskuryakov R.M.2
1ORCID: 0000-0001-7777-0087, Postgraduate stuent, PhD in Engineering, Professor, Saint-Petersburg Mining University
RECEIVING SEMICOMPLEX SYSTEM OF TECHNICAL PIPELINES DIAGNOSTICS BASED ON PULSED MAGNETIC FIELD
Abstract
This article briefly describes the principle of action of the technical condition of the pipeline diagnostic system based on pulsed magnetic field. The structure of the receiving semicomplex of the diagnostic system is considered. The functional diagram of the semicomplex is given. The principle of action of the inverter frequency pulse signals to a DC voltage is considered and diagram of the demodulator of frequency-averaged pulse signals in time, and its operation timing chart is given.
Keywords: pipeline, diagnostic system, PFM converter.
Согласно последним исследованиям взаимодействий стохастического и диссипативного полей применительно к большой ферромагнитной системе (система нефтепроводов) – любая деформированная система при воздействии на неё возбужденным стохастическим полем выделяет энергетические поля, образованные вихревыми проявлениями энергии отдельных электронов, которые переходят на более низкий энергетический уровень. Это особенно ярко проявляется в том случае, если добавить к стохастическому воздействию ещё какое-то более мощное импульсное энергетическое воздействие, например, как это известно в технологии физико-химического получения наноматериалов [1], при наложении импульсного магнитного поля с частотой 50Гц, магнитудой 0,4Тл и модулировании частотой Гц в межкристаллическом пространстве наноматериала образуются продольные волны, благодаря которым вещество становится гидрофобным.
В технике горного дела (а именно в трубопроводном транспорте) такие вторичные явления заметны в следующем проявлении: если трубопровод намагнитить с помощью антенны определенной конструкции постоянным магнитным полем 0,4 Тл и наложить прямоугольные, стробированные частотой 500.106 Гц импульсы, то в местах нарушения структуры нефтепровода (то есть сварки, врезки и прочих механических деформаций) и в местах нарушения кристаллической структуры металла (например в местах с оставшимся напряженным состоянием при изготовлении труб) наблюдается четкие проявления энергетических уровней разной магнитуды. Из статистической динамики (теория Вайнштейна) известно, что динамические колебания случайной величины достаточно полно можно охарактеризовать тремя уровнями 
, где n – число энергетических проявлений одного уровня, T – период, в течение которого зафиксированы эти проявления.
В диагностической системе нефтепровода модулируется импульсное магнитное поле, вершины которого стараемся сделать максимально прямоугольными(рис.1). Модуляция магнитного поля позволяет поймать его на втором конце трубопровода чувствительными методами на основе индукции. Пройдя через испорченный трубопровод, магнитное поле в местах повреждений испытывает отражение, преломление, интерференцию, создаёт экстратоки. Всё это искажает прямоугольную форму модуляции импульсного магнитного поля. На приёмном пункте сравнивают два тока прямоугольной формы: один синхронный и синфазный с током намагничивания в начале трубы и второй – «испорченный» неисправной трубой. Синфазность и синхронность тока в месте регистрации и тока намагничивания трубы обеспечиваются подключением обмоток к одной фазе питающей сети 50 Гц [2].
Рис.1 - Импульсное магнитное поле
В данной диагностической системе приняты три уровня: износ труб 30%, 60% и 90%. Чему равен n30, n60, n90 на данный момент неизвестно – нужен стаж наработки системы, и на его основе должно быть проведено функциональное градуирование.
Рис.2 - Функциональная схема приёмного полукомплеса диагностической системы нефтепровода.
Поясним принцип действия приёмного полукомплекса диагностический системы нефтепровода по функциональной схеме (рис 2). Энергетические уровни, сгенерированные деформированными участками трубопровода, регистрируются датчиками на приёмном пункте диагностической системы в виде импульсов напряжения (рис.2) в форме частотно-импульсного сигнала, где частота и скважность импульсов зависят от степени деформированности поверхности трубы. Чем больше деформация, тем больше амплитуда и ширина импульса. В зависимости от числа деформаций генерируется разное число импульсов. Сказанное поясняется рисунком 4. Амплитуда всех импульсов нормируется ограничителем.
Рис.3 - Схема демодулятора ЧИМ-сигналов с усреднением во времени (а) и временная диаграмма его работы (б)
Поскольку этап преобразования 
является одним из важнейших участков работы диагностической системы, поясним это подробнее, используя решения электро-радиотехники.
Преобразователи частотно-импульсных сигналов в напряжение постоянного тока являются по существу демодуляторами частотно-модулированных сигналов и выполняют преобразования, обратные преобразованию напряжения в частоту. В общем случае функция преобразования
,
Где a - коэффициент, определяемый параметрами схемы преобразователя.
Наиболее широко распространены способы демодуляции частотно-модулированных сигналов усреднением во времени и путем измерения периода.
Принцип действия демодулятора, построенного по этому способу, заключается в формировании прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности, следующих с частотой входного сигнала, и в последующем усреднении выходного напряжения за достаточно большой период времени. В качестве усредняющего устройства используется RC фильтр нижних частот, выходной сигнал которого пропорционален длительности импульса t и обратно пропорционален временному интервалу между импульсами T. Достаточная линейность преобразования обеспечивается при выполнении условия RC>T. При t<T постоянная составляющая на выходе фильтра нижних частот пропорциональна частоте модуляции много меньше несущей.
Основным элементом преобразователя является формирователь, преобразующий входной сигнал в последовательность однородных импульсов (рис.2). Таким формирователем может быть одновибратор. Для выравнивая амплитуд преобразуемых импульсов на выходе одновибратора включен ограничитель Огр.
В качестве фильтра нижних частот ФНЧ использован инвертирующий операционный усилитель, обратная связь в котором осуществляется через параллельно соединённые резистор и конденсатор. В отличии от простой RC-цепи свойства такого фильтра не зависят от нагрузки. Коэффициент передачи фильтра определяется как
где ω - угловая частота.
Изменяя соотношение сопротивлений R1 и R2 , можно задавать значение коэффициента передачи схемы в зависимости от требуемого уровня выходного сигнала. Частота среза фильтра Fср, определяемая из приведенных выше условий, и коэффициент передачи постоянного сигнала Ao определяют ёмкость конденсатора С, которая оказывается меньше, чем в простой RC-цепи.
Среднее значение напряжения на выходе преобразователя
.
Точность преобразования зависит в основном от параметров импульса одновибратора. Длительность переднего и заднего фронтов импульсов должна быть много меньше 
. Необходимо обеспечить высокую стабильность амплитуды импульсов и нулевого выходного напряжения в интервале между импульсами. [3]
Как видно из схемы (рис. 1) на вход преобразователей Uпр1, Uпр2, Uпр3 поступает импульсное напряжение, преобразуемое в напряжение постоянного поля (рис2) указанными преобразователями, и после сравнения U- с заданными U30, U60, U90 через задержку t=T, где T – период контроля, который обычно составляет не менее 10 часов, и усилители Y30, Y60, Y90. Схема включает выходные усилители и регистрирующие элементы (сигнальные реле, системы телемеханики, передатчики через сотовую сеть или спутники – диспетчеру.)
Поясним для написанного текста символы 30, 60, 90 - это процент износа трубопровода при различных деформациях. Это значит, что напряжение с датчиков Uх сравнивается с эталонными при износе 30%, 60% и 90% трубопровода и далее схема, если эти пороги превышены, производит соответствующие переключения. В зависимости от того, сколько раз включается счетчик, принимается решение о текущем или капитальном ремонте нефтепровода.
Сказанное в этом разделе легко реализуется, так как в разделе цифровой техники имеются отработанные схемотехнические сборки, из которых тривиально реализуется данная структура.
Литература
- Жабрев, А.В. Физико-химические процессы синтеза наноразмерных объектов. – СПб.: Изд-во «ЭЛМОР», 2012. – 328 с.
- Проскуряков Р.М., Дементьев А.С. Построение системы диагностики технического состояния нефтепровода на основе постоянного пульсирующего магнитного поля. Записки Горного института / Санкт-Петербургский горный университет. СПб, 2016. Т.218. 208 с.
- Интегральные микросхемы в устройствах автоматики и защиты тяговых сетей/ В.Я. Овласюк, В.А. Зимаков, В.И. Дубровин и др.; Под ред. В.Я. Овласюка. - М.: Транспорт, 1985. - 128с.
References
- Zhabrev, A.V. Fiziko-himicheskie processy sinteza nanorazmernyh ob’ektov. – SPb.: Izd-vo «JeLMOR», 2012. – 328 s.
- Proskurjakov R.M., Dementev A.S. Postroenie sistemy diagnostiki tehnicheskogo sostojanija nefteprovoda na osnove postojannogo pul'sirujushhego magnitnogo polja. Zapiski Gornogo instituta / Sankt-Peterburgskij gornyj universitet. SPb, 2016. T.218. 208s.
- Integral'nye mikroshemy v ustrojstvah avtomatiki i zashhity tjagovyh setej/ V.Ja. Ovlasjuk, V.A. Zimakov, V.I. Dubrovin i dr.; Pod red. V.Ja. Ovlasjuka. - M.:Transport,1985.-128s