Устройство для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Техническим результатом является обеспечение возможности автоматического вычисления географических координат, направления и величины радиуса кривизны локальных участков и профиля поперечного сечения трубы. Результат достигается тем, что устройство для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов состоит из герметического контейнера 1, выполненного со смещенным вниз относительно продольной оси центром тяжести, эластичных манжет 2, жестко закрепленных в носовой и хвостовой частях контейнера 1, датчика 3 пути, блока 4 вычислений и управления, регистратора 5, трех ультразвуковых измерителей радиальных расстояний, состоящих из трех поясов по n каждый ультразвуковых приемопередающих преобразователей 6, 7, 8, размещенных на контейнере 1 в его носовой, средней и хвостовой частях, трехкомпонентный гироскопический измеритель 9 угловой скорости, трехкомпонентный измеритель 10 кажущегося ускорения, причем в состав ультразвуковых измерителей приемопередающих преобразователей входят измерительные модули 11, колеса 12 герметичного контейнера 1. Устройство размещено в трубопроводе 13 и снабжено аккумуляторной батареей 14. 6 ил.

Устройство относится к контрольно-измерительной технике, а именно к области неразрушающего контроля труб, и предназначено для автономной (внутри трубы) оценки величин вертикальных и боковых (горизонтальных) смещений осей, а также профилей поперечных сечений магистральных трубопроводов при их функционировании.

Имеются устройства для решения подобных задач, например, по авт. св. N 609876, 1976 г. БИ N 21 (П.К.Плотников, Ю.Н. Челноков) "Устройство для определения углов искривления и координат ствола скважины". Устройство состоит из трех гироскопических датчиков угловых скоростей (ДУС), оси чувствительности двух из них перпендикулярны к оси труб и друг к другу, оси процессии параллельны оси труб, ось чувствительности и ось процессии третьего образуют с осью трубы угол меньше 90^o, в состав устройства входят также нажимной ролик с тросом и вычислительное устройство. В процессе работы блок ДУСов измеряет три компонента вектора абсолютной угловой скорости корпуса, в котором он установлен, глубиномер и нажимной ролик с тросом определяют приращение расстояния, пройденного ДУСами, в силу этих показаний вычислительное устройство по кватерным алгоритмам определяет углы приентации корпуса ДУСов и декартовы координаты ствола скважины.

Недостатком данного устройства при малых отклонениях ствола скважины от заданной траектории является требование очень высокой точности ДУСов и отсутствие во многих устройствах натяжного ролика с тросом.

Имеется устройство для измерения навигационных параметров в скважине (патент ФРГ N 3406096, МКИ E 21 B 47/002, 1985 г. N 5), содержащее трехкомпонентный измеритель ускорения и двухкомпонентный датчик угловой скорости вращения зонда, третья компонента угловой скорости определяется по сигналу ускорения и перемещения движущегося зонда.

Недостатком этого устройства является значительная погрешность измерений параметров трубопроводов из-за колебания его внутреннего размера и положения зонда.

Известно устройство для контроля и регистрации нарушения гладкости внутренней поверхности труб и пространственно геометрических параметров трубопроводов (авт. св. СССР N 1629683, G 01 B 17/02, 1991 г. бюл. N 7).

Устройство содержит герметичный контейнер, эластичные манжеты, жестко закрепленные в носовой и хвостовой частях контейнера, последовательно соединенные датчик пути, установленный на внешней поверхности контейнера, и размещенные внутри контейнера блок вычисления и управления и регистратор, кроме того, оно снабжено n ультразвуковыми измерителями расстояния, каждый из которых состоит из ультразвукового приемопередающего преобразователя и измерительного модуля, n выходов этого модуля подключены к блоку вычислений и управления, а ультразвуковые приемопередающие преобразования расположены попарно (диаметрально) противоположно на внешней поверхности контейнера и подключены к выходам соответствующих измерительных модулей.

Недостатком данного устройства является низкая метрологическая обеспеченность, состоящая в невозможности определения географических координат участков трубы и измерения направлений и величин больших радиусов кривизны трубопроводов.

Техническим результатом является обеспечение возможности автоматического определения географических координат направления и величины радиуса кривизны локальных участков и профиля поперечного сечения трубы.

Результат достигается тем, что устройство, содержащее герметичный контейнер, эластичные манжеты, жестко закрепленные в носовой и хвостовой частях герметичного контейнера, последовательно соединенные датчик пути, установленный на внешней поверхности контейнера, блок вычислений и управления и регистратор, размещенные внутри герметичного контейнера, ультразвуковой измеритель радиальных расстояний, состоящий из n ультразвуковых приемопередающих преобразователей, расположенных попарно и диаметрально противоположно на внешней поверхности герметичного контейнера, и расположенного внутри контейнера измерительного модуля, первая группа выходов которого подключены к шине ввода, а первая группа входов к управляющей шине блока вычислений, вторая группа выходов к передатчикам, а вторая группа входов к приемникам ультразвукового приемопередающего преобразователя, снабжено трехкомпонентным гироскопическим измерителем угловой скорости и трехкомпонентным измерителем кажущегося ускорения, подключенным и информационным входам блока вычисления, и вторым и третьим ультразвуковыми измерителями радиальных расстояний, аналогичными первому, первые группы их выходов подключены к шине ввода, а первая группа входов к управляющей шине блока вычислений, при этом ультразвуковые приемопередающие преобразователи одного измерителя радиальных расстояний расположены по окружности в носовой части контейнера, другого измерителя в средней части контейнера, а третьего в хвостовой части контейнера, а центр тяжести контейнера смещен к боковой поверхности.

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 изображена функциональная схема; на фиг. 3 9 даны графики, поясняющие работу устройства.

Устройство для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов состоит из герметичного контейнера 1, выполненного со смещенным к боковой поверхности центром тяжести, эластичных манжет 2, жестко закрепленных в носовой и хвостовой частях контейнера 1, блока 4 вычислений и управления и регистратора 5, размещенных внутри контейнера 1, три ультразвуковых измерителей радиальных расстояний, состоящих из трех поясов по n каждый ультразвуковых приемопередающих преобразователей 6, 7, 8, размещенных на контейнере 2 в его носовой, средней и хвостовой частях и измерительных модулей, причем каждый пояс содержит соответственно приемопередающие преобразователи 6^I, 6^II, 6^III, 7^I, 7^II, 7^III, 8^I, 8^II, 8^III, при этом номерами 6^I, 7^I, 8^I; 6^II, 7^II, 8^II; 6^III, 7^III, 8^III и т.д. обозначены приемопередающие преобразователи, лежащие в рядах I, II, III и т.д. на образующих, параллельных продольной оси контейнера 1.

Чувствительные элементы приемопередающих преобразователей обращены в сторону внутренней поверхности трубопровода и в каждом из поясов они расположены попарно и диаметрально противоположно.

Выходы ультразвуковых измерителей 6 радиальных расстояний 7, 8 соединены с входом блока 4 вычислений и управления; жестко закреплены внутри контейнера 1 трехкомпонентный гироскопический измеритель 9 угловой скорости, трехкомпонентный измеритель 10 кажущегося ускорения, выходы которых соединены с входов блока 4 вычислений и управления, причем в состав ультразвуковых измерителей приемопередающих преобразователей входят измерительные модули 11. Герметичный контейнер 1 следует рассматривать в жесткой связи с системой координат OX₁; OX₂; OX₃, причем OX₁, OX₂ и OX₃ соответственно продольная, нормальная и поперечная оси устройства, компоненты вектора абсолютной угловой скорости контейнера 1 и компоненты вектора кажущегося ускорения герметичного контейнера 1, измеряемые соответственно трехкомпонентным гироскопическим измерителем 9 угловой скорости и трехкомпонентным измерителем 10 кажущегося ускорения.

На фиг. 1 показаны также колеса 12 герметичного контейнера 1 и трубопровод 13. С трубопроводом 13 связана система координат Oζηζ, причем в начальный момент времени системы координат Oζηζ и OX₁OX₂OX₃ совпадают. Устройство имеет аккумуляторную батарею 14.

Устройство работает следующим образом.

При вводе устройства в трубопровод 13 подключается питание от аккумулятора 14 по всем элементам схемы. При подаче давления газа герметичный контейнер 1 начинает двигаться относительно трубы 12 со скоростью , это движение воспринимается колесом датчика пути 3, показания которого записываются в блок вычислений и управления 4 и регистратор 5. Кроме этого движения герметичный контейнер 1 совершает еще поступательные малые движения относительно трубопровода 13 со скоростями OX₂, OX₃. За счет оси трубопровода 13 при наличии скорости герметичный контейнер 1 будет совершать движения относительно правой декартовой системы координат, связанной с землей, причем в начальный момент времени системы координат Oζηζ₁ и Oζηζ совпадают. O₁ начало трубы. Ось O₁ζ₁ ориентирована по расчетному направлению трубопровода 13 и лежит в плоскости горизонта, ось O₁η₁ направлена по вертикали места вверх, ось O₁ζ₁ образует с осями O₁ζ и O₁η правую тройку осей. Полюс O совмещен с началом трубопровода 13. С полюсом О герметичного контейнера 1 еще связаны правые декартовы горизонтные системы координат (фиг. 3), оси которых вертикальны, следовательно, совпадают; ось направлена на Север, ось - на Восток.

Таким образом, сопровождающая географическая система координат; Oη₁η₂η₃ азимутально невращающаяся горизонтная сопровождающая система координат, причем в начальный момент времени оси совпадают; система координат O₃ζ₁ζ₂ζ₃ инерциально невращающаяся, O₃ центр Земли; λ,ϕ географические долгота и широта контейнера 1; R радиус Земли; географичеаская система координат оси, которой параллельны оси системы координат Естественно, что поступательные движения герметичного контейнера 1 будут сопровождаться угловыми абсолютными, переносными и относительными движениями. На фиг. 4 изображены повороты герметичного контейнера 1 относительно трубопровода на углы α, b,κ, причем a,β,κ угловые скорости относительного движения. Ясно, что углы b,κ малы и составляют единицы угловых градусов, угол a может быть большим, до десятков угловых градусов. Повороты герметичного контейнера 1 на углы a,β,κ вносят погрешности в показания приборов. Ориентацию системы координат Oζ,ηζ относительно поступательно перемещающейся системы координат O₁ζ₁η₁ζ₁ задаются двумя углами Ψ,Θ, характеризующими азимутальное и вертикальное угловые отклонения оси трубопровода от заданной прямолинейной горизонтальной ориентации фиг.5. Угол скручивания трубопровода 13 не измеряется, поэтому он не вводится. Поступательные перемещения полюса O относительно системы координат O₁ζ₁η₁ζ₁ задаются декартовыми координатами ζ₁η₁ζ₁. Данные координаты являются главными и именно они подлежат определению с помощью предлагаемого устройства для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов.

Герметичный контейнер 1 за счет давления газа и динамических характеристик его подвеса совершает сложное движение внутри трубы. В идеальном случае должно иметь место только поступательное перемещение вдоль трубы. Однако, оно сопровождается колебаниями центра масс контейнера 1 вдоль нормальной (OX₂) и боковой (OX₃) осей, а также угловыми колебаниями вокруг трех осей: OX₁, OX₂ и OX₃. Движение контейнера 1 вдоль недеформируемой трубы 13, жестко связанной с Землей, предопределяется рельефом местности, которому следует ось трубопровода 13. Он предопределяет гладкость и достаточную медленность изменения функций ζ₁(t);η₁(t);ζ₁(t) и расстояний от ультразвуковых приемопередающих преобразователей и расстояний от ультразвуковых приемопередающих преобразователей до стенки трубы 13. Эти функции являются полезными. Поступательные и угловые колебания герметичного контейнера 1 относительно трубы 13 являются вредными и вносят помехи в показаниях приборов, так что в обобщенном виде можно информацию представить в виде сумм где координаты реального движения герметичного контейнера 1; ζ₁(t)η₁(t)ζ₁(t) координаты оси трубы 13; δζ₁(t);δη(t), δζ₁(t) погрешности помехи, вносимые колебаниями контейнера 1 относительно трубы 13.

Определив помехи (шумы), вносимые в движение контейнера, можно повысить точность определения координат местоположения оси трубопровода 13.

Этот подход развивается ниже.

Для получения информации об искривлении трубопровода 13 в горизонтальной и вертикальной плоскостях используются сигналы ультразвуковых измерителей радиальных расстояний.

Используя смену поворотов системы координат OX₁X₂X₃, связанной с контейнером, относительно сопровождающей географической системы координат , вводят горизонтальную систему координат Oh₁h₂h₃, которая повернута на угол курса Ψ относительно географической, относительно системы координат Oh₁h₂h₃ объект поворачивается на углы тангажа q и крена g.

Радиальные расстояния с помощью ультразвуковых приемопередающих преобразователей измеряются в системе координат OX₁X₂X₃, их нужно привести горизонтальной системе координат Oh₁h₂h₃. Преобразование указанных систем координат производится в соответствии с матричным соотношением: [X₁X₂X₃]^т= AγAΘ[h₁h₂h₃]^т (1) где Aγ,AΘ матрицы направляющих косинусов углов γ и Θ простейших поворотов, T символ транспонирования. Из (1) имеем искомую формулу пересчета: [h₁h₂h₃]^т= [AγAΘ]^т[X₁X₂X₃]^т (2) Ультразвуковые приемопередающие датчики (D), расположенные в первом поясе по ходу, движения, имеют верхний индекс 1 и обозначаются D¹, датчики второго пояса D², третьего D³. Нижний индекс в обозначении датчика означает номер ряда.

На фиг. 7 представлено расположение трех датчиков для первого ряда в плоскости , на следующей для m-го ряда в плоскости . Обозначим расстояние от стенки трубы до датчиков, равные суммам расстояний первоначальной установки датчиков и приращений расстояний за счет поворотов контейнера и искривлений трубы в датчиках 1-го и m-го рядов через X¹₂₁,X²₂₁,X³₂₁ и X¹_3m,X²_3m,X³_3m соответственно, где первый нижний индекс означает номер оси, второй нижний индекс номер ряда, верхний индекс номер пояса. Тогда, пересчитав эти расстояния к горизонтальной системе координат Oh₁h₂h₃ для датчиков первого пояса, имеем: Для датчиков третьего пояса имеем:

На основании (4), (5) и фиг. 4, 7 получаем:


Вычтя из углов q и Df углы k и β, получаем искомые углы искривления трубопровода;

Углы вырабатываются по сигналам гироскопов и измерителей кажущегося ускорения в блоке 4 вычислений и управления по алгоритмам:

где Ψ_o курсовой угол расчетного азимутального положения трубопровода;
Ψ текущий угол курса контейнера 1;
Kγ,KΘ коэффициенты усиления позиционной коррекции;
K^н_γ K^н_Θ коэффициенты усиления интегральной коррекции;
U угловая скорость вращения Земли.

В дискретные моменты времени j=1, 2, 3. производится измерение приращений пути контейнера по сигналам датчика пути 3:

где t_j момент времени.

Данные приращения проецируются на оси Oζ;Oη;Oζ

где ΔX₂;ΔX₃ отклонение точки O контейнера относительно трубы по осям OX₂, OX₃.

с учетом малости ΔX₂ΔX₃ имеем:

где l число интервалов времени, соответствующее текущему значению времени работы устройства.

Декартовы координаты в системе определяются по формуле:

где Ψ_o угол курса расчетной трассы.

Текущие географические координаты контейнера 1 определяются по формулам:

где ϕ₀₁,λ₀₁ географические координаты точки O₁.

Алгоритмами работы блока вычислений и управления 4 являются уравнения (4-9), (13-15). Алгоритмы (13-15) справедливы при малых погрешностях определения углов Ψ,Θ,γ с помощью алгоритмов (9). Эти погрешности определяются ошибками ДУСов и измерителей кажущегося ускорения, выдающих информацию об угловых скоростях , кажущихся ускорениях герметичного контейнера 1.

Определяются искривления трубы для случая второго варианта алгоритмов, когда погрешности гироскопов велики и их сигналы используются только для обеспечения привязки измерений с датчиков к плоскости горизонта.

Исключая из показаний h¹₂₁;h²₂₁ ... h³_3m ультразвуковых измерителей радиальных расстояний 6, 7, 8 составляющие перемещений, вызванные поворотами герметичного контейнера 1 на углы β и κ (фиг.8) и принимая за центр поворотов точку O, получаем:

Определив разницу в расстояниях Δh¹₂₁ и h²₂₁;h²₂₁ и Δh³₂₁ находим декартовы координаты искривления трубы на базах l в вертикальной плоскости:

Вычитая из этих ризниц приращения расстояний, обусловленных сферичностью Земли:

получаем:
Из фиг.9 следует, что после приведения по формулам (16) (18) разностных расстояний измерительная схема для ультразвуковых датчиков становится симметричной, предполагается, что линия перпендикулярна оси трубы. По этой причине справедливы следующие соотношения:
ρ_в-ρ_вcosν_в= δћ₂₁= δћ³₂₁ (19)
где ρ_в радиус кривизны трубы в вертикальной плоскости.

В силу малости угла ν_в имеем:

Угол ν_в определяется из подобия треугольников ABC и :

После подстановки формулы (21) в (22) получаем:

По аналогии радиус кривизны трубы в горизонтальной плоскости определяется по формуле:

Формулы (16) (24) являются алгоритмами работы блока вычислений и управления 4.

Определение состояния профиля поперечного сечения трубопровода 13 состоит и измерении 3 ультразвуковыми измерителями радиальных расстояний 6, 7, 8 длительностей акустических сигналов, пропорциональных расстояниям от внутренней поверхности трубопровода 13 до каждого из 3n ультразвуковых измерителей радиальных расстояний 6, 7, 8. В промежутках между измерениями блок вычисления и управления 4 осуществляет вычисление и формирует описание сигналов в каждом из каналов. Вычисления состоят в определении среднего значения сигнала для каждого ультразвукового измерителя 6, 7, в определении протяженности отрезка пути, на котором наблюдается отклонение сигнала от среднего значения, и в определении для каждого ультразвукового измерителя 6, 7. наибольшего отклонения сигнала от среднего значения.

Величина выступов и вмятин на внутренней поверхности стенки трубопровода 13 вычисляется по формуле:

где T₁ время двойного хода от поверхности ультразвукового преобразователя до стенки и обратно;
среднее время двойного хода ультразвуковой волны от поверхности ультразвукового преобразователя до стенки трубы и обратно;
V₃ скорость распространения звука;
H₁ высота выступа, обнаруженного первым ультразвуковым преобразователем.

Формула изобретения

Устройство для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов, содержащее герметичный контейнер, эластичные манжеты, жестко закрепленные в носовой и хвостовой частях герметичного контейнера, последовательно соединенные датчик пути, установленный на внешней поверхности контейнера, блок вычислений и управления и регистратор, размещенные внутри герметичного контейнера, ультразвуковой измеритель радиальных расстояний, состоящий из n ультразвуковых приемопередающих преобразователей, расположенных попарно и диаметрально противоположно на внешней поверхности герметичного контейнера, и расположенного внутри контейнера измерительного модуля, первая группа выходов которого подключена к шине ввода, а первая группа входов к управляющей шине блока вычислений, вторая группа выходов к передатчикам, а вторая группа входов к приемникам ультразвукового приемопередающего преобразователя, отличающееся тем, что оно снабжено трехкомпонентным гироскопическим измерителем угловой скорости и трехкомпонентным измерителем кажущегося ускорения, подключенными к информационным входам блока вычисления, и вторым и третьим ультразвуковыми измерителями радиальных расстояния, аналогичными первому, первые группы их выходов подключены к шине ввода, а первая группа входов к управляющей шине блока вычислений, при этом ультразвуковые приемопередающие преобразователя одного измерителя радиальных расстояний расположены по окружности в носовой части контейнера, другого измерителя в средней части контейнера, а третьего в хвостовой части контейнера, а центр тяжести контейнера смещен к боковой поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9