Устройство для определения местоположения и скорости движущегося внутритрубного объекта (варианты)
Устройство для определения местоположения и скорости внутритрубного объекта по первому варианту содержит вибропреобразователь, жестко закрепленный снаружи трубопровода на его конце. По второму варианту вибропреобразователи закреплены на обоих концах трубопровода. Каждый вибропреобразователь подключен к своему блоку обработки и передачи электрического сигнала. Блок обработки и передачи электрического сигнала осуществляет фильтрацию сигнала, частота которого соответствует частоте вибрационных колебаний от ударов внутритрубного объекта о сварные швы трубопровода. Блок обработки и передачи электрического сигнала через интерфейс соединен с компьютером. Местоположение и скорость внутритрубного объекта определяется согласно введенной в компьютер программе. При определении этих параметров учитывается длина труб, из которых состоит трубопровод, и временные интервалы между импульсами, возникающими от ударов внутритрубного объекта о сварные швы. При наличии двух вибропреобразователей компьютером вычисляется взаимная корреляционная функция. Устройство обеспечивает достоверную и точную информацию о местоположении и скорости внутритрубного объекта.
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля за движением очистных устройств и средств внутритрубной диагностики - внутритрубных объектов, движущихся с потоками перекачиваемой по трубопроводу нефти или газа.
Известно устройство [Патент РФ №2097649, МКИ 6 F17D 5/00. Устройство для обнаружения прохождения объекта из магнитного материала внутри трубопровода. 1995], которое содержит источник переменного сигнала и последовательно соединенные преобразователь, усилитель, блок обработки этого сигнала и индикатор. К источнику переменного сигнала подключена катушка индуктивности, охватывающая трубопровод. Приемный преобразователь выполнен в виде двух катушек индуктивности, которые охватывают трубопровод по обеим сторонам от указанной катушки, подключенной к источнику переменного сигнала. Блок обработки этого сигнала включает последовательно соединенные полосовой фильтр, синхронный детектор, пороговую схему и временной селектор. Принцип действия устройства следующий: внутри трубопровода источником переменного тока с помощью катушки индуктивности, охватывающей трубопровод, наводится электромагнитное поле; внутритрубный движущийся снаряд из магнитного материала изменяет это поле, что регистрируется приемным преобразователем, выполненным в виде включенных встречно-последовательно катушек, охватывающих трубопровод; сигналы, поступающие с приемного преобразователя усиливают и направляют в блок обработки указанных сигналов.
Недостатки известного устройства заключаются в следующем: во-первых, детектирование внутритрубного объекта возможно только для снарядов, изготовленных из магнитного материала; во-вторых, среднюю скорость внутритрубного объекта можно определить только по времени его прохождения между двумя установленными катушками, что при использовании данного устройства на протяженных участках трубопровода требует большого их количества. В-третьих, для заглубленного в грунт трубопровода затруднен непосредственный доступ к внешней стенке трубы для установки приемных катушек индуктивности.
Известно устройство [Супрунчик В.В., Коновалов Н.М., Мызников М.О. Система сопровождения внутритрубных снарядов «ССВС-001» // Трубопроводный транспорт нефти. 2003. №12. С.9-12.] для обнаружения местоположения подвижного очистительного снаряда внутри газопровода, которое включает мощный излучатель акустических низкочастотных волн, устанавливаемый предварительно на головном фланце внутритрубного объекта, акустический датчик с модулем первичного преобразования акустического сигнала в электрический, выполненный в стандартном корпусе датчика давления и устанавливаемый на вантузе через стандартное фланцевое соединение во внутреннем пространстве трубопровода, а также модуль обработки и передачи сигналов. Модуль обработки и передачи сигнала соединен через интерфейс с компьютером, с которого осуществляется управление, связь и отображение окончательной информации. Во время движения очистительного снаряда в трубопроводе акустический излучатель с определенной периодичностью посылает пакеты звуковых волн, которые регистрируются на другом конце трубопровода акустическим датчиком. О местоположении и скорости движения очистительного снаряда судят по характеристикам принятых акустическим датчиком сигналов после их специализированной аппаратно-программной обработки.
Устройство ССВС-001 принято за прототип заявляемой полезной модели по обоим вариантам исполнения. Недостатки этого устройства: во-первых, необходима установка мощного акустического излучателя на внутритрубный объект; во-вторых, акустический приемник требует специальных мер по установке, поскольку должен непосредственно контактировать с внутритрубным пространством, что нежелательно, поскольку целостность трубопровода нарушается. Кроме того, точность определения местоположения внутритрубного объекта указанным устройством не превышает 3 км на участке трубопровода протяженностью 100 км.
Задача полезной модели - повысить достоверность и точность определения местоположения и скорости внутритрубного объекта на протяженном участке трубопровода.
Технический результат заключается в регистрации вибрационных колебаний, возникающих от ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода, их фильтрации от помех и дальнейшей аппаратно-программной обработке.
Технический результат достигается следующим образом. По первому варианту устройство для определения местоположения и скорости внутритрубного объекта, как в прототипе, содержит датчик регистрации сигнала, установленный на трубопроводе,
первичный преобразователь полученного сигнала в электрический, блок обработки и передачи электрического сигнала, выполненный с возможностью усиления, частотной фильтрации и его цифровой обработки, и компьютер для управления, связи и отображения информации о местоположении и скорости внутритрубного объекта, соединенный через интерфейс с блоком обработки и передачи электрического сигнала. Но в отличие от прототипа заявляемое устройство по первому варианту содержит в качестве датчика регистрации сигнала и первичного преобразователя сигнала вибропреобразователь, установленный на одном из концов трубопровода и жестко закрепленный на наружной стенке трубы (с помощью магнита, хомута и т.п.), при этом блок обработки и передачи электрического сигнала выполнен с возможностью частотной фильтрации сигнала, соответствующей максимуму спектра вибрационных колебаний от ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода, а в компьютер введена программа определения местоположения и скорости внутритрубного объекта в зависимости от количества импульсов ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода и от временных интервалов между импульсами ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода при известной длине труб, из которых изготовлен трубопровод.
По второму варианту устройство для определения местоположения и скорости движущегося внутритрубного объекта, как и в прототипе, содержит датчик регистрации сигнала, установленный на трубопроводе, первичный преобразователь полученного сигнала в электрический, блок обработки и передачи электрического сигнала, выполненный с возможностью усиления, фильтрации и его цифровой обработки, и компьютер для управления, связи и отображения информации о местоположении и скорости внутритрубного объекта, соединенный через интерфейс с блоком обработки и передачи электрического сигнала. В отличие от прототипа заявляемая полезная модель по второму варианту дополнительно содержит второй датчик регистрации сигнала с первичным преобразователем сигнала и второй блок обработки и передачи электрического сигнала, выполненный с возможностью усиления, фильтрации и его цифровой обработки, соединенный через интерфейс с компьютером для управления, связи и отображения информации о местоположении и скорости внутритрубного объекта. Причем, датчики установлены на противоположных концах трубопровода и жестко закреплены на наружной стенке трубы (с помощью магнитов, хомутов и т.п.), и каждый выполнен в виде вибропреобразователя, при этом каждый блок обработки и передачи электрического сигнала выполнен с возможностью частотной фильтрации сигнала,
соответствующей максимуму спектра вибрационных колебаний от ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода, а в компьютер введена программа вычисления взаимной корреляционной функции двух сигналов, полученных одновременно от обоих вибропреобразователей, и определения местоположения и скорости внутритрубного объекта в зависимости от временных интервалов между максимумами взаимных корреляционных функций.
Вибропреобразователи по обоим вариантам могут быть установлены (с помощью магнитов, хомутов и т.п.) на байпасы (крановые узлы), жестко соединенные с трубопроводом.
В предлагаемой полезной модели по совокупности отличительных от прототипа признаков отсутствует необходимость предварительной установки излучателя звука на внутритрубный объект. Данное обстоятельство значительно упрощает процедуру проведения пусков внутритрубных объектов в магистральных трубопроводах и значительно снижает стоимость используемого контрольно-измерительного оборудования для целей сопровождения внутритрубных объектов.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет проводить контроль за движением внутритрубного объекта в режиме реального времени, с целью определения его местоположения и скорости движения. Последнее необходимо для устойчивой работы диагностического оборудования (дефектоскопы), устанавливаемого на внутритрубный объект, а знание его местоположения позволяет с наименьшими затратами организовать извлечение или проталкивание объекта в случае его остановки или застревания.
Во время движения внутритрубного объекта по трубопроводу элементы его конструкции (фланцы, манжеты), воздействуя на внутренние сварные швы трубопровода возбуждают волновое движение (фиг.1, 2), которое распространяется в обе стороны по трубопроводу на значительное расстояние и своими характеристиками зависит от скорости движения внутритрубного объекта, размеров выступов внутренних сварных швов (типичная высота швов 3-5 мм), а также характеристик среды (грунт, вода и пр.), в котором уложен трубопровод в конкретном месте движения внутритрубного объекта. Доступная регистрация такого возбуждения - это регистрация чувствительными вибропреобразователями, устанавливаемыми при помощи магнитов или иного способа жесткого крепления (хомут, струбцина, клей и пр.) на наружной стенке трубопровода или на конструктивных его элементах (байпасах), жестко соединенных с трубопроводом.
Временные и частотные характеристики возбуждаемых вибраций имеют отличительные уникальные в каждый момент времени характеристики. Распространяясь
далее по оболочке трубопровода по обе стороны от объекта вибраций, эти сигналы регистрируются вибропреобразователями с обоих концов трубопровода. Далее с использованием известных методов обработки сигналов, например, временных, корреляционных, имеется возможность определить местоположение и скорость перемещающегося внутри трубопровода объекта.
По первому варианту полезной модели, регистрируя количество ударов и временные интервалы между ударами головного фланца внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода, можно определить с точностью до одного стыка местоположение и скорость внутритрубного объекта, при известной длине труб, из которых изготовлен трубопровод. На фиг.3 показан пример виброграммы движения внутритрубного объекта по трубопроводу. Расстояние между вибропреобразователем и внутритрубным объектом - 25 км. Импульсы на виброграмме соответствуют ударам головного фланца внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода.
В работающем трубопроводе возникают различные импульсные случайные вибрационные помехи от задвижек, кранов и других устройств трубопровода, а также внешние помехи, которые могут ухудшить достоверность информации об измеряемых параметрах при использовании устройства предлагаемой полезной модели по первому варианту.
С целью увеличения достоверности и точности измерений по второму варианту полезной модели предлагается размещать вибропреобразователи на обоих концах трубопровода и рассчитывать взаимные корреляционные функции вибрационных колебаний в указанных точках измерения по двум реализациям временных виброграмм. Методика расчета взаимной корреляционной функции стандартна и изложена, например, в [Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. 623 с.]. При этом, максимум взаимной корреляционной функции соответствует временной задержке 
=t2-t1, где t1 и t2 - время распространения вибрационного сигнала от внутритрубного объекта до первого и второго концов трубопровода. Величина может принимать отрицательные и положительные значения; =0, если внутритрубный объект находится в середине трубопровода; || максимально, если внутритрубный объект находится в начале или в конце трубопровода. Поскольку скорость распространения вибрационных колебаний по стенке трубопровода известна 
(справочное значение для продольных волн), то пройденное внутритрубным объектом расстояние можно определить по формуле: (l-·)/2, где l - длина трубопровода (расстояние между вибропреобразователями). Пройденное внутритрубным объектом расстояние можно измерять в процентах от общей длины
трубопровода при неизвестной скорости распространения продольных волн по стенке трубопровода: (l-/max)/2·100%.
Экспериментальные исследования регистрации вибрационных колебаний газопровода на значительных расстояниях от движущегося внутритрубного объекта были неоднократно проведены авторами полезной модели и впервые опубликованы для двух участков трубопроводов длиной до 80 км в [Бочкарев Н.Н., Донченко В.А., Курочкин А.А. Пассивная вибролокация чистящего снаряда в магистральном трубопроводе // Сборник трудов XV сессии Российского акустического общества. 2004. Т.3. С.169-173]. При этом использовался один вибропреобразователь и были апробированы способы крепления вибропреобразователей как непосредственно на трубопровод, так и на байпас. После начала движения внутритрубного объекта возбуждаемые им сигналы уверенно регистрировались вибропреобразователем на удалении 80 км. В частотных спектрах вынужденных вибраций были выявлены характерные особенности, позволяющие, используя известные методы частотной селекции сигналов на фоне собственных шумов трубопровода, уверенно регистрировать его движение и на более значительных расстояниях. Эти исследования легли в основу разработки устройства, заявляемого в качестве полезной модели. В уровне техники не выявлено устройства, которому присущи все существенные признаки заявляемой полезной модели. Это подтверждает новизну полезной модели по обоим вариантам.
Достоинства предлагаемой полезной модели по сравнению с аналогом и прототипом следующие: возможна установка датчиков на байпасы или на любые доступные открытые участки трубопровода; конструктивная целостность трубопровода не нарушается; независимость от технологии и режимов перекачки нефти и газа; незначительная зависимость от физических характеристик перекачиваемого по трубопроводу продукта, поскольку регистрируются главным образом вибрации стенки трубопровода; точность определения местоположения внутритрубного объекта определяется длиной труб, из которых изготовлен трубопровод (обычно 10 м); отсутствие вредного воздействия на обслуживающий персонал и окружающую среду.
Оба предложенных варианта устройства имеют одно и то же назначение и при своем осуществлении обеспечивают качественно одинаковый технический результат. Он заключается в регистрации вибрационных колебаний, возникающих непосредственно от ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода. Такая регистрация обеспечивает достоверное и точное определение местоположения и скорости внутритрубного объекта на протяженном участке. При использовании устройства по
второму варианту эта точность и достоверность еще более высокие. Вышесказанное подтверждает единство полезной модели, поскольку оба варианта устройства объединены творческим замыслом.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично показано движение внутритрубного объекта внутри трубопровода до внутреннего сварного шва.
На фиг.2 - то же, но во время удара о внутренний сварной шов.
На фиг.3 - виброграмма движения внутритрубного объекта по трубопроводу, зарегистрированная вибропреобразователем на расстоянии 25 км.
На фиг.4 представлена блок-схема полезной модели по первому варианту.
На фиг.5 представлена блок-схема полезной модели по второму варианту.
Устройство по первому варианту содержит один приемный канал, где 1 - вибропреобразователь, в качестве которого можно использовать акселерометр РА-23 [Бочкарев Н.Н., Донченко В.А., Курочкин А.А. Пассивная вибролокация чистящего снаряда в магистральном трубопроводе // Сборник трудов XV сессии Российского акустического общества. 2004. Т.3. С.169-173], 2 - блок обработки и передачи информации в виде электрического сигнала. В качестве блока 2 можно использовать портативный виброанализатор «Кварц КУ-060», либо последовательно включенные усилитель, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь. Позицией 3 обозначен интерфейс для связи с компьютером, 4 - компьютер. В качестве вибропреобразователя 1 использованы совмещенные в одном корпусе пъезокристалл, подключаемый к предварительному усилителю и преобразователю импеданса. Преобразователь импеданса позволяет согласовать высокое выходное сопротивление пъезокристалла (от сотен МОм до нескольких ГОм) с низким входным сопротивлением соединительного кабеля. Такая конструкция позволяет избежать паразитных электромагнитных наводок в соединительном кабеле. Вибропреобразователь 1 жестко закрепляется при помощи магнитов или иного соединения (хомут, струбцина, клей и т.п.) на наружной стенке трубы трубопровода. Соединительным кабелем вибропреобразователь 1 подключается к блоку обработки и передачи электрического сигнала 2 и затем через интерфейс 3 подключается к компьютеру 4. В компьютере 4 по заданной программе производится расчет искомых параметров.
По второму варианту устройство содержит два приемных канала, где 1 и 5 - вибропреобразователи, в качестве которых можно использовать акселерометр РА-23 [Бочкарев Н.Н., Донченко В.А., Курочкин А.А. Пассивная вибролокация чистящего
снаряда в магистральном трубопроводе // Сборник трудов XV сессии Российского акустического общества. 2004. Т.3. С.169-173], 2 и 6 - блоки обработки и передачи электрического сигнала, в качестве которых можно использовать портативные виброанализаторы «Кварц КУ-060», либо последовательно включенные в каждом блоке усилитель, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, 7 - коммутатор каналов, 3 - интерфейс для связи с компьютером, 4 - компьютер. В качестве вибропреобразователей 1, 5 использованы совмещенные в одном корпусе пъезокристалл, подключаемый к предварительному усилителю и преобразователю импеданса. Преобразователь импеданса позволяет согласовать высокое выходное сопротивление пъезокристалла (от сотен МОм до нескольких ГОм) с низким входным сопротивлением соединительного кабеля. Такая конструкция позволяет избежать паразитных электромагнитных наводок в соединительном кабеле. Вибропреобразователи 1, 5 жестко закрепляются при помощи магнитов или иного соединения (хомут, струбцина, клей и т.п.) на наружной стенке трубы. Соединительными кабелями вибропреобразователи 1, 5 подключаются к блокам обработки и передачи электрического сигнала 2, 6, которые в свою очередь подсоединяются к коммутатору 7. Синхронизацией работы коммутатора 7 управляет компьютер 4 через интерфейс 3. В компьютере 4 по заданной программе производится расчет искомых параметров.
На фиг.1, 2 позицией 8 обозначен трубопровод, 9 - центрирующие манжеты внутритрубного объекта, 10 - его головной фланец, 11 - внутренний сварной шов трубопровода. Стрелками показано направление движения внутритрубного объекта.
Импульсы движения внутритрубного объекта на виброграмме фиг.3 соответствуют ударам головного фланца внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода. Для увеличения отношения сигнал-шум в блоке обработки и передачи электрического сигнала 2 использован частотный полосовой фильтр 100-1000 Гц.
Устройство по обоим вариантам работает следующим образом. Вибропреобразователи 1, 5 (фиг.4, 5) преобразуют механические колебания в электрический сигнал, пропорциональный виброускорению колеблющейся стенки трубопровода 8 при ударе головного фланца 10 внутритрубного объекта о сварные швы 11 (фиг.1, 2). Преобразователи напряжения преобразуют заряд в напряжение, которое поступает в блоки обработки и передачи электрических сигналов соответственно 2, 6, где сигналы усиливаются и поступают в полосовые фильтры с заданной полосой пропускания, соответствующей максимуму в спектре ударных импульсов. Затем сигналы преобразуются в цифровую последовательность с помощью аналого-цифровых
преобразователей (на фиг.4, 5 не показаны) и подаются через коммутатор 7 и стандартный интерфейс 3 (второй вариант, фиг.5), либо непосредственно через стандартный интерфейс 3 (первый вариант, фиг.4), например RS232 или RS485, в порт СОМ-1 компьютера 4 для программной обработки и определения искомых параметров. Работой коммутатора каналов управляет компьютер 4 через интерфейс 3. В компьютере 4 при работе устройства по первому варианту выполняется подсчет количества ударных импульсов и вычисление интервалов времени между ними, по которым, определяется местоположение и скорость движения внутритрубного объекта при известной длине труб, из которых изготовлен трубопровод. По второму варианту местоположение и скорость внутритрубного объекта определяются в зависимости от временных интервалов между максимумами взаимных корреляционных функций, рассчитанных по временным реализациям от двух вибропреобразователей.
1. Устройство для определения местоположения и скорости движущегося внутритрубного объекта, содержащее датчик регистрации сигнала, установленный на трубопроводе, первичный преобразователь полученного сигнала в электрический сигнал, блок обработки и передачи электрического сигнала, выполненный с возможностью усиления, фильтрации и его цифровой обработки, и компьютер для управления, связи и отображения информации о местоположении и скорости внутритрубного объекта, соединенный через интерфейс с блоком обработки и передачи электрического сигнала, отличающееся тем, что в качестве датчика регистрации сигнала и первичного преобразователя сигнала использован вибропреобразователь, жестко закрепленный на конце трубопровода, непосредственно на наружной стенке трубы, при этом блок обработки и передачи электрического сигнала выполнен с возможностью фильтрации сигнала, частота которого соответствует максимуму в частотном спектре вибрационных колебаний от ударов внутритрубного объекта о сварные швы трубопровода, а в компьютер введена программа определения местоположения и скорости внутритрубного объекта в зависимости от количества импульсов от ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода и временных интервалов между импульсами ударов при известной длине труб, из которых изготовлен трубопровод.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вибропреобразователь жестко закреплен на байпасе трубопровода.
3. Устройство для определения местоположения и скорости движущегося внутритрубного объекта, содержащее датчик регистрации сигнала, установленный на трубопроводе, первичный преобразователь полученного сигнала в электрический, блок обработки и передачи электрического сигнала, выполненный с возможностью усиления, фильтрации и его цифровой обработки, и компьютер для управления, связи и отображения информации о местоположении и скорости внутритрубного объекта, соединенное через интерфейс с блоком обработки и передачи электрического сигнала, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй датчик регистрации сигнала с первичным преобразователем сигнала и второй блок обработки и передачи электрического сигнала, выполненный с возможностью усиления, фильтрации и его цифровой обработки и соединенный через интерфейс с компьютером для управления, связи и отображения информации о местоположении и скорости внутритрубного объекта, причем, датчики жестко закреплены на противоположных концах трубопровода, на его наружной поверхности, и каждый выполнен в виде вибропреобразователя, при этом каждый блок обработки и передачи электрического сигнала выполнен с возможностью частотной фильтрации сигнала, соответствующей максимуму спектра вибрационных колебаний от ударов внутритрубного объекта о внутренние сварные швы трубопровода, а в компьютер введена программа вычисления взаимной корреляционной функции двух сигналов, полученных одновременно от обоих вибропреобразователей, и определения местоположения и скорости внутритрубного объекта в зависимости от временных интервалов между максимумами взаимных корреляционных функций.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что вибропреобразователи жестко закреплены на байпасах трубопровода.
