НАВИГАЦИОННО-ТОПОГРАФИЧЕСКИЙ ВНУТРИТРУБНЫЙ ИНСПЕКТИРУЮЩИЙ СНАРЯД Российский патент 2003 года по МПК G01C21/12 F17D5/06 G01N27/82 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике мониторинга магистральных трубопроводов.

Известен универсальный диагностический снаряд-дефектоскоп для контроля за состоянием трубопроводов (патент RU 2111453, G 01 B 17/02, БИ 14, 1998), где введена секция навигационных и высотно-плановых отметок, представляющая собой герметичный корпус, внутри которого размещен навигационный модуль, включающий командный прибор с трехосным гиростабилизатором, цифровой вычислительный комплекс и блок регистрирующей аппаратуры. В этом техническом решении используется гиростабилизатор, точность которого снижается из-за интенсивных воздействий вибрации, ударов и отсутствия коррекции от других систем.

Известен подвижный вращающийся снаряд - топограф, применяемый для инспекции подземных трубопроводов изнутри (E.H.Knickmeyer, The Roling Pig or How does a Surveyor Greep Through a Pipeline. - Bulletin Geodesigue, 1994, 68, pp. 71-76). Снаряд содержит корпус, манжеты, одометры, блок чувствительных элементов, инерциальный блок в виде бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Недостатком является то, что в указанной работе отсутствует магнитный экран инерциального блока и не указаны координаты расположения центра трех акселерометров, что не обеспечивает заданной точности позиционирования.

Известна инерциальная система мониторинга трубопроводов (патент США 4945775, МКИ G 01 C 9/06, 1990), содержащая герметичный корпус, манжеты, одометры, чувствительные элементы и приемники неинерциальной природы, модуль в виде бесплатформенной инерциальной навигационной системы, бортовой компьютер. Недостатком этой системы также является отсутствие магнитного экрана инерциального блока и координат расположения центра трех акселерометров, что не обеспечивает заданной точности позиционирования.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является "Устройство для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов" (патент RU 2102704, G 01 В 17/02, БИ 2, 1998).

Это устройство состоит из герметичного контейнера, выполненного со смещенным к боковой поверхности относительно продольной оси центром тяжести, эластичных манжет, жестко закрепленных в носовой и хвостовой частях герметичного контейнера, датчика пути, блока вычислений и управления, регистратора, измерительного модуля, включающего три ряда ультразвуковых измерителей угловой скорости и трехкомпонентный акселерометр. Устройство снабжено аккумуляторной батареей.

Недостатком этого технического решения является наличие погрешностей за счет неопределенного места установки и крепления к контейнеру трех акселерометров. За счет этого появляются погрешности от поворотных ускорений контейнера, от его вибрации, ударов, а также магнитных полей (напряженность их в магнитных проходных дефектоскопах достигает 2500 А/м).

Задачей данного изобретения является повышение точности работы навигационного модуля и всего навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда (НТ ВИС) за счет уменьшения внешних воздействий от поворотных ускорений, вибрации и напряженности магнитного поля внутри снаряда.

Это достигается тем, что в навигационно-топографическом внутритрубном инспектирующем снаряде, включающем герметичный контейнер, эластичные манжеты в передней и задней частях контейнера, датчики пути, приборные узлы, закрепленные внутри корпуса, блок электроники для регистрации сигналов датчиков, аккумуляторные батареи и измерительный модуль, содержащий три ортогонально расположенных волоконно-оптических гироскопа и три ортогонально расположенных акселерометра, измерительный модуль установлен на внутренних гранях корпуса кубической формы и закрыт пермаллоевым кожухом с толщиной, обеспечивающей снижение величины напряженности магнитного поля снаряда до минимально допустимых значений для этих датчиков, причем одна грань корпуса перпендикулярна продольной оси снаряда, геометрический центр трех акселерометров совмещен с центром подвеса контейнера, а корпус измерительного модуля соединен средствами крепления с контейнером снаряда. Корпус измерительного модуля может быть соединен с контейнером средствами крепления через упругодемпфирующие элементы. Кроме того, средства крепления установлены на грани корпуса измерительного модуля, перпендикулярной продольной оси контейнера снаряда, а упругодемпфирующие элементы выполнены с жесткостью, соответствующей выражению:

(i=1, 2, 3),
где ω_М - частота собственных недемпфированных колебаний амортизированного измерительного модуля; V_СН - среднее значение линейной скорости снаряда внутри трубы; L_ОПОР - расстояние между рядами передних и задних колес (манжет); ω_В - среднее значение диапазона частот вибраций снаряда, с_i - коэффициенты жесткости вдоль соответствующих осей подвеса; m - масса измерительного модуля.

Технический результат, который может быть получен при реализации данного изобретения, - создание навигационно-топографического внутритрубного нспектирующего снаряда повышенной точности.

На фиг. 1 изображена схема навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда (НТВИС), на фиг.2 - схема для определения центра подвеса снаряда, на фиг.3 представлен спектр вибраций опытного образца измерительного модуля на снаряде в трубе.

Навигационно-топографический внутритрубный инспектирующий снаряд состоит из герметичного контейнера 1, выполненного со смещением к боковой поверхности центра тяжести, эластичных манжет 2, жестко закрепленных в передней и задней частях контейнера, датчиков пути 3, приборного узла 4, блока электроники 5, аккумуляторных батарей 6 и измерительного модуля 7 в виде корпуса 8 измерительного модуля, трех волоконно-оптических гироскопов 9 и трех акселерометров 10, которые установлены на внутренних гранях кубического корпуса 8 измерительного модуля 7. Измерительный модуль 7 закрыт пермаллоевым кожухом 11 и установлен так, что геометрический центр трех акселерометров совпадает с центром подвеса снаряда, при этом одна грань кубического корпуса 8 измерительного модуля 7 перпендикулярна продольной оси контейнера, указанный корпус 8 соединен с контейнером 1 снаряда с помощью средств крепления 12 через три упругодемпфирующих опорных элемента 13; 14 - колеса, число которых в переднем и заднем рядах лежит в интервале 6-8 штук. Центр подвеса контейнера 1 определяется как точка "О" (см. фиг.2) пересечения прямых линий, соединяющих точки касания диагонально-противоположных колес 14' и 14', 14'' и 14'' соответственно как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях. Центр подвеса (НТВИС) и геометрический центр трех акселерометров необходимо совмещать, чтобы исключить в них погрешности от воздействия поворотных ускорителей [Бабаев А.А. Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых оптических приборов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984, с. 24]. В снарядах, где колеса отсутствуют, центром подвеса является точка пересечения диагональных прямых, проходящих через центры опорных площадок манжет 2.

Устройство работает следующим образом. Подключается питание от аккумуляторных батарей 6 ко всем блокам и элементам снаряда. Снаряд помещается в камеру запуска и за счет перепада давления вводится в магистральный газопровод. Герметичный контейнер 1 начинает перемещаться на эластичных манжетах 2 относительно трубы, состоящей из сваренных отрезков. Это движение воспринимается датчиком пути 3, приборными узлами 4 и измерительным модулем 7. Магнитные поля от намагниченных участков трубы и дополнительных блоков намагничивания внутри снаряда ослабляются за счет введения пермаллоевого кожуха 11. По данным измерений магнитного поля дефектоскопа "КРОТ-1200" во внутреннем объеме снаряда в зоне 0-20 см от центра подвеса герметичного контейнера все компоненты поля не превышают 500 А/м (при Х_з=50 см напряженность по этой оси достигает 1300 А/м). В то же время по данным фирмы "Физоптика" известно, что, например, у волоконно-оптических гироскопов ВГ-910 сдвиг нуля составляет 0,5-2^o/ч/Гаусс, а у ВГ-951 - 0,2-1^o/ч/Гаусс. Следовательно, толщина пермаллоевого экрана должна быть выбрана из условия снижения этой величины до уровня шумового дрейфа.

Так как эти же приборы могут работать в диапазоне вибрации с амплитудой 6g при частотах от 20 до 2000 Гц (ВГ-910) и 2g при частотах от 20 до 500 Гц (ВГ-951), то при наличии амортизации в виде упругодемпфирующих опорных элементов пространственного нагружения 13 для эффективной работы необходимо, чтобы частота собственных недемпфированных колебаний измерительного модуля 7 на опорных элементах 13 относительно контейнера 1 была минимум в раз меньше, чем нижнее значение частоты диапазона существенных вибраций снаряда ("Гироскопические системы. Элементы гироскопических приборов". /Под ред. Д. С.Пельпора, М., Высшая школа, 1988, с. 416-425).

Нижнее значение частоты существенных вибраций снаряда может быть определено по частоте набегания снаряда на сварные швы из выражения

где V_сн - среднее значение линейной скорости снаряда внутри трубы;
L_ОПОР - расстояние между рядами колес (манжетами).

Частоты собственных колебаний амортизированного измерительного модуля 7 находятся из формулы

где С_i (i= 1, 2, 3) - значения жесткости упругодемпфирующих опорных элементов со средствами крепления вдоль трех осей системы координат, связанной с контейнером;
m - масса измерительного модуля 7.

Известно, что вибрации основания оказывают существенное влияние на точность гироскопов и акселерометров (С.Ф. Коновалов, Теория виброустойчивости акселерометров, М. , Машиностроение, 270 с.; П.К. Плотников, А.В. Фузеев. Влияние короткопериодических колебаний объекта на показания гиротахометра// Повышение надежности приборов, науч. тр. СПИ, вып. 23, Саратов "Коммунист", 1966, с. 69-77). Снижение этого влияния в данном техническом решении осуществляют путем применения амортизаторов со следующей рекомендацией по выбору частот собственных колебаний корпуса измерительного модуля на опорных элементах.

Данные частоты ω_м должны лежать в интервале частот:

где V_сн - среднее значение скорости движения снаряда относительно трубы;
L_ОПОР - расстояние между передними и задними опорами снаряда;
ω_М - частота собственных колебаний измерительного модуля на опорных элементах;
ω_В - среднее значение частоты существенных вибраций снаряда по координатам поступательного движения.

При этом должно выполняться требование:
ω_М≅ω_iC, (5)
(i=1, 2, 3),
где ω_C - резонансная частота (частота среза) на амплитудно-частотной характеристике i-го акселерометра.

Результаты экспериментального исследования величин ускорений по трем координатам (фиг.3) показали, что среднее значение частоты вибрации НТ ВИС составило 100 Гц в продольном направлении, 80 Гц - в боковом и 125 Гц - в вертикальном. При рекомендуемой скорости снаряда в 1 м/с и расстоянии между опорами 1,25 м нижнее значение частот ω_H = 8 Гц, а диапозон должен быть в пределах 2-80 Гц. Жесткость упругодемпфирующих элементов выбираем из соотношения (1).

Размещение акселерометров в центре подвеса снаряда снижает поворотное ускорение, обусловленное вращением движущегося снаряда, что повышает точность измерения ускорений контейнера 1 НТ ВИС.

Выполнение условий (1-4) с помощью вибропоглощающих прокладок 13, за счет подбора жесткости и коэффициента демпфирования обеспечивает ослабление действия вибрации и повышение точности работы модуля. При этом после извлечения снаряда из приемной камеры и переключения бортовой аппаратуры с долговременного запоминающего устройства к наземной системе повышается достоверность информации о координатах трассы и кинематических параметрах движения НТ ВИС.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к мониторингу магистральных трубопроводов. Технический результат: повышение точности работы навигационно-топографического внутритрубного инспектирующего снаряда за счет уменьшения внешних воздействий от поворотных ускорений, вибрации и напряженности магнитного поля внутри снаряда. Сущность: снаряд содержит герметичный контейнер, эластичные манжеты в передней и задней частях контейнера, датчики пути, приборные узлы, закрепленные внутри корпуса, блок электроники для регистрации сигналов датчиков, аккумуляторные батареи и измерительный модуль в виде корпуса кубической формы. На внутренних гранях корпуса установлены три волоконно-оптических гироскопа и три акселерометра с ортогональной взаимной ориентацией осей чувствительности. Модуль закрыт пермаллоевым кожухом с толщиной, обеспечивающей снижение величины напряженности магнитного поля снаряда до минимально допустимых значений для этих датчиков. Одна грань корпуса перпендикулярна продольной оси снаряда. Геометрический центр трех акселерометров совмещен с центром подвеса контейнера. Корпус измерительного модуля соединен средствами крепления с контейнером снаряда. Корпус модуля может быть соединен с контейнером средствами крепления через упругодемпфирующие элементы. Средства крепления установлены на грани корпуса измерительного модуля, перпендикулярной продольной оси контейнера снаряда. Упругодемпфирующие элементы выполнены с жесткостью, соответствующей выражению

(i=1, 2, 3)
где ω_M - частота собственных недемпфированных колебаний амортизированного измерительного модуля; V_сн - среднее значение линейной скорости снаряда внутри трубы; L_ОПОР - расстояние между рядами передних и задних колес (манжет); ω_B - среднее значение диапазона частот вибраций снаряда, с_i - коэффициенты жесткости вдоль соответствующих осей подвеса; m - масса измерительного модуля. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Навигационно-топографический внутритрубный инспектирующий снаряд, включающий герметичный контейнер, эластичные манжеты в передней и задней частях контейнера, датчики пути, приборные узлы, закрепленные внутри корпуса, блок электроники для регистрации сигналов датчиков, аккумуляторные батареи и измерительный модуль, содержащий три ортогонально расположенных волоконно-оптических гироскопа и три ортогонально расположенных акселерометра, отличающийся тем, что измерительный модуль установлен на внутренних гранях корпуса кубической формы и закрыт пермаллоевым кожухом с толщиной, обеспечивающей снижение величины напряженности магнитного поля снаряда до минимально допустимых значений для этих датчиков, причем одна грань корпуса перпендикулярна продольной оси снаряда, геометрический центр трех акселерометров совмещен с центром подвеса контейнера, а корпус измерительного модуля соединен средствами крепления с контейнером снаряда. 2. Навигационно-топографический внутритрубный инспектирующий снаряд по п.1, отличающийся тем, что корпус измерительного модуля соединен с контейнером средствами крепления через упругодемпфирующие элементы. 3. Навигационно-топографический внутритрубный инспектирующий снаряд по п. 2, отличающийся тем, что средства крепления установлены на грани корпуса измерительного модуля, перпендикулярной продольной оси контейнера снаряда, а упругодемпфирующие элементы выполнены с жесткостью, соответствующей выражению

(i = 1, 2, 3)
где ω_м - частота собственных недемпфированных колебаний амортизированного измерительного модуля;
V_сн - среднее значение линейной скорости снаряда внутри трубы;
L_ОПОР - расстояние между рядами передних и задних колес (манжет);
ω_в - среднее значение диапазона частот вибраций снаряда;
с_i - коэффициенты жесткости вдоль соответствующий осей подвеса;
m - масса измерительного модуля.