ОДОМЕТР ДЛЯ ВНУТРИТРУБНОГО СНАРЯДА-ДЕФЕКТОСКОПА Российский патент 2006 года по МПК G01C3/08 G01N21/954 G01S17/66 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля нефтегазопроводов и может быть использовано для целей бесконтактного оптического определения пройденного расстояния на борту внутритрубного снаряда-дефектоскопа.

Известен механизм путеизмерения (одометр) внутритрубного снаряда-дефектоскопа [1]. Он конструктивно представляет собой колесо, установленное в рычаге, который в свою очередь установлен на кронштейне контейнера внутритрубного снаряда-дефектоскопа (ВСД). В колесе снаряда установлен датчик с встроенным датчиком Холла и магнитный диск, который конструктивно состоит из двух металлических дисков и шести магнитов, размещенных между дисками и залитых эпоксидным компаундом. Металлические диски совмещены таким образом, что внутренние зубцы одного диска входят в пазы другого с определенным зазором, создавая 25 магнитных пар. Датчик Холла неподвижно связан с осью колеса одометра, а диск - с вращающимся колесом. При вращении колеса одометра вместе с магнитным диском в датчике вырабатываются импульсы, поступающие в электронный блок по проводам, размещенным в соединителе, и далее в герметичный разъем. Пружина постоянно прижимает колесо одометра к внутренней стенке трубопровода. В кронштейне имеется фиксатор, который предназначен для фиксации одометра только в транспортном положении.

Недостатком данного типа одометра является недостаточная точность из-за проскальзывания колеса на участках трубопровода с жидкостью, при вращении ВСД вокруг продольной оси, ограниченный срок службы из-за износа контактирующих элементов одометра, большая стоимость.

Известен бесконтактный измеритель расстояний [2], содержащий двухканальную проекционную систему с базовым расстоянием между объективами каналов, в устройство введен осветительный канал для формирования зондирующей световой линии на поверхности объекта, двухкоординатные приборы с зарядовой связью, или сокращенно - ПЗС-матрицы, расположенные на фиксированных расстояниях от объективов, по одному направлению каждой из которых измеряются координаты точек объекта вдоль зондирующей световой линии, а по перпендикулярному направлению - параллаксы, и встроенный контроллер для выработки координат энергетических центров изображений на ПЗС-матрицах точек объекта, освещаемых световой линией, и для вычисления по значениям этих координат значений дальности до освещенных точек объекта.

Недостатком данного изобретения является то, что с его помощью могут быть определены только малые по величине расстояния.

Известен бесконтактный трехкоординатный измеритель [3], который содержит формирующую зондирующую световую линию на поверхности объекта измерения, осветительный узел, двухканальную приемную проекционную систему, ПЗС-матрицу и преобразовательно-вычислительный блок, на вход которого включен выход ПЗС-матрицы, при этом ПЗС-матрица установлена на оптической оси проекционного объектива двухканальной приемной проекционной системы, которая снабжена двумя пентапризмами и зеркально-призменным разделительным узлом.

Недостатком данного изобретения является невозможность измерения больших по величине расстояний.

Известно устройство для измерения расстояния [4], содержащее излучатель, состоящий из полупроводникового источника, электрически связанного с ним модулятора и оптически связанного с ним коллиматора, приемник излучения, состоящий из фотоприемника, электрически связанной с ним схемы обработки сигналов и оптически связанной с ним собирающей линзы, устройство управления, электрически связанное с модулятором и схемой обработки сигналов, при этом между фотоприемником и собирающей линзой установлен оптически связанный с ними оптический элемент, направляющий часть оптического излучения на чувствительную площадку фотоприемника.

Недостаток данного устройства - малые измеряемые расстояния, что не дает возможности использовать его в качестве одометра.

Известно устройство для путевого обследования внутренней поверхности трубопроводов [5].

Это устройство содержит электронные блоки, размещенные в герметичном контейнере, устройство перемещения контейнера по трубопроводу, датчики регистрации местонахождения, формирователь магнитного потока в исследуемом участке трубопровода, дополнительный измерительный контейнер, прозрачный со стороны, обращенной к стенке трубопровода, расположенный на держателе, шарнирно соединенном через подвижный рычаг с герметичным контейнером. В герметичном контейнере содержится источник света, оптически связанный через оптическое волокно с дополнительным герметичным контейнером, в котором последовательно по ходу светового пучка расположены поляризатор, полусферическая линза, оптическая система формирования изображения. Полусферическая линза расположена на прозрачной грани дополнительного герметичного контейнера с внутренней стороны. С наружной стороны прозрачной грани дополнительного контейнера расположена пленка магнитооптического материала с многослойным диэлектрическим покрытием. Пленка магнитооптического материала расположена на поверхности стенки трубопровода в области сформированного магнитного потока. Торец оптического волокна расположен в фокальной плоскости полусферической линзы, торец световодного жгута расположен в области изображения магнитооптического материала. Многослойное диэлектрическое покрытие на магнитооптическом материале выполнено из чередующихся четвертьволновых слоев диэлектрика с различным показателем преломления, свет освещает границы раздела слоев диэлектрика под углом Брюстера, поляризация излучения ориентирована в плоскости падения света. Устройство для путевого обследования внутренней поверхности трубопроводов позволяет обеспечить заданную надежность определения дефектных участков, могущих привести к аварии трубопровода. Устройство не только определяет дефектный участок стенки трубопровода, но также позволяет получить изображение дефекта и путь, которое может быть подвергнуто дополнительному анализу.

Данное устройство принимается за наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения.

Недостатком устройства - наиболее близкого аналога - является то, что получаемые изображения дефектов имеют существенные размеры, они встречаются на поверхности внутренней стенки трубопровода редко и случайно, поэтому погрешность определения перемещения велика, и данное устройство напрямую для измерения пройденного ВСД расстояния использовать невозможно.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения бесконтактным одометром пройденного ВСД расстояния.

Сущность изобретения состоит в том, что в одометре для внутритрубного снаряда-дефектоскопа, закрепленном на его герметичном контейнере, содержащем блок электроники, источник света, оптически связанный через оптическое волокно с системой формирования изображения, в котором блок электроники, источник света в виде светодиода и система формирования изображения в виде волоконно-оптического жгута, ответвителей и ПЗС-матрицы встроены герметично внутрь упругого полиуретанового основания, прикрепленного снаружи к герметичному контейнеру, на упругом основании закреплена пластинка-накладка из полиуретана, в соосные отверстия, выполненные в упругом основании и пластинке-накладке, герметично вставлен волоконно-оптический жгут, чувствительная площадка которого обращена к внутренней поверхности трубопровода и выполнена заподлицо с пластиной-накладкой с возможностью плотного прилегания к стенке трубопровода, одна половина волокон жгута, выполненная в виде ответвителя, своим торцом через устройство оптического ввода света прижата к светодиоду инфракрасного диапазона излучения, а другая половина волокон, представляющая собой второй ответвитель волоконно-оптического жгута, своим торцом через другое устройство ввода света прижата к чувствительной площадке ПЗС-матрицы, в состав блока электроники введен контроллер ПЗС-матрицы для обработки информации по алгоритмам расчета расстояния, при этом светодиод через транзистор-ключ соединен с управляющим выходом контроллера, к которому с помощью последовательного порта подключены управляющий вход и видеовыход ПЗС-матрицы.

Контроллер ПЗС-матрицы предназначен для обработки информации по алгоритмам расчета расстояний за счет отображения шероховатостей стенки трубопровода на ПЗС-матрицу в виде напряжений пикселей.

Технический результат изобретения состоит в том, что упрощается конструкция устройства за счет устранения дополнительного герметичного контейнера и элементов связи с ним, что приводит к снижению стоимости одометра для внутритрубного снаряда-дефектоскопа.

На фиг.1 и 2 изображены основная и вспомогательная проекции конструктивной схемы одометра для ВСД; на фиг.3 изображена функциональная электрическая схема одометра для ВСД; на фиг.4 изображен график перемещения неровностей на поверхности внутренней стенки трубопровода относительно чувствительной площадки ПЗС-матрицы.

На фиг.1 позицией 1 обозначена часть трубопровода. Позицией 2 изображена часть герметичного контейнера ВСД. К кронштейну 3, закрепленному на контейнере 2, например, винтами (не показаны), прикреплено упругое основание 4 одометра, причем основание 4 может быть выполнено из полиуретана. Одометр с наружной стороны, т.е. со стороны стенки трубопровода, закрыт пластинкой-обкладкой 5 толщиной 3,5,..., 5 мм из полиуретана. Она служит для защиты основания 4 и элементов одометра и прикреплена к основанию 4, например, винтами, которые также не показаны. Измерительная часть одометра состоит из источника света в виде светодиода 6, например, марки АЛ-7, предназначенного для работы в инфракрасной области оптического спектра на длине волны порядка 0,8 мкм. В измерительную часть одометра также входит ПЗС-матрица 7 (например, марки ICX285AL с диагональю чувствительной площадки 11 мм с числом элементов по строкам и столбцам 1360×1024 (1.4 М pixels), фирмы SONY).

К торцу светодиода 6 и к торцу чувствительной площадки ПЗС-матрицы 7 подведены ответвители 8 и 9 от жгута волоконно-оптического 10, которые состоят из оптических волокон с плоской поляризацией, по крайней мере, для ответвителя 9, ведущего к ПЗС-матрице. Светодиод 6, волоконно-оптический жгут 10, ответвители 8, 9, ПЗС-матрица крепятся к гетинаксовой плате 11. На этой же плате 11 закреплен контроллер 12, имеющий, например, марку MS 683XX, 100 МГц, 32 разряда [www.Motorola.com]. На этой плате закреплены резисторы и конденсаторы, нанесены печатные токоведущие цепи (не показаны).

Расширители 13 и 14 предназначены для ввода светового пучка от светодиода в волоконный ответвитель 8, в жгут 10, а затем для подведения светового изображения пятен на стенке трубопровода к ПЗС-матрице 7. Система формирования изображения включает в свой состав волоконно-оптический жгут 10, его ответвитель 8 и ПЗС-матрицу 7. В сквозные отверстия, выполненные в упругом основании 4 и пластинке-накладке 5, вставлен на клее волоконно-оптический жгут 10, чувствительная площадка которого обращена к внутренней поверхности трубопровода, выполнена заподлицо с пластинкой-накладкой 5 и имеет возможность прилегать к стенке трубопровода 1. Одна половина волокон жгута в виде ответвителя 8 своим другим торцом через устройство оптического ввода света в виде расширителя 13 прижата к зондирующему светодиоду 6 инфракрасного диапазона излучения. Другая половина волокон, представляющая второй ответвитель волоконно-оптического жгута 10, своим торцом, представляющим другое устройство ввода света в виде расширителя 14, прижата к чувствительной площадке ПЗС-матрицы 7. Электрические провода от элементов одометра припаяны к контактам, они собраны в кабель 15, который заведен в оплетку 16, а затем соединен с внешним компьютером, буфером памяти и с другими потребителями и источником питания. Основание одометра 4 состоит из двух частей - из собственно упругого основания 4 и герметично на него поставленной, выполненной, например, из полиуретана, крышки 17. Эти элементы (4 и 17) между собой после выполнения электромонтажа соединены клеем, например, викасином К-68. Пустоты между упругим основанием 4 и крышкой 17 залиты эпоксидным компаундом в виде наполнителя 18 для придания конструкции монолитности. Волоконно-оптический жгут 10 выведен через отверстия в упругом основании 4 и в пластинке-накладке 5 так, что его волокна перпендикулярны поверхности трубопровода 1. Жгут соединен с пластинкой-накладкой 5 и крышкой 17 с помощью, например, клея К-68, торец жгута 10 и поверхность пластинки-накладки 5 в собранном виде могут быть отшлифованы.

Электрическая схема одометра для ВСД выполнена в виде блока электроники, базируется на ПЗС-матрице 7 со схемой управления, включающей в свой состав контроллер ПЗС-матрицы 12. Кварцевый элемент ZQ1 служит для задания стабилизированной частоты развертки и модуляции в ПЗС-матрице 7. Для сглаживания пульсаций напряжения питания (+5 В) служит конденсатор C₁, а также резисторы R₁ и R₂, образующие фильтр нижних частот. Резистор R₃ служит для снижения части напряжения (сигнала) запуска схемы 12 с входной клеммы "вход". Резисторы R₄ и R₅ являются делителем напряжения с выхода схемы, предназначенного для открытия-закрытия транзистора VT1 с частотой модуляции. Резистор R4 служит для ограничения силы тока, протекающего через светодиод при его открытии. Входные и выходные цепи одометра обозначены (фиг.3):

питание - клеммы "+5 В", "общ.";

сигнал запуска одометра - клемма "вход";

сигнал выхода одометра - клемма "выход".

Сигнал с выхода контроллера 12 ПЗС-матрицы 7 поступает через последовательный порт "comport" на внешний компьютер и другие потребители. Клемма "а" в схеме ПЗС-матрицы соответствует сигналу "запрос", клемма "b" в схеме соответствует видеовыходу ПЗС-матрицы, т.е. считыванию видеосигнала. Конденсатор С₂ в схеме ПЗС-матрицы 7 определяет длительность импульса запроса, конденсатор С₄ является сглаживающим.

Работает одометр для ВСД следующим образом. После его установки на ВСД, запуска ВСД в трубопровод и подключения к нему необходимых напряжений питания, запуска и управления включается схема одометра. В результате взаимодействия между собой контроллера 12 и схемы управления ПЗС-матрицы 7 с кварцевым элементом ZQ1 с делителя напряжения R₄-R₅ к переходу база - эмиттер транзистора VT1 будет подводиться импульсное напряжение с частотой порядка 1 КГц. Под действием этого напряжения будет открываться транзистор VT1, от него импульсы напряжения будут подводиться к светодиоду 6, и он будет испускать зондирующие импульсы света инфракрасного диапазона излучения. Через световолоконный ответвитель 8 и жгут 10 зондирующие импульсы будут освещать поверхность внутренней стенки трубопровода 1. На этой поверхности имеются естественные шероховатости, возникшие при изготовлении трубопровода, шаг которых колеблется в интервале значений порядка от десятка микрометров до долей - единиц миллиметра. За счет этих шероховатостей будут изменяться коэффициенты отражения различных участков шероховатостей, в результате изображения их будут через волоконно-оптические жгут 10 и ответвитель 9 переданы на чувствительную площадку ПЗС-матрицы 7. Различные малые по сравнению с шероховатостями пиксели ПЗС-матрицы будут выдавать на выход различные напряжения, пропорциональные микропотокам световой энергии, приходящимся на каждый пиксель. Пространственное распределение напряжений пикселей по n строкам и m столбцам будет отображать рельеф шероховатостей, находящихся в поле чувствительной площадки ПЗС-матрицы 7. Если ВСД перемещается относительно трубопровода 1, то вся картина также будет перемещаться, например, в направлении стрелок, указанных на фиг.4.

В контроллере 12 ПЗС-матрицы 7 по алгоритмам расчета расстояний определяются числа пикселей, через которые прошла каждая из шероховатостей; их суммируют с учетом знаков по строкам и столбцам и определяют приращения перемещений при движении ВСД. При этом изменение номеров пикселей с учетом знаков по строкам дает приращение пройденного расстояния, а изменение номеров пикселей по столбцам - поворот ВСД вокруг его продольной оси.

Преимуществом данного устройства перед наиболее близким аналогом является упрощение конструкции и то, что чувствительная площадка волоконно-оптического жгута за счет упругого основания соприкасается с внутренней поверхностью трубопровода. Благодаря этому не происходит потеря изображений шероховатостей, так что точность определения пройденного ВСД расстояний возрастает.

Источники информации

1. Снаряд-дефектоскоп "Крот СК 1000". Техническое описание и инструкция по эксплуатации. РНКШ 1010.00.00.00.00 ТО. OOO "Газприборавтоматикасервис", г.Саратов, 2003, 64 с.

2. Патент РФ №2124700, МПК G 01 B 11/00, 11/02. Авторы Ю.Е.Дукаревич и Е.Ю.Дукаревич. Бесконтактный измеритель расстояний 1999 г.

3. Заявка №2000125295/25 от 05.10.2000. Авторы С.Л. Горелик и др. Бесконтактный трехкоординатный измеритель. БИПМ №29, 2002 г.

4. Патент РФ №2140622. Авторы А.И.Абрамов и др. Устройство для измерения. БИ №30, 1999 г.

5. Патент РФ №2156917. МПК F 17 D 5/02. Устройство для путевого обследования внутренней поверхности трубопроводов. 2000 г.

Одометр для внутритрубного снаряда-дефектоскопа, закрепленный на его герметичном контейнере, содержит блок электроники, источник света, оптическое волокно с системой формирования изображения. Блок электроники, источник света в виде светодиода инфракрасного диапазона излучения и система формирования изображения в виде волоконно-оптического жгута, ответвителей и ПЗС-матрицы встроены герметично внутрь упругого полиуретаного основания, прикрепленного снаружи к герметичному контейнеру. В состав блока электроники введен контроллер ПЗС-матрицы для обработки информации по алгоритмам расчета расстояния, при этом светодиод инфракрасного диапазона излучения через транзистор-ключ соединен с управляющим выходом контроллера, к которому с помощью последовательного порта подключены управляющий вход и видеовыход ПЗС-матрицы. Технический результат - повышение точности измерения. 4 ил.

Одометр для внутритрубного снаряда-дефектоскопа, закрепленный на его герметичном контейнере, содержащий блок электроники, источник света, оптически связанный через оптическое волокно с системой формирования изображения, отличающийся тем, что блок электроники, источник света в виде светодиода инфракрасного диапазона излучения и система формирования изображения в виде волоконно-оптического жгута, ответвителей и ПЗС-матрицы встроены герметично внутрь упругого полиуретаного основания, прикрепленного снаружи к герметичному контейнеру, на упругом основании закреплена пластинка-накладка из полиуретана, в основные отверстия, выполненные в упругом основании и пластинке-накладке, герметично вставлен волоконно-оптический жгут, чувствительная площадка которого обращена к внутренней поверхности трубопровода и выполнена заподлицо с пластинкой-накладкой с возможностью плотного прилегания к стенке трубопровода, одна половина волокон жгута, выполненная в виде ответвителя, своим торцом через устройство оптического ввода света прижата к светодиоду инфракрасного диапазона излучения, а другая половина волокон, представляющая собой второй ответвитель волоконно-оптического жгута, своим торцом через другое устройство ввода света прижата к чувствительной площадке ПЗС-матрицы, в состав блока электроники введен контроллер ПЗС-матрицы для обработки информации по алгоритмам расчета расстояния, при этом светодиод инфракрасного диапазона излучения через транзистор-ключ соединен с управляющим выходом контроллера, к которому с помощью последовательного порта подключены управляющий вход и видеовыход ПЗС-матрицы.