RU217397U1

RU217397U1 - ELECTRONIC-ACOUSTIC DEVICE FOR MEASURING GEOMETRIC PARAMETERS OF WAVEGUIDES

Info

Publication number: RU217397U1
Application number: RU2022133085U
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Борминский
Filing date: 2022-12-15
Publication date: 2023-03-30

Abstract

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для измерений длины, диаметра и чистоты поверхности внутренней полости труб с открытыми концами в различных отраслях промышленности, в том числе в нефтегазовой промышленности и машиностроении. Также устройство может применяться для контроля параметров и диагностики труб в системах акустической уровнеметрии, где трубы в данном применении используются как волноводы.The utility model relates to instrumentation and can be used to measure the length, diameter and cleanliness of the surface of the internal cavity of pipes with open ends in various industries, including the oil and gas industry and mechanical engineering. Also, the device can be used to control the parameters and diagnose pipes in acoustic level measurement systems, where pipes in this application are used as waveguides.

Электронно-акустическое устройство измерения геометрических параметров волноводов содержит генератор 1, соединенный с акустическим излучателем 2, подведенным к торцу измеряемого волновода 3, к которому подведен также приемник отраженного сигнала 4 и отнесенный от него на фиксированное расстояние дополнительный приемник акустического сигнала 5. Выходы приемников акустического сигнала 4 и 5 подключены к блоку вычисления диаметра 6, к блоку контроля внутренней поверхности трубы 7, к блоку вычисления скорости звука в среде 8 и к электронному блоку обработки 9, выход которого подключен к индикатору 10 и блоку управления 11. По сравнению с аналогами устройство дополнительно контролирует чистоту поверхности внутренней полости труб.

The electronic-acoustic device for measuring the geometric parameters of waveguides contains a generator 1 connected to an acoustic emitter 2 connected to the end of the measured waveguide 3, to which a reflected signal receiver 4 is also connected and an additional acoustic signal receiver 5 spaced from it at a fixed distance. Outputs of the acoustic signal receivers 4 and 5 are connected to the diameter calculation unit 6, to the control unit of the inner surface of the pipe 7, to the unit for calculating the speed of sound in the medium 8 and to the electronic processing unit 9, the output of which is connected to the indicator 10 and the control unit 11. In comparison with analogues, the device is additionally controls the cleanliness of the surface of the inner cavity of the pipes.

Description

Известны устройства акустической дальнометрии, в которых излученный акустический сигнал распространяется в воздушной среде внутри трубы, отражается от препятствия или открытого конца трубы и возвращается назад к устройству, где по времени распространения рассчитывается расстояние [полезная модель RU №24550, G01B 17/00, G01F 23/28, 2002, полезная модель №7492, G01B 17/00, 1998]. Известны также дальномеры, принцип которых основан на отражении акустического сигнала от контролируемой жидкости [патенты SU №1530927, G01F 23/28, 1989; SU №1813203, G01F 23/28, 1993; RU №2052768, G01B 17/00, 1996; RU №7492, G01B 17/00, 1998; RU №52635 G01B 17/00, G01F 23/28, 2006; RU №53001 G01B 17/00, 2006]. В данных устройствах акустический зондирующий сигнал распространяется внутри трубы, как по волноводу.Acoustic ranging devices are known, in which the emitted acoustic signal propagates in the air inside the pipe, is reflected from an obstacle or the open end of the pipe and returns back to the device, where the distance is calculated from the propagation time [utility model RU No. 24550, G01B 17/00, G01F 23 /28, 2002, utility model No. 7492, G01B 17/00, 1998]. Also known rangefinders, the principle of which is based on the reflection of an acoustic signal from a controlled fluid [patents SU No. 1530927, G01F 23/28, 1989; SU No. 1813203, G01F 23/28, 1993; RU No. 2052768, G01B 17/00, 1996; RU No. 7492, G01B 17/00, 1998; RU No. 52635 G01B 17/00, G01F 23/28, 2006; RU No. 53001 G01B 17/00, 2006]. In these devices, the acoustic probing signal propagates inside the pipe, as though along a waveguide.

Прототипом заявляемой полезной модели является электронно-акустическое устройство измерения геометрических параметров открытых волноводов [полезная модель RU №181215, G01B 17/00, 2018], содержащее блок управления, излучатель, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, два приемника акустического сигнала, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к электронному блоку обработки, блоку вычисления скорости звука и блоку вычисления диаметра трубы. Недостатки известных устройств и прототипа заключаются в том, что предложенные методы не позволяют измерить чистоту поверхности внутренней полости трубы.The prototype of the claimed utility model is an electronic-acoustic device for measuring the geometric parameters of open waveguides [useful model RU No. 181215, G01B 17/00, 2018], containing a control unit, an emitter, the input of which is connected to the output of the pulse generator, two acoustic signal receivers spaced apart by fixed distance, the outputs of which are connected to an electronic processing unit, a sound velocity calculation unit, and a pipe diameter calculation unit. The disadvantages of the known devices and the prototype are that the proposed methods do not allow to measure the cleanliness of the surface of the inner cavity of the pipe.

При эксплуатации труб на стенках возможно появление коррозии или различных отложений. В частности, в нефтедобыче на стенах внутри трубы образуется слой парафина, значительно снижающий эффективный диаметр. Если труба имеет внутри выраженное препятствие, то в зависимости от размера данного препятствия произойдет отражение части волны, которое достаточно легко фиксируется в виде отдельного отражения. Но в случае, если на стенках трубы образовались равномерные наложения, отражения от них не будет и об их наличии можно судить лишь по изменению амплитуды основного отраженного сигнала от конца трубы.During the operation of pipes, corrosion or various deposits may appear on the walls. In particular, in oil production, a layer of paraffin is formed on the walls inside the pipe, which significantly reduces the effective diameter. If the pipe has a pronounced obstacle inside, then, depending on the size of this obstacle, a part of the wave will be reflected, which is quite easily fixed as a separate reflection. But if uniform superimpositions have formed on the pipe walls, there will be no reflection from them, and their presence can only be judged by a change in the amplitude of the main reflected signal from the end of the pipe.

Поставлена задача расширения функциональных возможностей - обеспечить помимо измерения длины и диаметра волновода также контроль чистоты поверхности внутренней полости трубы.The task was set to expand the functionality - to ensure, in addition to measuring the length and diameter of the waveguide, also control the cleanliness of the surface of the inner cavity of the pipe.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электронно-акустическое устройство измерения геометрических параметров волноводов, содержащее блок управления, излучатель, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, два приемника акустического сигнала, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к блоку обработки, блок вычисления скорости звука, входы которого подключены к выходам приемников акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки, блок вычисления диаметра, входы которого подключены к приемникам акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки, дополнительно введен блок контроля внутренней поверхности трубы, входы которого подключены к приемникам акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки.The solution of the problem is achieved by the fact that in an electronic-acoustic device for measuring the geometric parameters of waveguides, containing a control unit, an emitter, the input of which is connected to the output of the pulse generator, two acoustic signal receivers separated by a fixed distance, the outputs of which are connected to the processing unit, the calculation unit speed of sound, the inputs of which are connected to the outputs of the acoustic signal receivers, and the output is connected to the processing unit, the diameter calculation unit, the inputs of which are connected to the acoustic signal receivers, and the output is connected to the processing unit, an additional control unit for the inner surface of the pipe is introduced, the inputs of which are connected to acoustic signal receivers, and the output is connected to the processing unit.

Сущность полезной модели представлена на фиг. 1, где изображена структурная схема предлагаемого устройства. Схема содержит генератор 1, соединенный с акустическим излучателем 2, подведенным к торцу измеряемого волновода 3, к которому подведен также приемник отраженного сигнала 4 и отнесенный от него на фиксированное расстояние «d» дополнительный приемник акустического сигнала 5. Выходы приемников акустического сигнала 4 и 5 подключены к блоку вычисления диаметра 6, к блоку контроля внутренней поверхности трубы 7, к блоку вычисления скорости звука в среде 8 и к электронному блоку обработки 9, выход которого подключен к индикатору 10 и блоку управления 11. Блоки 1, 2, 4-11 конструктивно размещены в одном корпусе и образуют измерительный модуль 12, подносимый к торцу контролируемого волновода. Измерительный модуль является переносным и предназначен для оперативного контроля геометрических параметров.The essence of the utility model is shown in Fig. 1, which shows a block diagram of the proposed device. The circuit contains a generator 1 connected to an acoustic emitter 2 connected to the end of the measured waveguide 3, to which a reflected signal receiver 4 is also connected and an additional acoustic signal receiver 5 spaced from it at a fixed distance "d". The outputs of the acoustic signal receivers 4 and 5 are connected to the block for calculating the diameter 6, to the block for monitoring the inner surface of the pipe 7, to the block for calculating the speed of sound in the medium 8 and to the electronic processing unit 9, the output of which is connected to the indicator 10 and the control unit 11. Blocks 1, 2, 4-11 are structurally placed in one housing and form a measuring module 12 brought to the end of the controlled waveguide. The measuring module is portable and designed for on-line control of geometrical parameters.

Устройство работает следующим образом. Акустический импульс, создаваемый по команде блока управления 11 генератором 1 и излучателем 2, распространяясь, отражается от конца пустой полости волновода. Посланный и отраженный сигналы принимаются приемниками 4, 5. Принятые сигналы обрабатываются блоками 6-9. В каждом цикле измерения блок 8 сначала вычисляет истинную скорость распространения звука в данном волноводе путем измерения времени прохождения акустическими импульсами фиксированного расстояния d, например, согласно патенту на полезную модель RU №24550, G01B 17/00, G01F 23/28, 2002. Затем блок 6 определяет диаметр волновода, как указано в прототипе данной полезной модели. Блок 7 определяет состояние трубы по коэффициенту затухания а, используя формулу:The device works as follows. The acoustic pulse generated by the command of the control unit 11 by the generator 1 and the emitter 2, propagating, is reflected from the end of the empty cavity of the waveguide. The sent and reflected signals are received by receivers 4, 5. The received signals are processed by blocks 6-9. In each measurement cycle, block 8 first calculates the true speed of sound propagation in a given waveguide by measuring the time it takes acoustic pulses to travel a fixed distance d, for example, according to the utility model patent RU No. 24550, G01B 17/00, G01F 23/28, 2002. Then the block 6 defines the diameter of the waveguide, as indicated in the prototype of this utility model. Block 7 determines the state of the pipe by the attenuation coefficient a, using the formula:

где А₀ - амплитуда излучаемого сигнала; с - скорость распространения звука;where A ₀ - the amplitude of the emitted signal; c is the speed of sound propagation;

А - амплитуда принимаемого устройством отраженного сигнала;A is the amplitude of the reflected signal received by the device;

L - длина трубы;L - pipe length;

Ko(D) - коэффициент отражения от открытого конца трубы, который рассчитывается с помощью полинома:Ko(D) - coefficient of reflection from the open end of the pipe, which is calculated using a polynomial:

где D - измеренный ранее диаметр контролируемой трубы;where D is the previously measured diameter of the controlled pipe;

λ - длина волны зондирующего импульса.λ is the wavelength of the probing pulse.

Коэффициент затухания а показывает удельное затухание для звука, распространяющегося по внутренней полости трубы, при этом применяемая формула учитывает потери амплитуды на отражение от открытого конца трубы. Сложные математические выражения для Ko(D) упрощены с помощью более простых замещающих функций, что дает возможность создать простой алгоритм вычисления искомых параметров в микроконтроллере.The attenuation coefficient a shows the specific attenuation for sound propagating through the inner cavity of the pipe, while the formula used takes into account the amplitude loss due to reflection from the open end of the pipe. Complex mathematical expressions for Ko(D) are simplified with the help of simpler replacement functions, which makes it possible to create a simple algorithm for calculating the desired parameters in the microcontroller.

Опытным путем получено, что при частотах ниже 5 кГц звук в трубе с чистыми стенками распространяется почти без затухания, т.е. а>0.95, влияние материала трубы на а отсутствует. Наличие внутри трубы пористых или мягких структур (парафин, песок, мусор, слои ржавчины) снижает коэффициент а в зависимости от количества данных загрязнений, например, слой парафина 5 мм в трубе НКТ 73 мм снижает коэффициент а до 0.7, а дальнейшее загрязнение может снизить а вплоть до нуля. Наличие сконцентрированного засора в зависимости от его размера вызывает либо частичное, либо полное отражение сигнала, что также значительно влияет на коэффициент а. Таким образом данный коэффициент показывает относительную чистоту поверхности внутренней полости труб.It has been experimentally obtained that at frequencies below 5 kHz, sound in a pipe with clean walls propagates almost without attenuation, i.e. a>0.95, there is no influence of the pipe material on a. The presence of porous or soft structures inside the pipe (paraffin, sand, debris, rust layers) reduces the a factor depending on the amount of these contaminants, for example, a 5 mm layer of paraffin in a 73 mm tubing pipe reduces the a factor to 0.7, and further contamination can reduce a down to zero. The presence of a concentrated blockage, depending on its size, causes either partial or complete reflection of the signal, which also significantly affects the coefficient a. Thus, this coefficient shows the relative cleanliness of the surface of the inner cavity of the pipes.

Технический результат - одновременное измерение устройством длины, диаметра и волновода и чистоты поверхности внутренней полости труб в автоматическом режиме.EFFECT: simultaneous measurement by the device of length, diameter and waveguide and cleanliness of the surface of the internal cavity of pipes in automatic mode.

Claims

Electronic-acoustic device for measuring the geometric parameters of waveguides, containing a control unit, an emitter, the input of which is connected to the output of the pulse generator, two acoustic signal receivers separated by a fixed distance, the outputs of which are connected to the processing unit, a unit for calculating the speed of sound, the inputs of which are connected to the outputs acoustic signal receivers, and the output is connected to the processing unit, the diameter calculation unit, the inputs of which are connected to the acoustic signal receivers, and the output is connected to the processing unit, characterized in that an additional control unit for the inner surface of the pipe is introduced, the inputs of which are connected to the acoustic signal receivers, and the output is connected to the processing unit.