RU2439520C1 - Method of locating main pipeline leaks - Google Patents
Method of locating main pipeline leaks Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439520C1 RU2439520C1 RU2010137035/28A RU2010137035A RU2439520C1 RU 2439520 C1 RU2439520 C1 RU 2439520C1 RU 2010137035/28 A RU2010137035/28 A RU 2010137035/28A RU 2010137035 A RU2010137035 A RU 2010137035A RU 2439520 C1 RU2439520 C1 RU 2439520C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- channel
- antenna
- pipeline
- signals
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения места течи в подземных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения, а преимущественно в магистральных трубопроводах, уложенных на дне водоемов, включая морские акватории.The invention relates to measuring and control equipment and can be used to determine the place of a leak in underground pipelines of heat and water supply systems, and mainly in main pipelines laid at the bottom of water bodies, including sea areas.
Известны устройства для определения места течи в подземных трубопроводах [авторские свидетельства SU №№336463, 380910, 411268, 1368685, 1657988, 1778597, 1781577, 1800219; патенты RU №№2011110, 2026372, 2047039, 2047815, 2053436, 2084757, 2010227, 2121105; патенты US №№3045116, 3744298, 4289019; патенты GB №№1349120, 2311135; патенты FR №№2374628, 2504651; патент DE №3112829; патент JP №4611795; Волошин В.И. и др. Акустический определитель местоположения развивающегося дефекта // Дефектоскопия, 1980, 8. - С.69-74], которые характеризуется тем, что содержат первичные вибропреобразователи, устанавливаемые на концах обслуживающего трубопровода, два усилителя, два фильтра, два аналого-цифровых преобразователя, шифратор, дешифратор, цифровой коррелятор и дисплей. В некоторых известных устройствах дополнительно введен передатчик и приемник. Применение радиоканала позволяет повысить мобильность устройства, расширить его функциональные возможности.Known devices for determining the location of a leak in underground pipelines [copyright certificate SU No. 336463, 380910, 411268, 1368685, 1657988, 1778597, 1781577, 1800219; RU patents No. 20111110, 2026372, 2047039, 2047815, 2053436, 2084757, 2010227, 2121105; US patent No. 3045116, 3744298, 4289019; GB patents Nos. 1349120, 2311135; Patents FR No. 2374628, 2504651; DE patent No. 3112829; JP patent No. 4611795; Voloshin V.I. et al. Acoustic locator of a developing defect // Defectoscopy, 1980, 8. - P.69-74], which are characterized by the fact that they contain primary vibration transducers installed at the ends of the service pipeline, two amplifiers, two filters, two analog-to-digital converters , encoder, decoder, digital correlator and display. In some known devices, a transmitter and a receiver are additionally introduced. The use of the radio channel allows to increase the mobility of the device, to expand its functionality.
Однако устройствам, представляющим собой аналоги, присущ недостаток, заключающийся в том, что радиоканал подвержен сильному воздействию естественных и искусственных помех, особенно в условиях крупного мегаполиса, что делает возможным его работоспособность только на секциях трубопроводов малой длины.However, the devices, which are analogues, have a disadvantage in that the radio channel is exposed to strong effects of natural and artificial interference, especially in a large metropolis, which makes it possible to work only on sections of pipelines of small length.
Известно устройство поиска мест утечек магистральных трубопроводов [патент RU №2196312], в котором технической задачей является повышение надежности радиоканала путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией.A device for locating leaks of trunk pipelines is known [patent RU No. 2196312], in which the technical task is to increase the reliability of the radio channel by using complex signals with phase shift keying.
В известном устройстве [патент RU №2196312] поставленная задача решается тем, что устройство для поиска мест утечек магистральных трубопроводов, содержащее первый и второй датчики вибрации, устанавливаемые на концах диагностируемой секции трубопровода, приемник, последовательно подключенные к выходу первого датчика вибрации первый усилитель, первый фильтр, первый аналого-цифровой преобразователь, цифровой коррелятор, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, и дисплей, последовательно подключенные к выходу второго датчика вибрации второй усилитель, второй фильтр, второй аналого-цифровой преобразователь, шифратор и передатчик, снабжено удвоителем фазы, двумя измерителями ширины спектра, блоком сравнения, пороговым блоком, ключом, двумя перемножителями, узкополосным фильтром и фильтром нижних частот, причем передатчик выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом шифратора, и усилителя мощности, к выходу приемника последовательно подключены удвоитель фазы, первый измеритель ширины спектра, блок сравнения, второй вход которого через второй измеритель ширины спектра соединен с выходом приемника, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом приемника, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, и фильтр нижних частот, выход которого соединен с выходом дешифратора.In the known device [patent RU No. 2196312] the problem is solved in that a device for locating leaks of pipelines, containing the first and second vibration sensors installed at the ends of the diagnosed section of the pipeline, a receiver connected in series to the output of the first vibration sensor, the first amplifier, the first a filter, a first analog-to-digital converter, a digital correlator, the second input of which is connected to the output of the decoder, and a display connected in series to the output of the second vibration sensor walkie-talkie a second amplifier, a second filter, a second analog-to-digital converter, an encoder and a transmitter, is equipped with a phase doubler, two spectrum width meters, a comparison unit, a threshold block, a key, two multipliers, a narrow-band filter and a low-pass filter, the transmitter being made in the form of a series the high-frequency generator, the phase manipulator, the second input of which is connected to the output of the encoder, and the power amplifier are turned on, a phase doubler is connected to the output of the receiver, the first measure a spectrum width, a comparison unit, the second input of which is connected to the output of the receiver through a second spectrum width meter, a threshold block, a key, the second input of which is connected to the output of the receiver, the first multiplier, the second input of which is connected to the output of the low-pass filter, a narrow-band filter, the second a multiplier, the second input of which is connected to the output of the key, and a low-pass filter, the output of which is connected to the output of the decoder.
Известное устройство [патент RU №2196312], в отличие от аналогов, ввиду того, что используются сложные сигналы с фазовой манипуляцией, позволяет повысить надежность радиоканала для передачи зарегистрированных сигналов на диспетчерский пункт.The known device [patent RU No. 2196312], in contrast to analogues, due to the fact that complex signals with phase shift keying are used, can improve the reliability of the radio channel for transmitting registered signals to a control room.
Однако для получения информации о дефектах в трубопроводах используются справочные материалы (толщины стенок трубопровода и т.д.), а вычисление расстояния до места течи от датчика вибрации определяется по времени на основе измеренного значения разности времен (Т), прихода ударных волн от течи до датчиков, с учетом скорости распространения ударной волны осуществляется на основании параметров, введенных в ручную в цифровой коррелятор-процессор, в котором автоматически вычисляется расстояние L до места течи от датчика вибрации, которое отображается на дисплее. При этом выделение рабочей полосы частоты осуществляется посредством фильтров на основании оптимального значения, которое определяются параметрами трубопровода и «помеховой» обстановкой. И если параметры трубопровода могут быть установлены по технической документации, то «помеховая» обстановка является субъективным параметром и посредством известного устройства не может быть учтена, что существенно уменьшает достоинство известного устройства, заключающегося в использовании в устройстве [патент RU №2196312] корреляционного метода для нахождения течи в трубах независимо от глубины их прокладки, вида грунта, интенсивности шума окружающей среды и обеспечении высокой производительности поиска течей на протяженных участках диагностируемого трубопровода, в сравнении с известными устройствами от акустических течеискателей.However, reference materials are used to obtain information about defects in pipelines (pipeline wall thickness, etc.), and the calculation of the distance to the leak from the vibration sensor is determined by time based on the measured value of the time difference (T), the arrival of shock waves from the leak to sensors, taking into account the speed of propagation of the shock wave, is carried out on the basis of parameters entered manually in the digital correlator-processor, in which the distance L to the point of leakage from the vibration sensor, which is Rage on the display. In this case, the selection of the working frequency band is carried out by means of filters based on the optimal value, which is determined by the parameters of the pipeline and the "interference" situation. And if the parameters of the pipeline can be set according to technical documentation, then the “interference” situation is a subjective parameter and cannot be taken into account by means of a known device, which significantly reduces the merit of a known device consisting in using a correlation method in the device [patent RU No. 2196312] for finding leaks in pipes irrespective of the depth of their laying, type of soil, the intensity of environmental noise and ensuring high performance of search for leaks in extended sections diagnosed pipeline, in comparison with known devices from acoustic leak detectors.
Однако выделение информации с фазовым детектированием сигналов представляет по своей сути перемножитель сигналов и фильтр низких частот, что приводит к основным дестабилизирующим факторам, основными из которых являются мгновенные флюктуации фазы приходящей волны и фазовая нестабильность в радиотехнических трактах приемника.However, the separation of information with phase detection of signals is inherently a signal multiplier and a low-pass filter, which leads to the main destabilizing factors, the main of which are instantaneous phase fluctuations of the incoming wave and phase instability in the radio paths of the receiver.
Кроме того, анализ мирового опыта создания морских трубопроводных систем, особенностей региона Балтийского и Северного морей, а также имеющихся исходных данных по морским участкам североевропейского газопровода показывает, что потенциальные опасности для возникновения аварий и отказов трубопровода обусловлены в основном тремя группами причин:In addition, an analysis of world experience in the creation of offshore pipeline systems, the characteristics of the Baltic and North Sea region, as well as available baseline data on the offshore sections of the North European gas pipeline shows that the potential dangers for accidents and pipeline failures are mainly due to three groups of reasons:
I группа - процессами в геологической среде, экстремальными гидрометеорологическими условиями и природно-климатическими факторами;Group I - processes in the geological environment, extreme hydrometeorological conditions and natural and climatic factors;
II группа - экономической и/или оборонной деятельностью на море и опасностями техногенного происхождения;Group II - economic and / or defense activities at sea and the dangers of technological origin;
III группа - нештатными технологическими режимами, а также естественными процессами, развивающимися с течением времени.Group III - abnormal technological modes, as well as natural processes that develop over time.
Особую опасность представляют процессы и явления в геологической среде, а именно: экзогенные геологические процессы, гравитационное перемещение донного материала, изменение несущей способности грунта, сейсмичность морского дна и береговых зон, эндогенная геодинамика.Of particular danger are processes and phenomena in the geological environment, namely: exogenous geological processes, gravitational movement of bottom material, changes in the bearing capacity of the soil, seismicity of the seabed and coastal zones, endogenous geodynamics.
Проявлениями экзогенных (поверхностных) геологических процессов являются: размыв берега, ледовая абразия, абразионно-аккумулятивные процессы, связанные с волнением на открытых акваториях и придонными течениями.Manifestations of exogenous (surface) geological processes are: erosion of the coast, ice abrasion, abrasion-accumulative processes associated with excitement in open waters and bottom currents.
Максимальная скорость дрейфа льда может составить 32-40 см/с. Наибольшие скорости придонных течений и связанные с ними литодинамические эффекты могут наблюдаться вблизи берега на глубинах до 15-20 м и достигать 180-220 см/с.The maximum ice drift velocity can be 32-40 cm / s. The highest velocities of bottom currents and the associated lithodynamic effects can be observed near the coast at depths of up to 15–20 m and reach 180–220 cm / s.
Возможным проявлением экзогенной геодинамики в пределах проектируемой трассы следует считать различного рода гравитационные перемещения донного материала в виде небольших оползней, просадок, связанных со склонами впадин в различных районах моря, когда угол наклона достигает 2-3 и более градусов на расстоянии нескольких сотен метров.A possible manifestation of exogenous geodynamics within the projected route should be considered various kinds of gravitational movements of bottom material in the form of small landslides, subsidence associated with the slopes of depressions in different parts of the sea, when the angle of inclination reaches 2-3 or more degrees at a distance of several hundred meters.
К числу опасностей природно-техногенного происхождения, формирующихся в поверхностной геологической среде, также относится динамическая деформация поверхностного слоя дна под воздействием вибрации лежащего на морском дне трубопровода.Among the hazards of natural and technogenic origin that form in the surface geological environment, also includes dynamic deformation of the surface layer of the bottom under the influence of vibration of the pipeline lying on the seabed.
Основная угроза эндогенной геодинамики связана с перемещением блоков земной коры и ее разуплотнением. Неравенство в скоростях движения, а тем более направленности этого движения для отдельных массивов (блоков земной коры), даже при минимальных скоростях неизбежно приводит в движение весь комплекс рыхлых покровных образований.The main threat of endogenous geodynamics is associated with the movement of blocks of the earth's crust and its softening. Inequality in the speeds of movement, and especially the directionality of this movement for individual massifs (blocks of the earth's crust), even at minimum speeds, inevitably sets in motion the whole complex of loose cover formations.
Экспериментально подтвержденные скорости таких перемещений составляют несколько миллиметров в год и более. Суммарное перемещение морского дна, возможное за весь эксплуатационный период газопровода, может составить заметную величину и создать определенную угрозу безопасности, особенно на участках перегиба и сочленения газопровода, а также выхода его на берег.Experimentally confirmed speeds of such movements are several millimeters per year or more. The total movement of the seabed, possible for the entire operational period of the gas pipeline, can be noticeable and create a certain security risk, especially in the areas of the bend and articulation of the gas pipeline, as well as its landfall.
Можно сказать, что сейсмичность морского дна и береговых зон выступает в роли интегрального показателя и индикатора современной эндогенной геодинамики.We can say that seismicity of the seabed and coastal zones acts as an integral indicator and indicator of modern endogenous geodynamics.
Инструментальная оценка сейсмичности затруднена, так как в настоящее время в этих зонах на территории РФ сейсмические станции наблюдения отсутствуют.An instrumental assessment of seismicity is difficult, since there are currently no seismic observation stations in these zones on the territory of the Russian Federation.
В то же время большое количество наблюдательных пунктов на территории Финляндии указывает на периодическое, хотя и незначительное, колебание показателей сейсмической активности в пределах склона Балтийского Кристаллического щита. К числу действующих практически постоянно факторов сейсмической опасности относятся микросейсмические процессы и явления, обуславливающие медленное накопление усталостных деформаций элементов сооружений и конструкций.At the same time, a large number of observation points in Finland indicates a periodic, albeit insignificant, variation in seismic activity within the slope of the Baltic Crystal Shield. Among the almost constantly acting seismic hazard factors are microseismic processes and phenomena causing a slow accumulation of fatigue deformations of elements of structures and structures.
Экстремальные гидрометеорологические и природно-климатические условия обуславливают целый ряд факторов (ледяной покров, абразия береговой зоны, литодинамические процессы, поверхностное волнение, течения, штормы, изменения уровня моря, ветер, температура воздуха и морской воды, рост морских отложений и т.д.), приводящих к повышенным нагрузкам и нештатным эксплуатационным режимам газопровода.Extreme hydrometeorological and climatic conditions determine a number of factors (ice cover, coastal abrasion, lithodynamic processes, surface waves, currents, storms, sea level changes, wind, air and sea water temperature, sea sediment growth, etc.) leading to increased loads and abnormal operating conditions of the pipeline.
Перечисленные выше воздействия, а также причины техногенного происхождения могут привести к планово-высотным перемещениям газопровода и увеличению статических и динамических нагрузок, и, как следствие, накоплению усталостных напряжений, увеличению вибрационных нагрузок, возникновению свободных пролетов, заглублению отдельных участков в связи с изменением несущей способности грунта, что в итоге может привести к повреждению элементов конструкции газопровода вплоть до полного их разрушения.The above listed impacts, as well as the causes of technogenic origin, can lead to planned high-altitude movements of the gas pipeline and increase static and dynamic loads, and, as a result, the accumulation of fatigue stresses, increase vibration loads, the occurrence of free spans, deepening of individual sections due to changes in the bearing capacity soil, which ultimately can lead to damage to the structural elements of the pipeline until their complete destruction.
Кроме того, нестабильность (смещение) грунта, внешние повреждения, напряжения в газопроводе влияют на восприимчивость последнего к появлению стресс-коррозионного растрескивания (Stress Corrosion Cracking (SCC)), основными причинами которого является воздействие окружающей среды (почвы, температуры, водного окружения, бактериальной активности) и действующих операционных нагрузок (прежде всего высокого циклического давления, например для североевропейского газопровода оно составляет - 25 МПа). Трещины SCC располагаются в колониях, содержащих сотни или тысячи индивидуальных трещин, которые со временем могут объединиться и вызвать утечку или разрыв трубы.In addition, the instability (displacement) of the soil, external damages, stresses in the gas pipeline affect the susceptibility of the latter to stress corrosion cracking (SCC), the main causes of which are environmental (soil, temperature, water, bacterial activity) and operating operating loads (first of all, high cyclic pressure, for example, for the North European gas pipeline it is - 25 MPa). SCC cracks are located in colonies containing hundreds or thousands of individual cracks that can come together over time and cause leakage or pipe rupture.
Указанные выше отличительные особенности североевропейского газопровода, а также протяженность трассы на морских участках (около 1200 км), отсутствие шлюзовых камер по трассе обуславливают необходимость постановки и решения задач комплексной системы мониторинга технического состояния морских участков, в частности североевропейского газопровода, определяют выбор технических средств их решения, а также режимов использования этих средств и повышения достоверности регистрируемых сигналов, в обеспечение эксплуатационной безопасности морских трубопроводов.The above distinguishing features of the North European gas pipeline, as well as the length of the route in offshore sections (about 1,200 km), the absence of lock chambers along the route determine the need for setting and solving problems of an integrated system for monitoring the technical condition of offshore sections, in particular, the North European gas pipeline, determine the choice of technical means for solving them , as well as the modes of using these tools and increasing the reliability of the recorded signals, in ensuring operational safety m rskih pipelines.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности определения мест утечек транспортируемого продукта из магистральных трубопроводов, включая магистральные трубопроводы для транспортировки углеводородов, уложенных на дне водоемов.The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability of determining the leakage places of a transported product from main pipelines, including main pipelines for transporting hydrocarbons laid at the bottom of water bodies.
Поставленная цель достигается за счет того, что в устройстве поиска мест утечек магистральных трубопроводов, содержащем акустические датчики, устанавливаемые на поверхности магистрального трубопровода, приемник, усилители, фильтры, аналого-цифровой преобразователи, дисплей, узкополосный фильтр и фильтр нижних частот, причем передатчик содержит усилители мощности, радиоканала передачи зарегистрированных акустических сигналов посредством акустических датчиков, в отличие от известных устройств (аналогов и прототипа), акустические датчики выполнены в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном, с размером активной поверхности 300×152 мм, внутри трубопровода размещен внутритрубный измерительный модуль, также снабженный акустическими датчиками, которые выполнены в виде параметрического преобразователя, состоящего из микропроцессора, формирователя сигналов накачки, параметрического излучающего тракта, приемного тракта, при этом излучающий тракт содержит формирователь сигналов накачки и многоэлементную мозаичную антенну, приемный тракт включает антенну, выполненную в виде решетки пьезокерамических n-приемников звука цилиндрической формы, каждый из которых имеет индивидуальную герметизацию, и закрепленных на плите, снабженной акустическим экраном, n-приемников, расположенных рядом, которые смещены относительно друг друга в вертикальной и горизонтальной плоскостях, корпус антенны закрыт звукопрозрачной мембраной, измерительный модуль установлен на дистанционном снаряде соединены гидроакустическим каналом связи с радиоканалом передачи зарегистрированных акустических сигналов, при этом внутритрубный измерительный модуль выполнен в форме снаряда, снабженного бесплатформенной инерциальной навигационной системой с магниторезистивным магнитометром и системой управления и стабилизации, соединенной гидроакустическим каналом связи с радиоканалом передачи акустических сигналов.This goal is achieved due to the fact that in the device for locating leaks of main pipelines, containing acoustic sensors mounted on the surface of the main pipeline, a receiver, amplifiers, filters, analog-to-digital converters, a display, a narrow-band filter and a low-pass filter, the transmitter contains amplifiers power, a radio channel for transmitting registered acoustic signals through acoustic sensors, in contrast to known devices (analogs and prototypes), acoustic dates The sensors are made in the form of a set of hollow cylindrical piezoelectric elements with an acoustic soft screen, with an active surface size of 300 × 152 mm, an in-line measuring module is placed inside the pipeline, also equipped with acoustic sensors, which are made in the form of a parametric transducer consisting of a microprocessor, a pump driver, a parametric the radiating path, the receiving path, wherein the radiating path comprises a pump driver and a multi-element mosaic antenna, a receiving the act includes an antenna made in the form of a lattice of piezoceramic n-receivers of sound of a cylindrical shape, each of which has individual sealing, and n-receivers located next to each other, which are offset relative to each other in the vertical and horizontal planes, mounted on a plate equipped with an acoustic screen, the antenna casing is closed with a soundproof membrane, the measuring module is mounted on a remote projectile connected by a hydroacoustic communication channel to a radio transmission channel of registered acoustics signals, while the in-tube measuring module is made in the form of a projectile equipped with a strapdown inertial navigation system with a magnetoresistive magnetometer and a control and stabilization system connected by a hydroacoustic communication channel to a radio channel for transmitting acoustic signals.
Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что акустические датчики выполнены в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном, с размером активной поверхности 300×152 мм, внутри трубопровода размещен внутритрубный измерительный модуль, также снабженный акустическими датчиками, которые выполнены в виде параметрического преобразователя, состоящего из микропроцессора, формирователя сигналов накачки, параметрического излучающего тракта, приемного тракта, при этом излучающий тракт содержит формирователь сигналов накачки и многоэлементную мозаичную антенну, приемный тракт включает антенну, выполненную в виде решетки пьезокерамических n-приемников звука цилиндрической формы, каждый из которых имеет индивидуальную герметизацию и закрепленных на плите, снабженной акустическим экраном, n-приемников, расположенных рядом, которые смещены относительно друг друга в вертикальной и горизонтальной плоскостях, корпус антенны закрыт звукопрозрачной мембраной, измерительный модуль установлен на дистанционном снаряде, соединены гидроакустическим каналом связи с радиоканалом передачи зарегистрированных акустических сигналов, при этом внутритрубный измерительный модуль выполнен в форме снаряда, снабженного бесплатформенной инерциальной навигационной системой с магниторезистивным магнитометром и системой управления и стабилизации, соединенной гидроакустическим каналом связи с радиоканалом передачи акустических сигналов, из известного уровня техники не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».New distinctive features, namely, that the acoustic sensors are made in the form of a set of hollow cylindrical piezoelectric elements with an acoustic soft screen, with an active surface size of 300 × 152 mm, an in-line measuring module is placed inside the pipeline, also equipped with acoustic sensors, which are made in the form of a parametric transducer consisting of a microprocessor, a pump driver, a parametric radiating path, a receiving path, while the radiating path contains a pump signal carrier and a multi-element mosaic antenna, the receiving path includes an antenna made in the form of a lattice of piezoceramic n-receivers of sound of a cylindrical shape, each of which has individual sealing and n-receivers located nearby, which are offset relative to the plate equipped with an acoustic screen each other in vertical and horizontal planes, the antenna casing is closed with a soundproof membrane, the measuring module is mounted on a remote projectile, hydroacoustic a communication channel with a radio channel for transmitting registered acoustic signals, while the in-tube measuring module is made in the form of a projectile equipped with a strapdown inertial navigation system with a magnetoresistive magnetometer and a control and stabilization system connected by a hydroacoustic communication channel with a radio channel for transmitting acoustic signals, from the prior art are not identified , which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the condition of patentability "Inventive step".
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.The essence of the proposed technical solution is as follows.
На поверхности трубопровода устанавливают акустические датчики, выполненные в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном, с размером активной поверхности 300×152 мм, имеющих следующие параметры: высота - 12 мм, диаметр - 15 мм, толщина - 1 мм. В качестве активного материала преобразователя применен сплав с высоким значением параметра приема акустических сигналов типа ЦТС-19М. Расчет чувствительности для отдельного элемента приемного датчика дает значение 85 мкВ/Па.Acoustic sensors are installed on the surface of the pipeline, made in the form of a set of hollow cylindrical piezoelectric elements with an acoustic soft screen, with an active surface size of 300 × 152 mm, having the following parameters: height - 12 mm, diameter - 15 mm, thickness - 1 mm. As the active material of the transducer, an alloy with a high value of the reception parameter of acoustic signals of the TsTS-19M type is used. The sensitivity calculation for an individual element of the receiving sensor gives a value of 85 μV / Pa.
Ввиду того, что непосредственный акустический контакт активных элементов приемного датчика с нагружающей средой (водная толща) и элементами конструкции трубопровода может привести к их демпфированию и уменьшению чувствительности датчика, то для минимизации демпфирующего действия указанных факторов применен датчик в виде полых цилиндров с акустически мягким экраном. В качестве акустического экрана возможно применение полиуретановых пенопластов, обладающих достаточно высокой механической жесткостью, которая позволяет избежать недопустимых деформаций приемного датчика на рабочих глубинах. В то же время удельный акустический импеданс полиуретановых пенопластов z=300-400 кг/(м2с) значительно меньше его характерных значений у пьезокерамических материалов z=3·107 кг/(м2с), что позволяет считать акустический экран, выполненный из таких материалов, близкими к идеальным.Due to the fact that the direct acoustic contact of the active elements of the receiving sensor with the loading medium (water column) and the structural elements of the pipeline can lead to damping and a decrease in the sensitivity of the sensor, a sensor in the form of hollow cylinders with an acoustically soft screen is used to minimize the damping effect of these factors. As an acoustic screen, it is possible to use polyurethane foams with a sufficiently high mechanical stiffness, which avoids unacceptable deformations of the receiving sensor at working depths. At the same time, the specific acoustic impedance of polyurethane foams z = 300-400 kg / (m 2 s) is significantly less than its characteristic values for piezoceramic materials z = 3 · 10 7 kg / (m 2 s), which allows us to consider an acoustic screen made from such materials, close to ideal.
Применение акустического экрана в конструкции приемного датчика позволяет избавиться от нежелательного тыльного лепестка в ее диаграмме направленности. Приемник, усилители, фильтры, аналого-цифровые преобразователи, дисплей, узкополосный фильтр и фильтр нижних частот, причем передатчик содержит усилители мощности, радиоканал передачи зарегистрированных акустических сигналов аналогичны устройствам прототипа. Ввиду того, что предлагаемое техническое решение может быть использовано для обеспечения функционирования подводных трубопроводов, то радиоканал передачи зарегистрированных акустических сигналов и приема команд управления работой средств регистрации выполнен в виде широкополосной подводной радиосвязи типа «Sea Tooth».The use of an acoustic screen in the design of the receiving sensor allows you to get rid of the unwanted back lobe in its radiation pattern. A receiver, amplifiers, filters, analog-to-digital converters, a display, a narrow-band filter, and a low-pass filter, the transmitter comprising power amplifiers, and the transmission channel of the recorded acoustic signals is similar to the prototype devices. Due to the fact that the proposed technical solution can be used to ensure the functioning of submarine pipelines, the radio channel for transmitting registered acoustic signals and receiving commands for controlling the operation of recording means is made in the form of a broadband underwater radio communication of the Sea Tooth type.
Внутри трубопровода размещен внутритрубный измерительный модуль, также снабженный акустическими датчиками, которые выполнены в виде параметрического преобразователя, состоящего из микропроцессора, формирователя сигналов накачки, параметрического излучающего тракта, приемного тракта, при этом излучающий тракт содержит формирователь сигналов накачки и многоэлементную мозаичную антенну, приемный тракт включает антенну, выполненную в виде решетки пьезокерамических n-приемников звука цилиндрической формы, каждый из которых имеет индивидуальную герметизацию, и закрепленных на плите, снабженной акустическим экраном, n-приемников, расположенных рядом, которые смещены относительно друг друга в вертикальной и горизонтальной плоскостях, корпус антенны закрыт звукопрозрачной мембраной, измерительный модуль установлен на дистанционном снаряде и соединен гидроакустическим каналом связи с радиоканалом передачи зарегистрированных акустических сигналов.An in-line measuring module is placed inside the pipeline, also equipped with acoustic sensors, which are made in the form of a parametric transducer consisting of a microprocessor, a pump driver, a parametric radiating path, a receiving path, while the radiating path contains a pump driver and a multi-element mosaic antenna, the receiving path includes an antenna made in the form of a lattice of piezoceramic n-receivers of sound of a cylindrical shape, each of which has an indie visual sealing, and n-receivers mounted on a plate equipped with an acoustic screen, located next to each other, which are offset relative to each other in the vertical and horizontal planes, the antenna body is closed by a transparent membrane, the measuring module is mounted on a remote projectile and connected by a sonar communication channel to a radio transmission channel recorded acoustic signals.
Сущность внутритрубного измерительного модуля поясняется чертежами (фиг.1-3).The essence of the in-tube measuring module is illustrated by drawings (Fig.1-3).
Фиг.1. Блок-схема внутритрубного измерительного модуля. Блок-схема включает микропроцессор 1, предназначенный для формирования команд управления режимами работы и команд для трансляции зарегистрированной информации по радиоканалу 2 связи (для сухопутных условий) и по гидроакустическому каналу 3 связи (при размещении трубопровода на дне водоема), формирователь сигналов накачки 4, предназначенный для формирования двухчастотных зондирующих сигналов накачки заданной длительности и несущей частоты, формирования импульсов синхронизации и сигналов стробирования приемного тракта, параметрический излучающий тракт 5, предназначенный для усиления сигналов накачки (при этом в отдельных каналах восьмиканального усилителя мощности осуществляется коррекция разности фаз и регулировка амплитуд) и преобразования посредством многоэлементной мозаичной антенны накачки в акустические сигналы, приемный тракт 6, предназначенный для преобразования акустической энергии эхо-сигналов посредством широкополосной приемной антенны, частотной селекции, усиления и обработки сигналов.Figure 1. Block diagram of the in-line measuring module. The block diagram includes a microprocessor 1, designed to generate control commands for operating modes and commands for transmitting recorded information via radio communication channel 2 (for land conditions) and hydroacoustic communication channel 3 (when placing the pipeline at the bottom of the reservoir), pump signal generator 4, designed for the formation of two-frequency sounding pump signals of a given duration and carrier frequency, the formation of synchronization pulses and gate signals of the receiving path, parametrically 5th radiating path 5, intended for amplification of pump signals (in this case, phase difference correction and amplitude adjustment are carried out in separate channels of an eight-channel power amplifier) and conversion using a multi-element mosaic pump antenna into acoustic signals, a receiving path 6, intended for converting the acoustic energy of echo signals by means of a broadband receiving antenna, frequency selection, amplification and signal processing.
Фиг.2. Функциональная схема формирователя сигналов накачки. Высокостабильный кварцевый генератор опорной частоты 7 вырабатывает импульсы с частотой 2,048 МГц. Выбор тактовой частоты такой величины дает возможность перестраивать при необходимости частоты накачки с дискретностью 0,5 кГц в пределах от 140 до 147 кГц. Прямоугольные импульсы уровня ТТЛ подаются на вход формирователя периода следования импульсов 8, на выходе которого формируются короткие импульсы с периодом 100 мс. Они поступают на формирователь длительности пилот-сигнала 9, а также через формирователь импульса задержки 10 - на вход устройства формирования длительности импульса 11, на выходе которого формируются прямоугольные импульсы, длительность которых может изменяться посредством команд из устройства управления параметрами микропроцессора 1. Сформированные таким образом прямоугольные импульсы заданной длительности и с определенной частотой повторения поступают на два канала формирования радиоимпульсов с частотами накачки, различающихся между собой тем, что в одном из них частота не регулируется и составляет 154 кГц, а во втором частота может изменяться в пределах от 140 до 147 кГц. Основу обоих каналов формирователя составляют накапливающие сумматоры 12 и 13. На вход накапливающего сумматора 12 первого канала через схему И 14 поступают, во-первых, короткие импульсы длительностью 0,1 мс с формирователя длительности пилот-сигнала 3 и, во вторых, через время задержки, равное 2 мс - импульсы с устройства формирователя длительности импульса 11. Накапливающий сумматор управляется тактовыми импульсами генератора опорной частоты 7. Восьмиразрядные коды адресов с накапливающего сумматора 12 поступают в ПЗУ 15, в котором записан период синусоиды. Благодаря этому производятся выборки (всего 256 выборок) и в виде восьмиразрядных кодов данных подаются на вход ЦАП 16. С выхода ЦДЛ 16 через фильтр низких частот 17 прямоугольные импульсы поступают на вход резонансного четырехканального усилителя мощности 18. На вход накапливающего сумматора 13 второго канала поступают импульсы с формирователя длительности импульсов 11. Накапливающий сумматор 13 управляет тактовыми импульсами генератора опорной частоты 7. Коды адресов с накапливающего сумматора 13 поступают в ПЗУ 23, где производятся выборки синусоиды и виде восьмиразрядных кодов данных подаются на вход ЦАП 20. С выхода ЦАП 20 через фильтр нижних частот 21 прямоугольные импульсы поступают на вход второго четырехканального усилителя мощности 22. С выхода формирователя длительности пилот-сигнала 9 импульсы поступают на стробирующее устройство 27 приемного тракта (приемника), которое служит для запирания усилителя мощности 22 на время посылки. Изменение частоты второго канала и длительности зондирующих импульсов производится соответствующими двоичными кодами, подаваемыми из микропроцессора 1. Усилители мощности 18 и 22 образуют общий усилитель мощности, который состоит из восьми идентичных широкополосных блоков мощностью до 500 Вт каждый, разбитых на две группы по четыре блока для усиления частот накачки f1 и f2, и содержит восемь фазокомпенсационных устройств, выходные и предварительные усилители. Выходные усилители питаются напряжением +40 В и -40 В, а предварительные усилители питаются напряжением +20 В и -20 В. Выходной усилитель включает в себя комплементарную пару среднемощных транзисторов и параллельно включенные комплементарные пары мощных транзисторов. Предварительный усилитель состоит из операционного усилителя и двух пар среднемощных транзисторов.Figure 2. Functional diagram of the pump driver. Highly stable crystal oscillator reference frequency 7 generates pulses with a frequency of 2.048 MHz. Choosing a clock frequency of this magnitude makes it possible to tune, if necessary, the pump frequency with a resolution of 0.5 kHz in the range from 140 to 147 kHz. Rectangular pulses of the TTL level are fed to the input of the shaper of the pulse repetition period 8, at the output of which short pulses with a period of 100 ms are formed. They arrive at the driver of the duration of the pilot signal 9, and also through the driver of the pulse of the
Параметрический излучающий тракт 5 включает формирователь накачки 4 и излучатель, выполненный в виде мозаичной антенны 24, которая излучает волну накачки с частотой fн. Поскольку частота накачки довольно высока, то волна накачки отражается от границы раздела транспортируемый продукт - внутренняя поверхность трубопровода и распространяется в сторону приемного тракта 6. Волна накачки будет взаимодействовать вследствие нелинейности среды распространения с низкочастотными сигналами с частотой F, отраженными от участков трубопровода с дефектами. Результатом взаимодействия будут волны с комбинационными частотами fн±F либо изменения фазы волны накачки. Антенна представляет собой многоэлементную решетку, состоящую из четырех двухчастотных каналов каждая. Элементы в каждой подрешетке расположены в порядке чередования типов с разной частотой и рассчитаны так, чтобы обеспечить наибольшую однородность акустического поля по обеим частотам. Активная часть двухчастотной мозаичной антенны выполнена из пьезокерамики стержневого типа. Разделение антенны на восемь каналов позволяет добиться получения необходимой мощности и высокой надежности при работе транзисторных усилителей мощности. Антенна накачки имеет прямоугольную форму с площадью активной поверхности 260×160 мм. Ширина характеристики направленности по уровню -3 дБ составляет 2×4 градуса и постоянна в диапазоне рабочих частот. Конструктивно антенна накачки выполнена в прямоугольном сварном корпусе. Конструкция антенны предусматривает работу при избыточном статическом давлении 2 МПа. С этой целью для обеспечения одностороннего излучения используется акустический экран, выполненный в виде перфорированной пластины из гетинакса.The parametric radiating path 5 includes a pump driver 4 and a radiator made in the form of a mosaic antenna 24, which emits a pump wave with a frequency f n . Since the pump frequency is quite high, the pump wave is reflected from the interface of the transported product - the inner surface of the pipeline and propagates towards the receiving path 6. The pump wave will interact due to the nonlinearity of the propagation medium with low-frequency signals with a frequency F reflected from sections of the pipeline with defects. The result of the interaction will be waves with Raman frequencies f n ± F or a change in the phase of the pump wave. The antenna is a multi-element array consisting of four two-frequency channels each. Elements in each sublattice are arranged in an alternating order of types with different frequencies and are designed so as to ensure the greatest uniformity of the acoustic field at both frequencies. The active part of the dual-frequency mosaic antenna is made of rod-type piezoceramics. Dividing the antenna into eight channels allows you to achieve the necessary power and high reliability during the operation of transistor power amplifiers. The pump antenna has a rectangular shape with an active surface area of 260 × 160 mm. The width of the directivity characteristics at a level of -3 dB is 2 × 4 degrees and is constant in the range of operating frequencies. Structurally, the pump antenna is made in a rectangular welded housing. The antenna design provides for operation with an excess static pressure of 2 MPa. For this purpose, to ensure one-sided radiation, an acoustic screen is used, made in the form of a perforated plate of getinaks.
Фиг.3. Структурная схема приемного тракта 6. Приемный тракт 6 предназначен для приема, усиления, частотной селекции и обработки отраженных сигналов разностной частоты в полосе частот 7-14 кГц. Чувствительность его по акустическому давлению составляет не менее 0,02Па. Приемник выполнен по схеме прямого усиления. Приемный тракт включает приемную антенну 25, полосовые фильтры 26 и 27, антенный усилитель 28, стробирующее устройство 29, основной усилитель 30, преобразователи кодов 31 и 32, блок фильтров 33, фильтр нижних частот 34, амплитудный детектор 35.Figure 3. The structural scheme of the receiving path 6. The receiving path 6 is designed to receive, amplify, frequency select and process the reflected signals of the differential frequency in the frequency band 7-14 kHz. Its sensitivity to acoustic pressure is at least 0.02Pa. The receiver is made according to the direct amplification scheme. The receiving path includes a receiving antenna 25, bandpass filters 26 and 27,
Полосовые фильтры 25 и 26 служат для подавления частот сигналов накачки, а также помех ниже частот рабочего диапазона и представляют собой пассивные фильтры верхних и нижних частот, включенных последовательно. Подавление сигналов частот накачки не хуже 60 дБ.Bandpass filters 25 and 26 are used to suppress the frequencies of the pump signals, as well as interference below the frequencies of the operating range and are passive high and low frequency filters connected in series. The suppression of the pump frequency signals is not worse than 60 dB.
Антенный усилитель 28 представляет собой малошумящий предварительный усилитель. Для ослабления синфазной помехи последний его каскад выполнен в дифференциальном включении. Уровень приведенных ко входу шумов усилителя в полосе 7-14 кГц составляет 1,5 мкВ. Коэффициент усиления 26 дБ.
Основной усилитель 30 выполнен трехкаскадным с регулировкой усиления, которая осуществляется цифровыми кодами. Диапазон регулировки составляет 0-90 дБ.The
Стробирующее устройство 29 служит для запирания основного усилителя 30 в момент посылки и вырабатывает запирающие импульсы необходимой длительности и полярности. Синхронизация стробирующего устройства 29 осуществляется импульсом запуска формирователя длительности пилот-сигнала 3.The
Блок фильтров 33 представляет собой набор фильтров верхних и нижних частот, которые с помощью коммутации объединяются в полосовые фильтры с переменной полосой пропускания. Управление коммутаторами, а следовательно, и полосой пропускания блока фильтров 33 осуществляется цифровыми кодами. Частоты среза фильтров верхних частот составляет 6, 9 и 13 кГц, а частота среза фильтров нижних частот составляет 8, 12 и 15 кГц. Преобразователи кодов 31 и 32 служат для преобразования кодов управления от микропроцессора 1 в необходимые коды для цифровых входов основного усилителя 30 и блока фильтров 33.
Амплитудный детектор 35 и фильтр нижних частот 34 образуют линейный детектор, который служит для выделения огибающей отраженных сигналов ВРЧ в динамическом диапазоне 40 дБ.The amplitude detector 35 and the low-
Приемный тракт 6 работает следующим образом. Акустические эхо-сигналы принимаются приемной антенной 25 и поступают на полосовые фильтры 26 и 27, в которых осуществляется частотная селекция, и на вход двухканального дифференциального антенного усилителя 28 для предварительного усиления и подавления синфазной помехи. С выхода антенного усилителя 28 сигнал поступает на вход основного усилителя 30, коэффициент усиления которого зависит от кода, поступающего на цифровые входы антенного усилителя с преобразователя кодов 31. Запирание основного усилителя 30 на время посылки осуществляет стробирующее устройство 29, которое синхронизируется импульсом запуска формирователем длительности пилот-сигнала 3. С выхода основного усилителя 30 усиленный сигнал поступает на вход полосовых фильтров 26 и 27 с регулируемой полосой пропускания. На цифровой вход коммутатора блока фильтров 33 необходимый код поступает с преобразователя кодов 32. С выхода блока фильтров 33 сигнал подается на вход амплитудного детектора 35, который выделяет модуль знакопеременного сигнала. Продетектированный сигнал поступает на фильтр нижних частот 34, в котором осуществляется выделение огибающей. Затем полученная информация поступает в микропроцессор 1 для последующей трансляции на дисплей диспетчерского пункта по радиоканалу 2 связи (для сухопутных условий) и по гидроакустическому каналу 3 связи (при размещении трубопровода на дне водоема).The receiving path 6 operates as follows. Acoustic echo signals are received by the receiving antenna 25 and fed to the bandpass filters 26 and 27, in which frequency selection is performed, and to the input of the two-channel
Аналогом конструкции радиоканала является конструкция радиоканала, описанная в [патент RU №2196312], а аналогом конструкции гидроакустического канала связи является конструкция, приведенная в описании к патенту [патент RU №2300781].An analogue of the design of the radio channel is the design of the radio channel described in [patent RU No. 2196312], and an analogue of the design of the hydro-acoustic communication channel is the structure described in the patent description [patent RU No. 2300781].
Антенна 25 представляет собой решетку пьезокерамических приемников звука, каждый из которых имеет индивидуальную герметизацию. Пьезокерамические приемники собраны в две группы и подключаются к дифференциальным входам предварительного усилителя для снижения синфазной электрической помехи. Антенна 25 содержит десять цилиндрических приемников, закрепленных на плите. Для экранирования сигналов, проходящих с тыльной стороны антенны, применен акустический экран. Приемники, расположенные рядом, смещены относительно друг друга для снижения уровня боковых лепестков в характеристике направленности. Корпус антенны 25 закрыт звукопрозрачной мембраной. Чувствительность приемной антенной решетки по акустическому давлению составляет не менее 500 мкВ/Па в полосе частот от 7 до 14 кГц.Antenna 25 is a array of piezoceramic sound receivers, each of which has an individual seal. Piezoceramic receivers are assembled in two groups and connected to the differential inputs of the pre-amplifier to reduce common-mode electrical noise. Antenna 25 contains ten cylindrical receivers mounted on a plate. To shield the signals passing from the back of the antenna, an acoustic screen is used. Nearby receivers are offset from each other to reduce side lobe levels in directivity. The antenna housing 25 is closed by a translucent membrane. The sensitivity of the receiving antenna array by acoustic pressure is at least 500 μV / Pa in the frequency band from 7 to 14 kHz.
Конструктивное исполнение параметрического излучающего тракта 5 обеспечивает дискретное сканирование внутреннего пространства, которое осуществляется путем шагового обзора за счет облучения узкой характеристикой направленности излучателя ограниченной зоны пространства и приема эхо-сигналов в пределах всего сектора, в котором осуществляется обзор. Цикл обзора равен промежутку времени между двумя последовательными излучениями: Тобз=2хmах/с, где хmах - максимальная дальность излучения. Перед каждым излучением сигнала характеристика направленности антенны 24 поворачивается на угол, равный ее ширине (шаг поиска). Полное время обзора заданного сектора определяется циклом обзора и отношением величины сектора к ширине характеристики направленности.The design of the parametric radiating path 5 provides a discrete scan of the internal space, which is carried out by step-by-step viewing due to irradiation with a narrow directivity of the emitter of a limited area of space and receiving echo signals within the entire sector in which the survey is carried out. The review cycle is equal to the time interval between two consecutive emissions: T review = 2x max / s, where x max is the maximum radiation range. Before each radiation of the signal, the directivity characteristic of the antenna 24 is rotated by an angle equal to its width (search step). The total review time of a given sector is determined by the review cycle and the ratio of the sector value to the directivity width.
При обнаружении дефекта микропроцессором 1 формируется команда на формирование высокой направленности, что обеспечивает более надежное определение местоположения выявленного дефекта.When a defect is detected by microprocessor 1, a team is formed to form a high directivity, which provides a more reliable determination of the location of the detected defect.
В общем случае внутритрубный измерительный модуль представляет акустическое средство профилеметрических измерений.In the general case, the in-line measuring module is an acoustic means of profilometric measurements.
Внутритрубный измерительный модуль выполнен в форме снаряда, который также снабжен бесплатформенной инерциальной навигационной системой с магниторезистивным магнитометром и системой управления и стабилизации, что позволяет решать следующие задачи:The in-tube measuring module is made in the form of a projectile, which is also equipped with a strapdown inertial navigation system with a magnetoresistive magnetometer and a control and stabilization system, which allows to solve the following tasks:
1. Точное определение местоположения трассы (позиционирование) трубопровода на местности, так называемый «mapping», что, в первую очередь, отвечает обязательным требованиям международного стандарта безопасности, выработанным ASME (American Society of Mechanical Engineers), особенно жестким для урбанизированных районов прокладки трубопровода, а также решает ряд прикладных вопросов (упрощает проведение ремонтных работ в отдаленных районах и т.д.).1. Accurate location of the route (positioning) of the pipeline on the ground, the so-called "mapping", which, in the first place, meets the mandatory requirements of the international safety standard developed by ASME (American Society of Mechanical Engineers), which is especially stringent for urban areas of pipeline construction, and also solves a number of applied issues (simplifies repair work in remote areas, etc.).
Точность вычисления координат определяется типом применяемых инерциальных чувствительных элементов и числом маркерных точек с известными координатами (полученных с помощью GPS) по трассе трубопровода.The accuracy of the calculation of coordinates is determined by the type of inertial sensors used and the number of marker points with known coordinates (obtained using GPS) along the pipeline route.
2. Определение с высокой точностью изгибов и деформаций линий трубопровода. Сравнение результатов съемок, производимых внутритрубным измерительным модулем через определенные промежутки времени, обеспечивает точный мониторинг планово-высотных смещений трубопровода и его изгибов.2. Determination with high accuracy of bends and deformations of the pipeline lines. Comparison of the results of surveys made by the in-line measuring module at certain intervals of time provides accurate monitoring of the plan-height displacements of the pipeline and its bends.
Что касается, таких магистральных трубопроводов как, например Североевропейский газопровод, который характеризуется большой протяженностью морских участков (около 1200 км) и отсутствием шлюзовых камер по трассе, то применение бесплатформенной инерциальной навигационной системы с современными инерциальными ЧЭ позволит измерить даже небольшие смещения и изгибы газопровода, причем с одинаково высокой точностью на протяжении всей трассы. При этом в качестве реперных точек могут быть приняты поперечные сварные швы с известными географическими координатами, полученными при прокладке.As for such trunk pipelines as, for example, the North European gas pipeline, which is characterized by a large length of offshore sections (about 1200 km) and the absence of lock chambers along the route, the use of a strap-down inertial navigation system with modern inertial CEs will make it possible to measure even small displacements and bends of the gas pipeline, with equally high accuracy throughout the course. At the same time, transverse welds with known geographical coordinates obtained during laying can be taken as reference points.
3. Точная привязка выявленных дефектов и аномалий стенок трубы.3. Exact reference of the revealed defects and anomalies of the pipe walls.
Бесплатформенная инерциальная навигационная система позволяет определить точные угловые и линейные координаты выявленных акустическим профилемером дефектов. Кроме того, данные профилеметрической акустической диагностики и выходные данные сочетаются в бортовой системе внутритрубного измерительного модуля, что значительно снижает объем последующей обработки.The strapdown inertial navigation system allows you to determine the exact angular and linear coordinates of the defects detected by the acoustic profiler. In addition, profilometric acoustic diagnostic data and output data are combined in the on-board system of the in-tube measuring module, which significantly reduces the amount of subsequent processing.
Бесплатформенная инерциальная навигационная система предназначена для измерения углов курса, крена и дифферента внутритрубного измерительного модуля, составляющих векторов угловой скорости, линейного ускорения, компонент магнитного поля. В качестве чувствительных элементов используются микромеханические датчики угловой скорости и линейного ускорения. Для измерения компонент магнитного поля используется магниторезистивный магнитометр. Магнитометр используется в качестве корректора для компенсации погрешностей угловой ориентации, возникающих вследствие дрейфа микромеханических гироскопов. Аналоговые данные, поступающие с датчиков первичной информации, обрабатываются аналого-цифровым преобразователем высокой разрядности. Для реализации вычислительных алгоритмов в состав блока входит высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор.The strapdown inertial navigation system is designed to measure the course, roll and trim angles of the in-tube measuring module, the angular velocity, linear acceleration, and magnetic field components of the vectors. The micromechanical sensors of angular velocity and linear acceleration are used as sensitive elements. A magnetoresistive magnetometer is used to measure the components of the magnetic field. The magnetometer is used as a corrector to compensate for angular orientation errors resulting from the drift of micromechanical gyroscopes. The analog data coming from the primary information sensors is processed by a high-resolution analog-to-digital converter. To implement computational algorithms, the unit includes a high-performance digital signal processor.
В качестве базовых чувствительных элементов использованы три датчика угловой скорости и три акселерометра, встроенный датчик температуры и собственный контроллер, обеспечивающий предварительную обработку сигналов гироскопов и акселерометров и выдачу ее в цифровом виде потребителям. Встроенный датчик температуры предназначен для коррекции температурных дрейфов датчиков угловой скорости и акселерометров. В качестве измерителя индукции магнитного поля используются магниторезистивные датчики. В качестве вычислителя применен цифровой сигнальный процессор Share ADSP21262LQFP.Three angular velocity sensors and three accelerometers, an integrated temperature sensor and an own controller are used as basic sensing elements, which provides preliminary processing of the signals of gyroscopes and accelerometers and its digital output to consumers. The built-in temperature sensor is designed to correct temperature drifts of angular velocity sensors and accelerometers. Magnetoresistive sensors are used as a magnetic field induction meter. The digital signal processor Share ADSP21262LQFP is used as a computer.
Аппаратные средства системы управления и стабилизации обеспечивают независимое управление приводов каналов крена и курса, осуществляют измерение углов курса, крена и дифферента внутритрубного измерительного модуля, измерение компонент векторов угловой скорости, линейного ускорения, магнитного поля, формируют управляющие сигналы для решения целевых задач управления и стабилизации.The hardware of the control and stabilization system provides independent control of the roll channel and course channel drives, measures the course, roll and trim angles of the in-tube measuring module, measures the angular velocity, linear acceleration, and magnetic field components of the vectors, generates control signals for solving control and stabilization targets.
Вычислительно-управляющие алгоритмы реализуются посредством микропроцессора, построенного на базе DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы uCLinux.Computational-control algorithms are implemented by means of a microprocessor built on the basis of a DSP processor running under the control of the embedded uCLinux operating system.
Независимый привод каждого из каналов управления построен на основе системы привода производства компании Faulhaber. Высокоточная цифровая система управления приводом обеспечивает высокое быстродействие, позволяет регулировать параметры привода в широком диапазоне, обеспечивает точное позиционирование по углу поворота оси привода колеса.The independent drive of each control channel is based on the Faulhaber drive system. High-precision digital drive control system provides high speed, allows you to adjust the drive parameters in a wide range, provides accurate positioning by the angle of rotation of the axis of the wheel drive.
Микромеханический инерциальный измерительный блок (МИИБ) определяет углы курса, крена и дифферента, обеспечивает систему управления инерциальной и навигационной информацией.The micromechanical inertial measuring unit (MIIB) determines the angles of heading, roll and trim, provides a control system for inertial and navigation information.
Микропроцессор, построенный на основе DSP-процессора, является устройством, обеспечивающим программную и аппаратную интеграцию отдельных блоков, входящих в состав аппаратных средств системы. Процессор позволяет выполнять операции над 32-разрядными числами в формате с плавающей запятой, что обеспечивает точность вычислений, достаточную для решения большинства задач управления и навигации. Тактовая частота процессора составляет 400 МГц. Помимо процессора в состав платы вычислительно-управляющего модуля входят микросхемы памяти SDRAM, микросхемы памяти flash, микросхемы интерфейсов ввода-вывода. Такое построение системы позволяет решать в реальном времени сложные вычислительные задачи, большой объем оперативной памяти системы позволяет осуществлять реализацию ресурсоемких алгоритмов.A microprocessor built on the basis of a DSP processor is a device that provides software and hardware integration of individual units that make up the system hardware. The processor allows you to perform operations on 32-bit numbers in a floating point format, which ensures the accuracy of calculations sufficient to solve most control and navigation tasks. The processor clock speed is 400 MHz. In addition to the processor, the computational control module board also includes SDRAM memory chips, flash memory chips, and input-output interface chips. Such a system construction allows real-time complex computational tasks to be solved; a large amount of system RAM allows for the implementation of resource-intensive algorithms.
Различные компоненты, решающие задачи управления, навигации, стабилизации и регистрации акустических сигналов, подключены к микропроцессору с помощью последовательных синхронных и асинхронных портов ввода-вывода. Контроллеры привода каналов управления подключены к модулю с помощью асинхронных портов ввода-вывода UART0 и UART1. С помощью данных интерфейсов контроллерам передаются команды, задающие режимы движения валов, а контроллеры, в свою очередь, обеспечивают модуль информацией об угловом положении валов, токах в двигателях, скорости вращения.Various components that solve the problems of control, navigation, stabilization and registration of acoustic signals are connected to the microprocessor using serial synchronous and asynchronous I / O ports. The control channel drive controllers are connected to the module using asynchronous I / O ports UART0 and UART1. Using these interfaces, the controllers transmit commands specifying the modes of motion of the shafts, and the controllers, in turn, provide the module with information about the angular position of the shafts, currents in the motors, and rotation speed.
Для управления ориентацией вокруг одной оси используется система привода, состоящая из двигателя постоянного тока с редуктором и магнитным энкодером и системы управления. Двигатель постоянного тока типа «Faulhaber» имеет конструкцию с полым ротором, что дает ряд преимуществ, таких как: низкое энергопотребление, отсутствие потерь в сердечнике ротора, низкое напряжение трогания, малый момент инерции ротора, позволяющие быстрые разгон и торможение, низкие массогабаритные показатели. В составе привода использован редуктор типа «Faulhaber» в исполнении со стальными шестернями для обеспечения повышенной износоустойчивости. Магнитный энкодер IE-512 обеспечивает высокое разрешение в 512 линий на оборот, что позволяет осуществлять плавное и высокоточное управление приводом.To control the orientation around one axis, a drive system is used, consisting of a DC motor with a gearbox and a magnetic encoder and a control system. The Faulhaber type DC motor has a hollow-rotor design, which offers a number of advantages, such as: low power consumption, no loss in the rotor core, low starting voltage, low rotor inertia, allowing fast acceleration and braking, and low overall dimensions. As part of the drive, a Faulhaber type gearbox is used, with steel gears to provide increased wear resistance. IE-512 magnetic encoder provides high resolution of 512 lines per revolution, which allows smooth and high-precision drive control.
В цифровом контроллере типа MCDC3003 в качестве вычислителя используется цифровой сигнальный процессор, что позволяет осуществлять высокоточное и высокоскоростное управление (0.18° - ошибка по углу, частота работы следящего контура - 100 Гц). Цифровой контроллер привода принимает по интерфейсу UART поступающие от вычислительно-управляющего модуля команды. Режимы работы привода задаются соответствующими форматами команд, при этом используются режимы управления по угловому положению (задается и поддерживается по достижении целевое угловое положение) и управления по скорости (задается величина угловой скорости вращения вала). Для настройки параметров следящего контура контроллера оператором (центральный диспетчерский пульт по обслуживанию газопровода) задается ряд параметров, таких как: максимальное угловое ускорение, максимальная угловая скорость, максимальный ток в двигателе, пропорциональный и интегральный коэффициенты цепи обратной связи по угловой скорости, пропорциональный и дифференциальный коэффициенты цепи обратной связи по угловому положению вала. Все вышеперечисленные коэффициенты могут быть подобраны исходя из заданного критерия оптимальности и изменены в процессе работы для адаптации к изменившемуся режиму движения.A digital signal processor is used as a computer in the MCDC3003 type digital controller, which allows for high-precision and high-speed control (0.18 ° - angle error, tracking loop frequency - 100 Hz). The digital drive controller accepts commands received from the computer-control module via the UART interface. The drive operating modes are set by the corresponding command formats, while the control modes by the angular position (the target angular position is set and maintained upon reaching the target angular position) and the speed control (the value of the angular velocity of rotation of the shaft) are used. To set the parameters of the controller’s servo loop, the operator (central dispatch control panel for gas pipeline maintenance) sets a number of parameters, such as: maximum angular acceleration, maximum angular velocity, maximum current in the motor, proportional and integral coefficients of the feedback loop for angular velocity, proportional and differential coefficients feedback circuits on the angular position of the shaft. All of the above coefficients can be selected on the basis of a given criterion of optimality and changed in the process to adapt to the changed mode of movement.
Конструкция внутритрубного измерительного модуля позволяет использовать его в магистральных трубопроводах при скоростях движения газа 12-15 м/с при давлении 25 МПа.The design of the in-line measuring module allows its use in trunk pipelines at gas velocities of 12-15 m / s at a pressure of 25 MPa.
Промышленная реализация предлагаемого технического решения трудностей не представляет, так как основные узлы и элементы имеют серийное производство.The industrial implementation of the proposed technical solution does not present difficulties, since the main components and elements are in serial production.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010137035/28A RU2439520C1 (en) | 2010-09-03 | 2010-09-03 | Method of locating main pipeline leaks |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010137035/28A RU2439520C1 (en) | 2010-09-03 | 2010-09-03 | Method of locating main pipeline leaks |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2439520C1 true RU2439520C1 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784207
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010137035/28A RU2439520C1 (en) | 2010-09-03 | 2010-09-03 | Method of locating main pipeline leaks |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2439520C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504014C1 (en) * | 2012-06-13 | 2014-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ДиСиКон" (ООО "ДСК") | Method of controlling monitoring system and system for realising said method |
| RU2592741C1 (en) * | 2015-06-05 | 2016-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Hydroacoustic station for detection and location of gas leaks |
| RU2750401C1 (en) * | 2020-12-21 | 2021-06-28 | Владимир Сергеевич Шарощенко | Method for detecting process fluid leaks |
-
2010
- 2010-09-03 RU RU2010137035/28A patent/RU2439520C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504014C1 (en) * | 2012-06-13 | 2014-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ДиСиКон" (ООО "ДСК") | Method of controlling monitoring system and system for realising said method |
| RU2592741C1 (en) * | 2015-06-05 | 2016-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Hydroacoustic station for detection and location of gas leaks |
| RU2750401C1 (en) * | 2020-12-21 | 2021-06-28 | Владимир Сергеевич Шарощенко | Method for detecting process fluid leaks |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7376045B2 (en) | System and method for determining positions of towed marine seismic streamers | |
| RU2456634C1 (en) | Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system | |
| US20140104979A1 (en) | Ground-Penetrating Tunnel-Detecting Active Sonar | |
| RU2483326C2 (en) | Hydroacoustic synchronous range-finding navigation system for positioning underwater objects in navigation field of randomly arranged hydroacoustic transponder beacons | |
| Li et al. | Tomographic measurement of vortex air flow field using multichannel transmission and reception of coded acoustic wave signals | |
| CN103529482B (en) | A kind of high accuracy is determined the method for carrier dynamic acceleration | |
| RU2439520C1 (en) | Method of locating main pipeline leaks | |
| CN112285767A (en) | Ocean bottom seismograph four-component ocean surface wave multi-order frequency dispersion energy imaging device and method | |
| RU2608301C2 (en) | System and method for 3d examination of sea bottom for engineering survey | |
| US10890647B2 (en) | Forward acoustic scattering based double-transmitter and double-receiver networking target detection system and method thereof | |
| RU86321U1 (en) | MULTI-FREQUENCY NAVIGATION SYSTEM | |
| RU2424538C1 (en) | Method of searching for mineral deposits using submarine geophysical vessel | |
| Choi et al. | Array type miniaturized ultrasonic sensors to detect urban sinkholes | |
| AU2010319214A1 (en) | Subsurface Exploration Method | |
| RU2370787C1 (en) | Underwater sonde | |
| RU2382270C1 (en) | Method for emergency diagnostics of trunk pipeline | |
| RU103616U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE LOCATION OF A PRODUCT LEAK FROM UNDERWATER PIPELINES | |
| RU2442072C1 (en) | Method for emergency maintenance of high pressure pipelines | |
| JP2862171B2 (en) | Nondestructive method for measuring physical properties of formation using acoustic waves | |
| RU2356069C2 (en) | Method of profiling bed loads | |
| RU2463624C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
| CN113777653B (en) | Synthetic aperture type shallow seismic section exploration method and system | |
| US20120287757A1 (en) | Forward Looking Seismics From Drill-Bit | |
| RU2432558C1 (en) | Device for searching for leakage points in main pipelines | |
| RU2439551C1 (en) | Method for detecting defects in pipelines |