Многоэлементный трёхкомпонентный феррозондовый градиентометр с программно-управляемой базой

Полезная модель относится к области бесконтактной диагностики и может быть использована при дефектоскопическом контроле состояния (участков напряженно-деформированного состояния металла трубопровода, нарушения целостности трубопровода и изоляционного покрытия и т.п.) нефте- и газопроводов, а также других подводных и/или подземных металлических трубопроводов.
Известно устройство для диагностики технического состояния металлического трубопровода, содержащее систему датчиков магнитного поля, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок генерации и деления частоты, блок управления, клавиатуру, блок отображения информации, блок абсолютной географической привязки, блок памяти, блок акселерометров, блок усиления сигналов датчиков магнитного поля, блок аналогового вычитания и блок питания датчиков магнитного поля, при этом выход блока генерации и деления частоты соединен с первым входом АЦП, первый выход блока управления соединен со входом блока памяти, выход клавиатуры соединен с третьим входом блока управления, выход блока питания датчиков магнитного поля соединен со входом системы датчиков магнитного поля, выход которой соединен с первым входом блока усиления сигналов датчиков магнитного поля, к первому выходу блока усиления сигналов датчиков магнитного поля подсоединен второй вход АЦП, к третьему входу которого подсоединен выход блока аналогового вычитания, ко входу которого подключен второй выход блока усиления сигналов датчиков, выход АЦП
подключен к первому входу блока управления, ко второму входу которого подключен выход блока абсолютной географической привязки, к четвертому входу блока управления подсоединен выход блока акселераторов, а второй выход блока управления соединен со входом блока отображения информации; в качестве датчиков магнитного поля использованы магниторезисторы, при этом блок питания датчиков магнитного поля выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока (патент RU 86015 U1). Недостатком данного технического решения является возможность измерения только двух компонент магнитного поля трубопровода, а именно, по продольной оси трубопровода (оси Y) и по вертикальной оси (оси Z). Неполная картина магнитного поля обусловливает существенные погрешности результатов дефектоскопии.
Известен также магнитный дефектоскоп (патент RU 86316 U1) для контроля подземных металлических трубопроводов без вскрытия грунта, содержащий первый и второй преобразователи магнитного поля, первый преобразователь магнитного поля содержит не менее двух датчиков магнитного поля, которые установлены вдоль оси трубопровода, второй преобразователь магнитного поля содержит не менее двух датчиков магнитного поля, которые установлены вдоль линии, перпендикулярной продольной оси трубопровода и поверхности грунта, контроллер с клавиатурой, блок отображения информации, первый и второй усилители, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый и второй программно управляемые аттенюаторы, блок аналогового вычитания, блок питания преобразователей магнитного поля, промежуточный блок памяти, блок пространственной привязки, блок памяти и блок акселерометров, преобразователи магнитного поля расположены над поверхностью грунта над трубопроводом, при этом первый выход блока питания преобразователей магнитного поля соединен со входом первого преобразователя магнитного поля, второй его выход соединен со входом второго преобразователя магнитного поля, первый выход второго усилителя соединен со вторым входом блока аналогового вычитания, первый вход которого соединен с первым выходом первого усилителя, первый вход которого соединен с выходом первого программно управляемого аттенюатора, вход которого соединен с выходом первого преобразователя магнитного поля, первый выход блока аналогового вычитания соединен с первым входом промежуточного блока памяти, а второй его выход соединен с четвертым входом промежуточного блока памяти, выход которого соединен со входом АЦП, второй выход первого усилителя соединен со вторым входом промежуточного блока памяти, третий вход которого соединен со вторым выходом второго усилителя, первый выход контроллера соединен со вторым входом первого программно управляемого аттенюатора, третий выход контроллера соединен со вторым входом второго программно управляемого аттенюатора, первый вход которого соединен с выходом второго преобразователя магнитного поля, а выход соединен со входом второго усилителя, третий вход контроллера соединен с выходом блока акселерометров, четвертый выход контроллера соединен со входом блока памяти, второй вход контроллера соединен с выходом блока пространственной привязки, выход АЦП соединен с первым входом контроллера, выход клавиатуры соединен с четвертым входом контроллера, второй выход контроллера соединен со входом блока отображения информации; в качестве датчиков магнитного поля использованы магниторезисторы, при этом блок питания преобразователей магнитного поля выполнен в виде стабилизированного источника постоянного тока (патент RU 86316 U1). Данное техническое решение обеспечивает некоторое повышение точности определения состояния трубопровода за счет уменьшения влияния внешних помех, а также снижения собственных помех устройства, однако оно сохраняет все недостатки описанного выше аналога, поскольку измерение магнитного поля трубопровода осуществляется только по двум осям - Y и Z.
Наиболее близким по достигаемому результату является устройство для диагностики технического состояния металлических трубопроводов, описанное в RU 2453760 С2. Устройство включает два трехкомпонентных датчика индукции магнитного поля, которые расположены на разных уровнях по высоте относительно контролируемого трубопровода. Каждый из датчиков содержит три измерителя индукции магнитного поля, расположенных по осям координат X, Y, Z, где ось Х - расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна продольной оси трубопровода, ось Y расположена параллельно продольной оси трубопровода, ось Z перпендикулярна осям Х и Y. Устройство также содержит усилители сигналов измерителей, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), контроллер, блок памяти и устройство отображения информации. В качестве датчиков магнитного поля использованы феррозонды. Каждый из датчиков снабжен аналоговым устройством определения разности значений индукции магнитного поля. Недостатки наиболее близкого аналога состоят в том, что определяются только скалярные величины - отдельные компоненты магнитного поля: по осям X, Y, Z, а также разностные значения одноименных компонент магнитного поля, измеряемых на разных уровнях по высоте относительно трубопровода (трехкомпонентные датчики 1 и 2), а также жестко установленная база (расстояние между датчиками) не позволяет управлять разрешающей способностью градиентометра.
Однако измерение отдельных компонент магнитного поля и определение разности одноименных компонент не дает достаточно полной картины магнитного поля трубопровода и, соответственно, достоверно выявить все флуктуации магнитного поля и определить их форму, что необходимо для их надежной интерпретации (корреляции с дефектами трубопровода).
Что касается наличия в наиболее близком аналоге датчиков 3 и 4, находящихся в горизонтальной плоскости, то разностные значения одноименных компонент магнитного поля, измеряемых датчиками 3 и 4, практически, равны нулю, поскольку градиент индукции магнитного поля трубопровода изменяется по радиусу от его центральной продольной оси.
Задачей полезной модели является разработка многоэлементого трехкомпонентного феррозондового градиентометра с программно управляемой базой для диагностики технического состояния стальных трубопроводов, позволяющего существенно повысить точность и информативность выявления дефектов и траектории залегания трубопровода.
Таким образом, технический результат состоит в обеспечении возможности ранжирования дефектов металла трубопровода и его изоляции.
Согласно полезной модели многоэлементный трехкомпонентный феррозондовый градиентометр с программно-управляемой базой, содержащий три трехкомпонентных датчика индукции магнитного поля, расположенных на разных уровнях по высоте относительно трубопровода, каждый из которых содержит три преобразователя индукции магнитного поля, расположенных, соответственно, по осям координат X, Y, Z, где ось Х расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна продольной оси трубопровода, ось Y расположена параллельно продольной оси трубопровода, ось Z перпендикулярна осям Х и Y, а также содержащее первый и второй усилители, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), источник опорного напряжения, микроконтроллер, блок постоянного запоминающего устройства, блок определения координат по GPS, при этом первый, второй и третий преобразователи первого трехкомпонентного датчика соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами первой триады блоков выделения полезного сигнала, первый, второй и третий преобразователи второго трехкомпонентного датчика, первый, второй и третий преобразователи третьего трехкомпонентного датчика программно коммутируются многоканальным мультиплексором соответственно на первый, второй и третий входы второй триады блоков выделения полезного сигнала, выходы первой и второй триады блоков выделения полезного сигнала соединены, соответственно, с усилителями-интеграторами, выходы которых соединены, соответственно, со входами первого и второго АЦП, питаемого источником опорного напряжения, микроконтроллер соединен с блоком постоянного запоминающего устройства по интерфейсу SDIO, микроконтроллер соединен с модулем GPS по интерфейсу USART, микроконтроллер соединен с модулем Bluetooth по интерфейсу USART, подключение к персональному компьютеру осуществляется по интерфейсу USB, вычисление модулей вектора магнитной индукции для двух подключенных триад феррозондовых преобразователей, а также вычисление разности модулей векторов магнитной индукции двух подключенных триад феррозондовых преобразователей производится программно в микроконтроллере.
Реализация отличительных признаков полезной модели обеспечивает принципиально новое свойство объекта (технический результат), состоящее в обеспечении возможности определения полной и достоверной картины искажений магнитного поля, включая интенсивность искажений, поскольку в дополнение к отдельным компонентам магнитного поля по осям X, Y, Z и разности значений одноименных компонент (скалярные величины) определяются модули векторов индукции магнитного поля каждым трехкомпонентным феррозондовым датчиком (векторные величины) и разность модулей векторов. Измерения указанных дополнительных компонентов, характеризующих магнитное поле, позволяют точно определять по ним наличие и характер дефектов трубопровода, в том числе тех, диагностика которых только с учетом градиента магнитного поля невозможна.
Для решения поставленной задачи были выполнены следующие действия:
на основе теоретических расчетов и практических исследований достигли значительного увеличения чувствительности датчиков измерительной установки, что позволит и проводить диагностику дефектов на трубах малого и среднего диаметра;
возможность варирования базой датчиков позволяет упростить и ускорить процесс измерений и работу оператора вследствие уменьшения габаритов установки, а также даст возможность увеличить разрешающую способность метода диагностики [Щербаков Т.Н., Анцелевич М.А., Удинцов Д.Н. О предельной глубине обнаружения локальных ферромагнитных объектов в толще полупроводящей среды. Электротехника, №6, 2005, с 48-52.; Звежинский С.С., Парфенцев И.В. Магнитометрические феррозондовые градиентометры для поиска взрывоопасных предметов // Спецтехника и связь. М, 2009. №1. С.16-29.; Magnetic Field Sensor FLC3-70. Stefan Mayer Instruments GmbH & Co. KG, Wallstr. 7 D-46535 Dinslaken, Germany. (http://www.stefan-mayer.com).].
Сущность полезной модели поясняется чертежами и фотографиями на фиг.1 - фиг. 11.
На фиг.1 изображена блок-схема устройства, в которой обозначены следующие позиции:
1 - генератор тактовых импульсов2 - первый трехкомпонентный феррозондовый датчик3 - второй трехкомпонентный феррозондовый датчик4 - третий трехкомпонентный феррозондовый датчик5 - первый преобразователь магнитного поля первого датчика6 - второй преобразователь магнитного поля первого датчика7 - третий преобразователь магнитного поля первого датчика8 - первый преобразователь магнитного поля второго датчика9 - второй преобразователь магнитного поля второго датчика10 - третий преобразователь магнитного поля второго датчика11 - первый преобразователь магнитного поля третьего датчика12 - второй преобразователь магнитного поля третьего датчика13 - третий преобразователь магнитного поля третьего датчика
14 - источник опорного напряжения15 - первая триада блоков выделения полезного сигнала16 - вторая триада блоков выделения полезного сигнала17 - программно-управляемый коммутатор18 - первый аналогово-цифровой преобразователь19 - второй аналогово-цифровой преобразователь20 - микроконтроллер21 - блок постоянного запоминающего устройства22 - блок GPS23 - блок Bluetooth24 - первый усилитель-интегратор25 - второй усилитель-интегратор26 - третий усилитель-интегратор27 - четвертый усилитель-интегратор28 - пятый усилитель-интегратор29 - шестой усилитель-интегратор30 - блок акселерометров
Многоэлементный трехкомпонентный феррозондовый градиентометр с программно-управляемой базой содержит генератор тактовых импульсов 1, три трехкомпонентных феррозондовых датчика 2, 3, 4 индукции магнитного поля. Датчики 2, 3, 4 расположены на разных уровнях по высоте относительно трубопровода для измерения градиента его магнитного поля, изменяющегося в радиальном направлении. Датчик 2 содержит преобразователи 5, 6, 7, датчик 3 содержит преобразователи 8, 9, 10, а датчик 4 содержит преобразователи 11, 12, 13 индукции магнитного поля. Преобразователи 5, 8, 11 расположены по осям X, преобразователи 6, 9, 12 - по осям Y, а преобразователи 7, 10, 13 - по осям Z координат. В качестве преобразователей 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 использованы феррозондовые преобразователи индукции магнитного поля. Оси Х расположены в горизонтальной плоскости и перпендикулярны продольной оси трубопровода, оси Y параллельны продольной оси трубопровода, а оси Z перпендикулярны осям X, Y. Устройство содержит первую 15 и вторую 16 триады блоков выделения полезного сигнала. В качестве программно-управляемого коммутатора 17 использована микросхема ADG1634. В качестве АЦП 18 и 19 использована микросхема AD7734. В качестве источника опорного напряжения 14 использована микросхема ADR421. Многоэлементный трехкомпонентный феррозондовый градиентометр с программно управляемой базой также содержит микроконтроллер 20 на базе микросхемы STM32F103, блок 21 постоянного запоминающего устройства реализован на базе стандартной SD карты. Блок GPS 22 выполнен на базе модуля Troyka-GPS/GLONASS V2. Блок Bluetooth 23 выполнен на базе модуля HC-05.Усилители-интеграторы 24, 25, 26, 27, 28, 29 выполнены на основе микросхем OP484. Блок акселерометров 30 выполнен на основе модуля MP581.
На фиг.2. приведен общий вид расположения феррозондовых датчиков устройства по отношению к исследуемому объекту.
Магнитное поле металлического трубопровода 31 воспринимается преобразователями 5, 6, 7 трехкомпонентного датчика 2, 8, 9, 10 трехкомпонентного датчика 3 и 11,12, 13 трехкомпонентного датчика 4. Расстояние между совокупностью преобразователей 5, 6, 7 и 8, 9, 10 образует малую базу (база 1), а расстояние между совокупностью 5, 6, 7 позволяет получить картину магнитного поля по трем координатам X, Y, Z на более близком от трубопровода уровне, а совокупность преобразователей 5, 6, 7 и 11, 12, 13 образуют большую базу (база 2) получить картину магнитного поля трубопровода на уровне, более удаленном к трубопроводу.
Устройство работает следующим образом.
Генератор тактовых импульсов 1, управляемый микроконтроллером 20, вырабатывает прямоугольные разнополярные импульсы, подаваемые в обмотки возбуждения преобразователей 5, 6, 7 первого, 8, 9, 10 второго и 11, 12, 13 третьего трехкомпонентных датчиков магнитного поля 2, 3 и 4. Магнитное поле металлического трубопровода воспринимается преобразователями 5, 6, 7 первого, 8, 9, 10 второго и 11, 12, 13 третьего трехкомпонентных датчиков 2, 3 и 4 магнитного поля. Совокупность преобразователей 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 позволяет получить проекции индукции магнитного поля по трем координатам X, Y, Z на различных от трубопровода уровнях.
В преобразователях магнитного поля 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 изменяется форма сигнала в их обмотках в зависимости от величины и направления вектора магнитной индукции создаваемого поля трубопроводом; сигналы с преобразователи 5, 6, 7 подаются на первую 15 триаду блоков выделения полезного сигнала; сигналы с преобразователей 8, 9, 10 либо 11, 12, 13 с помощью программно-управляемого коммутатора 17 подключаются на вторую 16 триаду блоков выделения полезного сигнала. С выходов блоков 15, 16 аналоговые сигналы, соответственно, подаются на усилители-интеграторы 24, 25, 26, 27, 28, 29, выходы которых соединены, соответственно, со входами первого и второго АЦП 18 и 19, где преобразуются в цифровой код. Микроконтроллер 20 в соответствии с программным обеспечением производит опрос АЦП 18 и 19, блока акселерометров 30, блока GPS 22, производит вычисление модулей магнитной индукции по проекциям с феррозондовых преобразователей, вычисляет углы наклона корпуса градиентометра в двух плоскостях по проекциям с блока акселерометров 30, сохраняет полученные результаты в блоке 21 постоянного запоминающего устройства и транслирует результаты через блок Bluetooth 23 на персональный компьютер для осуществления оперативного отображения измеренной информации.
Испытательные исследования возможностей многоэлементного трехкомпонентного градиентометра проводились на участке где имелись скрытые металлические предметы, стальные трубы с дефектами различной степени и размеров. На фиг. 6, 7 и 8 приведены полученные результаты. При малой базе более четко наблюдаются мелкие детали (Фиг. 7) по сравнению с картиной, полученной при измерениях с большой базой (Фиг.8).
Повышение разрешающей способности прибора с малой базой наблюдались также при диагностических исследования нефтепровода Ишимбай-Стерлитамак. Глубина залегания трубы, где она пересекала овраг была примерно 1,2 метра. При движении поперек трубы, градиентометр четко «обнаружил» трубу как в режиме большой, так и малой базы (фиг.9). В отличие от большой базы, при малой базе фиксируются дефекты, связанные и нарушением изоляции и структуры металла трубы (труба старая). Градиентометр позволил определить изгиб при движении вдоль трубы на расстоянии 1,5 метра. В режиме большой базы высота датчика 2 над уровнем земли была 1,2 метр, при малой базе - 0,3 метра. Работа гоадиентометра в режиме малой базы позволила определить нарушение структуры и изоляции материала трубы, при этом характерные размеры области изгиба более четко проявляется (метки Т1 и Т2, фиг.9). Графическое представление модуля напряженности магнитной индукции на исследуемом участке трубопровода также свидетельствуют о повышенной разрешающей способности режима малой базы (фиг.10), Большая база (фиг.11)