ЭЛЕКТРОННО-АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНОВОДОВ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для измерений длины, диаметра и чистоты поверхности внутренней полости труб с открытыми концами в различных отраслях промышленности, в том числе в нефтегазовой промышленности и машиностроении. Также устройство может применяться для контроля параметров и диагностики труб в системах акустической уровнеметрии, где трубы в данном применении используются как волноводы.
Известны устройства акустической дальнометрии, в которых излученный акустический сигнал распространяется в воздушной среде внутри трубы, отражается от препятствия или открытого конца трубы и возвращается назад к устройству, где по времени распространения рассчитывается расстояние [полезная модель RU №24550, G01B 17/00, G01F 23/28, 2002, полезная модель №7492, G01B 17/00, 1998]. Известны также дальномеры, принцип которых основан на отражении акустического сигнала от контролируемой жидкости [патенты SU №1530927, G01F 23/28, 1989; SU №1813203, G01F 23/28, 1993; RU №2052768, G01B 17/00, 1996; RU №7492, G01B 17/00, 1998; RU №52635 G01B 17/00, G01F 23/28, 2006; RU №53001 G01B 17/00, 2006]. В данных устройствах акустический зондирующий сигнал распространяется внутри трубы, как по волноводу.
Прототипом заявляемой полезной модели является электронно-акустическое устройство измерения геометрических параметров открытых волноводов [полезная модель RU №181215, G01B 17/00, 2018], содержащее блок управления, излучатель, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, два приемника акустического сигнала, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к электронному блоку обработки, блоку вычисления скорости звука и блоку вычисления диаметра трубы. Недостатки известных устройств и прототипа заключаются в том, что предложенные методы не позволяют измерить чистоту поверхности внутренней полости трубы.
При эксплуатации труб на стенках возможно появление коррозии или различных отложений. В частности, в нефтедобыче на стенах внутри трубы образуется слой парафина, значительно снижающий эффективный диаметр. Если труба имеет внутри выраженное препятствие, то в зависимости от размера данного препятствия произойдет отражение части волны, которое достаточно легко фиксируется в виде отдельного отражения. Но в случае, если на стенках трубы образовались равномерные наложения, отражения от них не будет и об их наличии можно судить лишь по изменению амплитуды основного отраженного сигнала от конца трубы.
Поставлена задача расширения функциональных возможностей - обеспечить помимо измерения длины и диаметра волновода также контроль чистоты поверхности внутренней полости трубы.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в электронно-акустическое устройство измерения геометрических параметров волноводов, содержащее блок управления, излучатель, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, два приемника акустического сигнала, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к блоку обработки, блок вычисления скорости звука, входы которого подключены к выходам приемников акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки, блок вычисления диаметра, входы которого подключены к приемникам акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки, дополнительно введен блок контроля внутренней поверхности трубы, входы которого подключены к приемникам акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки.
Сущность полезной модели представлена на фиг. 1, где изображена структурная схема предлагаемого устройства. Схема содержит генератор 1, соединенный с акустическим излучателем 2, подведенным к торцу измеряемого волновода 3, к которому подведен также приемник отраженного сигнала 4 и отнесенный от него на фиксированное расстояние «d» дополнительный приемник акустического сигнала 5. Выходы приемников акустического сигнала 4 и 5 подключены к блоку вычисления диаметра 6, к блоку контроля внутренней поверхности трубы 7, к блоку вычисления скорости звука в среде 8 и к электронному блоку обработки 9, выход которого подключен к индикатору 10 и блоку управления 11. Блоки 1, 2, 4-11 конструктивно размещены в одном корпусе и образуют измерительный модуль 12, подносимый к торцу контролируемого волновода. Измерительный модуль является переносным и предназначен для оперативного контроля геометрических параметров.
Устройство работает следующим образом. Акустический импульс, создаваемый по команде блока управления 11 генератором 1 и излучателем 2, распространяясь, отражается от конца пустой полости волновода. Посланный и отраженный сигналы принимаются приемниками 4, 5. Принятые сигналы обрабатываются блоками 6-9. В каждом цикле измерения блок 8 сначала вычисляет истинную скорость распространения звука в данном волноводе путем измерения времени прохождения акустическими импульсами фиксированного расстояния d, например, согласно патенту на полезную модель RU №24550, G01B 17/00, G01F 23/28, 2002. Затем блок 6 определяет диаметр волновода, как указано в прототипе данной полезной модели. Блок 7 определяет состояние трубы по коэффициенту затухания а, используя формулу:
0
где А - амплитуда излучаемого сигнала; с - скорость распространения звука;
А - амплитуда принимаемого устройством отраженного сигнала;
L - длина трубы;
Ko(D) - коэффициент отражения от открытого конца трубы, который рассчитывается с помощью полинома:
где D - измеренный ранее диаметр контролируемой трубы;
λ - длина волны зондирующего импульса.
Коэффициент затухания а показывает удельное затухание для звука, распространяющегося по внутренней полости трубы, при этом применяемая формула учитывает потери амплитуды на отражение от открытого конца трубы. Сложные математические выражения для Ko(D) упрощены с помощью более простых замещающих функций, что дает возможность создать простой алгоритм вычисления искомых параметров в микроконтроллере.
Опытным путем получено, что при частотах ниже 5 кГц звук в трубе с чистыми стенками распространяется почти без затухания, т.е. а>0.95, влияние материала трубы на а отсутствует. Наличие внутри трубы пористых или мягких структур (парафин, песок, мусор, слои ржавчины) снижает коэффициент а в зависимости от количества данных загрязнений, например, слой парафина 5 мм в трубе НКТ 73 мм снижает коэффициент а до 0.7, а дальнейшее загрязнение может снизить а вплоть до нуля. Наличие сконцентрированного засора в зависимости от его размера вызывает либо частичное, либо полное отражение сигнала, что также значительно влияет на коэффициент а. Таким образом данный коэффициент показывает относительную чистоту поверхности внутренней полости труб.
Технический результат - одновременное измерение устройством длины, диаметра и волновода и чистоты поверхности внутренней полости труб в автоматическом режиме.