МАГНИТНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники 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 бесконтактного выявления наличия и местоположения дефектов 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, 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 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, 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.
Известен также магнитный дефектоскоп для контроля металлических трубопроводов без вскрытия грунта, содержащий первый и второй преобразователи магнитного поля, первый преобразователь магнитного поля содержит не менее двух датчиков магнитного поля в виде магниторезисторов, второй преобразователь магнитного поля содержит не менее двух датчиков магнитного поля в виде магниторезисторов, датчики магнитного поля первого и второго преобразователей магнитного поля установлены вдоль взаимно перпендикулярных линий, контроллер с клавиатурой, блок отображения информации, первый и второй усилители, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый и второй программно управляемые аттенюаторы, блок аналогового вычитания, стабилизированный источник постоянного тока, промежуточный блок памяти, блок пространственной привязки, блок памяти и блок акселерометров, преобразователи магнитного поля расположены над поверхностью грунта над трубопроводом, при этом первый выход стабилизированного источника постоянного тока 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; устройство дополнительно содержит третий преобразователь магнитного поля, который содержит не менее двух датчиков магнитного поля в виде магниторезисторов, которые установлены вдоль линии, перпендикулярной линиям, вдоль которых расположены датчики первого и второго преобразователей магнитного поля, третий программно управляемый аттенюатор, третий усилитель и блок формирования управляющего сигнала, при этом третий выход стабилизированного источника постоянного тока соединен со входом третьего преобразователя магнитного поля, выход которого соединен со входом третьего программно управляемого аттенюатора, выход которого соединен со входом третьего усилителя, выход которого соединен с третьим входом блока аналогового вычитания, третий выход которого соединен со входом блока формирования управляющего сигнала, выход которого соединен с системой управления носителем магнитного дефектоскопа, RU 108846 U1.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Устройство-прототип обеспечивает измерение магнитного поля для осуществления дефектоскопии только по осям Y и Z. Измерение данным устройством магнитного поля по оси Х обеспечивают только определение местоположения дефектоскопа относительно продольной оси трубопровода и выработки управляющего сигнала для компенсации отклонения дефектоскопа от продольной оси трубопровода. Это обусловлено тем, что чувствительность канала измерений по оси Х для определения местоположения дефектоскопа должна быть в десятки раз ниже, нежели чувствительность каналов измерений по осям Y и Z для осуществления дефектоскопии, поскольку при высокой чувствительности канала измерений на выработку управляющего сигнала будут влиять не только отклонения положения дефектоскопа от продольной оси трубопровода, но также дефекты трубопровода, в том числе и незначительные. Таким образом, устройство-прототип позволяет осуществлять дефектоскопию с использованием измерений магнитного поля только по двум осям, это вносит существенные погрешности в результаты дефектоскопии.
Кроме того, при поворотах трубопровода устройство-прототип не учитывает изменения влияния магнитного поля Земли на результаты измерений, что вносит дополнительную погрешность.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности результатов за счет использования для дефектоскопии измерений магнитного поля по трем взаимно перпендикулярным осям - X, Y, Z, а также учета изменения влияния магнитного поля Земли при изменении направления трубопровода.
Согласно полезной модели в магнитном дефектоскопе для контроля металлических трубопроводов, содержащем первый, второй и третий преобразователи магнитного поля, содержащие не менее двух датчиков магнитного поля, первый, второй и третий программно управляемые аттенюаторы, стабилизированный источник постоянного тока, первый, второй и третий усилители, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), контроллер, блок отображения информации, блок памяти, блок пространственной привязки, блок акселерометров и блок формирования управляющего сигнала, датчики магнитного поля первого, второго и третьего преобразователей магнитного поля установлены вдоль взаимно-перпендикулярных осей, соответственно, X, Y, Z, где ось Х лежит в горизонтальной плоскости и перпендикулярна продольной оси трубопровода, ось Y лежит в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси X, ось Z перпендикулярна осям Х и Y, при этом стабилизированный источник постоянного тока соединен с первым, вторым и третьим преобразователями магнитного поля, выходы которых соединены с первыми входами, соответственно, первого, второго и третьего программно управляемых аттенюаторов, выходы которых соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим усилителями, выходы которых соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами АЦП, первый, второй и третий выходы контроллера соединены со вторыми входами, соответственно, первого, второго и третьего программно-управляемых аттенюаторов, блок пространственной привязки соединен с первым входом контроллера, второй вход которого соединен с блоком акселерометров, пятый выход контроллера соединен с блоком памяти, дополнительно содержит четвертый преобразователь магнитного поля, четвертый программно управляемый аттенюатор, четвертый усилитель, блок цифрового вычитания и цифровой магнитный компас, при этом вход четвертого преобразователя магнитного поля соединен со стабилизированным источником постоянного тока, а его выход соединен с первым входом четвертого программно управляемого аттенюатора, выход которого соединен со входом четвертого усилителя, выход которого соединен с четвертым входом АЦП, выход которого соединен со входом блока цифрового вычитания, первый выход которого соединен со входом блока формирования управляющего сигнала, а второй выход соединен с третьим входом контроллера, четвертый вход которого соединен с выходом цифрового магнитного компаса.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «Новизна».
Реализация отличительных признаков полезной модели обусловливает важные новые свойства (технический результат) объекта.
Дефектоскопия осуществляется в пространственной системе координат - X, Y, Z, измерения магнитного поля трубопровода производятся по трем взаимно перпендикулярным осям, что позволяет определить полный вектор магнитной индукции. Это существенно повышает точность и достоверность дефектоскопии, позволяет выявлять даже незначительные дефекты на начальной стадии их развития. Наличие цифрового магнитного компаса в дефектоскопе впервые позволяет учитывать изменения влияния магнитного поля Земли на результаты измерений.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - блок-схема устройства;
на фиг.2 - схема размещения преобразователей магнитного поля.
Магнитный дефектоскоп для контроля металлического трубопровода 1, в данном примере, подземного, находится над поверхностью 2 грунта. В случае подводного трубопровода дефектоскоп находится под водой в зоне трубопровода 1. Устройство содержит первый преобразователь 3, второй преобразователь 9 и третий преобразователь 19 магнитного поля. Преобразователи 3, 9 и 19 содержат не менее двух датчиков магнитного поля, в конкретном примере два датчика, в качестве которых использованы магниторезисторы, в частности, типа НМС 1053 фирмы HONEYWELL.
Магниторезисторы первого преобразователя 3 установлены вдоль линии 28, параллельной заданному направлению движения вдоль продольной 29 трубопровода 1. Магниторезисторы второго преобразователя 9 установлены вдоль линии 30, перпендикулярной продольной оси 29 трубопровода 1 и линии 28. Магниторезисторы третьего преобразователя 19 установлены вдоль линии 31, перпендикулярной линиям 28 и 30. Контроллер 4 представляет собой процессор КНПС.467441.001. С пятым входом контроллера 4 соединен выход клавиатуры 5. В конкретном примере использована клавиатура НИК0.467126.061. Блок 6 отображения информации представляет собой жидкокристаллическую матрицу LM4228.
Первый 7, второй 10 и третий 21 усилители выполнены на микросхемах AD 8642. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 8 представляет собой двухпроцессорный вычислитель КНПС.466512.001.
Первый 11, второй 12 и третий 20 программно управляемые аттенюаторы выполнены на базе микросхем К572ПА1. Стабилизированный источник 14 постоянного тока включает аккумулятор напряжением 12 В со схемой стабилизации тока на микросхеме ОРА 369 фирмы TEXAS Instruments.
Блок 16 пространственной привязки представляет собой приемник GPS типа 4600LS. Блок 17 памяти выполнен на микросхеме КНПС.467669.001. Блок 18 акселерометров собран на микросхемах ADXL311 и AD8642. Блок 22 формирования управляющего сигнала представляет собой контроллер Melsek FSG.
Устройство дополнительно содержит четвертый преобразователь 23 магнитного поля, содержащий два датчика магнитного поля в виде магниторезисторов типа НМС 1053 фирмы HONEYWELL, установленных вдоль линии 31, перпендикулярной линиям 28 и 30. Также устройство содержит четвертый программно управляемый аттенюатор 24 на базе микросхемы К572ПА1, четвертый усилитель 25 на базе микросхемы А8643, блок 27 цифрового вычитания, представляющий собой контроллер КНПС.467441.001 и цифровой магнитный компас 26 типа HMR3300.
Стабилизированный источник 14 постоянного тока соединен с первым 3, вторым 9, третьим 19 и четвертым 23 преобразователями магнитного поля, выходы которых соединены с первыми входами, соответственно, первого 11, второго 12, третьего 20 и четвертого 24 программно управляемых аттенюаторов, выходы которых соединены, соответственно, с первым 7, вторым 10, третьим 21 и четвертым 25 усилителями. Выходы усилителей соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым входами АЦП 8. Первый, второй, третий и четвертый выходы контроллера 4 соединены со вторыми входами, соответственно, первого 11, второго 12, третьего 20 и четвертого 24 программно управляемых аттенюаторов. Пятый выход контроллера 4 соединен со входом блока 17 памяти, а его шестой выход соединен со входом блока 6 отображения информации. Блок 16 пространственной привязки соединен с первым входом контроллера 4, блок 18 акселерометров соединен со вторым входом контроллера 4, цифровой магнитный компас 26 соединен с четвертым входом контроллера 4. Первый выход блока 27 цифрового вычитания соединен со входом блока 22 формирования управляющего сигнала, выход которого соединен в конкретном примере с управляющим механизмом 15, представляющим собой систему управления носителем дефектоскопа, например, беспилотным летательным аппаратом. Второй выход блока 27 цифрового вычитания соединен с третьим входом контроллера 4.
Устройство работает следующим образом. Магнитное поле металлического трубопровода 1 воспринимается первым, вторым, третьим и четвертым преобразователями 3, 9, 19, 23 магнитного поля. Преобразователь 3 воспринимает компоненты магнитного поля, имеющие градиент вдоль вертикальной оси 30, преобразователь 9 воспринимает компоненты магнитного поля, имеющие градиент вдоль горизонтальной оси 28, преобразователь 19 воспринимает компоненты магнитного поля слева и справа от трубопровода и служит для определения местоположения дефектоскопа относительно продольной оси 29 трубопровода 1, преобразователь поля 23 воспринимает компоненты поля, имеющие градиент вдоль горизонтальной оси 31. Таким образом, совокупность преобразователей 3, 9, 23 позволяют получить пространственную картину поля по всем трем координатам X, Y, Z, а преобразователь 19 позволяет точно определить местоположение дефектоскопа относительно оси трубопровода. Преобразователи 3, 9, 19, 23 преобразуют магнитное поле в напряжение, пропорциональное величине магнитной индукции, которое подается, соответственно, на входы программно управляемых аттенюаторов 11, 12, 20, 24. Посредством клавиатуры 5 через контроллер 4 с помощью аттенюаторов устанавливают такой режим работы усилителей 7, 10, 21, 25, чтобы уровни сигналов на выходе аттенюаторов не превосходили динамический диапазон усилителей. С выходов усилителей 7, 10, 21, 25 сигналы подаются на АЦП 8, где аналоговые сигналы преобразуются в цифровой код, который с выхода АЦП 8 подается на блок цифрового вычитания 27, который позволяет получить разность сигналов усилителей 7, 10, 25. С первого выхода блока 27 цифрового вычитания сигнал, который поступил в АЦП 8 и затем на вход блока 27, от усилителя 21 поступает на блок 22 формирования управляющего сигнала, а сигналы, поступившие на блок 27 через АЦП 8 от усилителей 7, 10, 25, пропорциональные значениям магнитной индукции по осям X, Y, Z, поступают в контроллер 4. Кроме того, в контроллер 4 поступают сигналы от блока 16 пространственной привязки (GPS) и блока акселерометров 18. С помощью сигналов от блока 18 обеспечивается коррекция отклонения положения преобразователей 3, 9, 19, 23 от вертикали и горизонтали. Результаты обработки поступившей в контроллер 4 информации отображаются на мониторе блока 6 отображения информации, а также заносятся в блок 17 памяти. Также в контроллер 4 поступает сигнал от электронного магнитного компаса 26, компенсирующего фоновый уровень магнитного поля Земли, а также изменение ориентации дефектоскопа относительно направления магнитносиловых линий фонового магнитного поля при повороте трассы трубопровода.
Благодаря тому, что дефектоскоп регистрирует все три компоненты (X, Y, Z), это дает возможность построить полный вектор магнитной индукции, наиболее полно и детально характеризующий магнитное поле трубопровода.
Кроме того, заявленное устройство позволяет компенсировать изменение влияния фонового магнитного поля Земли путем введения соответствующей поправки в показания дефектоскопа при изменении его ориентации относительно силовых линий фонового магнитного поля.
В результате значительно повышается точность результатов контроля состояния металлических трубопроводов.
Устройство разработано и испытано в ЗАО «Полиинформ», Санкт-Петербург.