УЗЕЛ ДАТЧИКОВ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ, УЗЕЛ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ОБЪЕДИНЕННЫЙ УЗЕЛ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА

Предложение относится к устройствам бесконтактной внетрубной диагностики и может быть использовано при эксплуатации трубопроводов, в нефтегазодобывающей промышленности, коммунальном хозяйстве и других областях.
Используемые в настоящее время методы внетрубной бесконтактной диагностики проводятся, как правило, с отдельными аппаратурно-программными диагностическими комплексами, включающими магнитометрию с использованием переменных и постоянных магнитных полей, электрометрию в различных вариантах, трассирование осей трубопроводов и т.д. Работы с этими комплексами проводятся или раздельно с использованием нескольких проходов одних и тех же участков трубопровода, нередко разными организациями и в разное время, или при одном проходе, но с недостаточной точностью взаимной привязки наблюдений. Вследствие недостаточной точности привязки затруднена диагностика дефектов на основе комплекса признаков. Повторные проходы создают организационные и технологические трудности при проведении работ по диагностике. Существуют также проблемы по взаимной увязке наблюдений и по учету нарушений и изменению геометрии наблюдений, сложность оперативной статистической обработки, ранжированию и идентификации выявленных аномалий магнитного поля.
Кроме того, каждый из известных аппаратурно-программных диагностических комплексов имеет конструктивные и технико-технологические недостатки, мешающие их использованию.
Известен «Магнитный локатор дефектов и повреждений труб» (патент РФ №2005139236, МПК G01N 27/82, приоритет 12.15.2005, опубл. 06.27.2007). Магнитный локатор включает измерительные катушки и два постоянных магнита. Полезный эффект достигается за счет использования измерительных катушек седлообразной формы. Недостатками предложенного локатора является необходимость существенного приближения локатора к трубопроводу и отсутствие контроля расстояния между локатором и трубопроводом.
Известна также «Система бесконтактного измерения тока в подземных трубопроводах и определения глубины их залегания» (Патент РФ №2246742, МПК G01V 3/11, приоритет 11.11.2003, опубл. 02.20.2005), включающая систему трех индукционных датчиков, расположенных вдоль прямой, являющейся продолжением радиуса трубопровода в плоскости, перпендикулярной трубопроводу. Повышение точности измерения, являющееся целью изобретения, достигается только при точном расположении датчиков над осью трубопровода, что практически невозможно. Отклонение датчиков от проекции оси трубопровода на дневную поверхность не контролируется.
Наиболее близким к предлагаемому узлу датчиков постоянного магнитного поля является «Устройство для бесконтактного выявления наличия и местоположения дефектов металлического трубопровода», включающее узел измерения постоянного магнитного поля, содержащий трехкомпонентные феррозондовые датчики (свидетельство на полезную модель РФ №55989, МПК G01N 27/82, приоритет 21.03.2006, опубл. 27.08.2006). Датчики расположены в плоскости, ориентируемой перпендикулярно оси трубопровода. Узел датчиков конструктивно представляет собой крестообразное устройство, на концах которого расположены четыре трехкомпонентных феррозондовых датчика. Их соединение позволяет получать разность одноименных компонент, расположенных коллинеарно. Узел датчиков соединен с измерительными каналами каждой из компонент, которые подключаются к устройствам вычитания и к АЦП, ко входам которого также подключены выходы измерительных каналов. Устройство управляется контроллером с клавиатурой и снабжено энергонезависимой памятью и индикатором. Недостатком устройства является низкая точность получения разностей компонент индукции постоянного магнитного поля вдоль оси трубопровода, несущих основную информацию о размерах и виде дефектов. Низкая точность возникает вследствие реального изменения базы для взятия продольной разности («градиента») из-за неравномерной скорости перемещения узла датчиков при движении оператора. Кроме того, устройство не позволяет получать скорости изменения разностей компонент поля вдоль горизонтальной и вертикальной осей, что препятствует проведению оперативной статистической обработки.
Наиболее близким к узлу датчиков переменного магнитного поля является «Устройство для определения трассы, глубины заложения и прогиба магистрального трубопровода» (свидетельство на полезную модель РФ №56004, МПК G01V 3/11 приоритет 21.03.2006, опубл. 27.08.2006), включающее узел измерения переменного магнитного поля, содержащий три однокомпонентных индукционных датчика, расположенных вдоль вертикальной оси. Два датчика, параллельные друг другу, расположены на разных высотах в плоскости, ориентируемой при эксплуатации перпендикулярно оси трубопровода. Третий датчик расположен перпендикулярно двум первым. Узел датчиков конструктивно представляет собой штангу из немагнитного материала, на которой крепятся датчики и блок электроники. Узел датчиков соединен с переключаемыми селективными усилителями, детекторами, согласующими усилителями, АЦП, ко входам которого также подключены выходы измерительных каналов. Устройство управляется контроллером с клавиатурой и снабжено энергонезависимой памятью и индикатором. Датчик вертикальной компоненты через преобразователь напряжение-частота соединен с головными телефонами. Недостатком устройства является отсутствие возможности измерения вертикальной компоненты. Геометризация трубопровода становится возможной лишь при точном положении штанги над проекцией оси трубопровода на дневную поверхность. Кроме того, в устройстве отсутствует возможность оперативного определения и индикации удаления узла датчиков от проекции оси трубопровода на дневную поверхность.
Устройства, содержащие узлы датчиков переменного и постоянного магнитного поля в пределах одного доступного для переноски конструктива, неизвестны. Объединение узлов позволило бы повысить точность наблюдений, учесть нарушения геометрии и обеспечить взаимную увязку наблюдений.
Ставится задача создания узла датчиков магнитного поля для диагностики технического состояния трубопровода, в котором узел датчиков постоянного магнитного поля и узел датчиков переменного магнитного поля объединены в пределах одного конструктива. При этом узел датчиков постоянного магнитного поля должен обеспечивать более высокую точность измерения разностей компонент индукции постоянного магнитного поля вдоль трубопровода по сравнению с известным и возможность определения скоростей изменения разностей компонент индукции постоянного магнитного поля. Узел датчиков переменного магнитного поля должен обеспечивать возможность векторных измерений и возможность непрерывных измерений для геометризации трубопровода с учетом удаления узла от проекции оси трубопровода на дневную поверхность.
Для решения задачи разработан объединенный узел датчиков магнитного поля, включающий узел датчиков постоянного магнитного поля и узел датчиков переменного магнитного поля.
Узел датчиков постоянного магнитного поля для осуществления способа диагностики технического состояния трубопровода включает шесть феррозондовых трехкомпонентных датчиков, четыре из которых расположены в одной плоскости на концах отрезков двух взаимно-перпендикулярных прямых, а пятый в точке их пересечения и устройства получения разностей одноименных компонент поля вдоль трех взаимно-перпендикулярных осей. Шестой датчик расположен на оси, перпендикулярной плоскости, в которой расположены первые пять датчиков, и проходящей через точку в которой расположен пятый датчик.
Узел датчиков переменного магнитного поля для осуществления способа диагностики технического состояния трубопровода включает пять индукционных датчиков. Каждый из пяти датчиков состоит из двух однокомпонентных датчиков, причем однонаправленные оси датчиков параллельны, оси каждой пары из соединенных датчиков взаимно ортогональны, оси всех датчиков расположены в одной плоскости, четыре датчика расположены в одной плоскости на концах отрезков взаимно-перпендикулярных прямых, а пятый в точке пересечения этих отрезков.
Объединенный узел датчиков магнитного поля для диагностики технического состояния трубопровода включает узел датчиков постоянного магнитного поля, узел датчиков переменного магнитного поля, причем плоскости, в которых расположены пять датчиков каждого из узлов, параллельны. Датчики, расположенные в центрах каждого из узлов, и датчик узла датчиков постоянного магнитного поля, расположенный вне плоскости, в которой расположены остальные датчики этого узла, расположены на одной прямой, перпендикулярной обеим плоскостям.
На фиг.1 представлена схема расположения датчиков узла датчиков постоянного магнитного поля.
На фиг.2 представлена структурная схема узла датчиков постоянного магнитного поля.
На фиг.3 представлена схема расположения датчиков узла датчиков переменного магнитного поля.
На фиг.4 представлена структурная схема узла датчиков переменного магнитного поля.
На фиг.5 представлена схема расположения датчиков объединенного узла датчиков.
На фиг.6 представлена структурная схема объединенного узла датчиков.
Феррозондовые датчики узла датчиков постоянного магнитного поля (фиг.1) установлены на концах крестообразной конструкции из немагнитного материала. Профили, из которых выполнены линейные элементы конструкции, ориентированы вдоль трех пространственных взаимно перпендикулярных осей. Четыре феррозондовых трехкомпонентных датчика 1-4 расположены в одной плоскости на концах отрезков трубок. Датчики настроены соосно, и их расположение позволяет получать разности одноименных компонент поля вдоль горизонтальных и вертикальной осей. Пятый феррозондовый трехкомпонентный датчик 5 расположен в точке пересечения отрезков, на концах которых расположены первые четыре датчика, а шестой феррозондовый трехкомпонентный датчик 6 расположен вне плоскости, в которой расположены остальные датчики. Пятый и шестой датчики также настроены соосно, с минимальным дисбалансом, и их расположение позволяет получать разности одноименных компонент поля вдоль второй горизонтальной оси. Устройства определения разности значений индукции постоянного магнитного поля 7-9 (фиг.2) снабжены юстировочными устройствами и соединены с многовходовыми аналого-цифровыми преобразователями 10, соединенными в свою очередь с микроконтроллерами 11-13. Микроконтроллеры соединены с адаптерами интерфейса 14-16 (например, может быть использован интерфейс RS 485), адаптерами преобразования из одного интерфейса в другой 17-19, (например, из интерфейса RS-485 в интерфейс USB(RS-485/USB)), разветвителем HUB USB 20 и далее с блоком сбора данных и управления (БСДУ) 21.
Узел феррозондовых датчиков работает следующим образом. Датчики являются датчиками активного типа и используют для своей работы ток возбуждения. Ток возбуждения дважды за период доводит ферромагнитные сердечники датчиков 1-6 до насыщения, за счет чего изменяется потокосцепление намотанной на сердечник измерительной катушки с внешним магнитным полем. В измерительной катушке возникает переменное электрическое напряжение, частота которого в два раза больше частоты тока возбуждения, а амплитуда пропорциональна постоянной составляющей проекции вектора индукции внешнего магнитного поля на магнитную ось датчика. Устройства определения разности одноименных компонент 7-9 формируют сигналы, равные разности этих компонент. Сигналы компонент поля и их разностей преобразуются в цифровой код с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя 10 и затем подаются на микроконтроллеры 11-13. Микроконтроллеры программным способом компенсируют дисбалансы и обнаруженные при юстировке элементы несоосности датчиков. Адаптеры интерфейса 14-16 преобразуют сигналы в приемлемый для него формат, а адаптеры 17-19 преобразуют параметры сигналов для перевода их из одного интерфейса в другой. С помощью разветвителя HUB USB 20 сигналы объединяются в буфере и затем подаются в БСДУ 21. Таким устройством может служить полевой компьютер. БСДУ производит следующие операции:
- регистрацию в энергонезависимой памяти преобразованных напряжений;
- отображение на индикаторе преобразованных сигналов по запросу оператора;
- выдачу предупреждения на экран индикатора о величине остатка свободной памяти;
- выдачу предупреждения на экран индикатора о падении напряжения аккумуляторной батареи ниже предельно допустимого;
- перекачку зарегистрированной информации в компьютер с архитектурой, совместимой с Х-86 по каналу USB.
Узел датчиков постоянного магнитного поля дает возможность получать дополнительную диагностическую информацию за счет определения скорости изменения разности компонент индукции.
Индукционные датчики узла датчиков переменного магнитного поля (фиг.3) установлены на концах крестообразной конструкции из немагнитного материала. Узел состоит не менее чем из пяти двухкомпонентных индукционных датчиков 22-26. Каждый из пяти датчиков состоит из двух однокомпонентных, причем одноименные оси датчиков параллельны, оси каждой пары из соединенных датчиков взаимно ортогональны. Оси всех датчиков расположены в одной плоскости. Четыре датчика расположены в одной плоскости на концах отрезков взаимно-перпендикулярных прямых, а пятый в точке пересечения этих отрезков. Индукционные датчики соединены (фиг.4) с избирательными переключаемыми усилителями 27-31, многоканальным аналого-цифровым преобразователем 32, и через разветвитель 20 - с БСДУ 21. Переменные магнитные и электрические поля возбуждаются генератором 33. Один полюс выходной цепи генератора гальванически соединен с трубопроводом с использованием контрольно-измерительных колонок, заслонок, кранов и т.д. Другой полюс выходной цепи генератора гальванически или с помощью распределенной емкости электрической линии соединен с землей. За счет индуктивной связи трубопровод связан с индукционными датчиками.
Индукционный датчик 23 соединен с детектором 34, преобразователем напряжение-частота 35 и головными телефонами 36.
Узел датчиков переменного магнитного поля работает следующим образом.
Индукционные датчики являются датчиками пассивного типа. Они преобразуют переменные составляющие проекций векторов магнитной индукции на горизонтальную и вертикальную оси в пяти точках околотрубного пространства. Сигналы от индукционных датчиков 22-26 подаются на переключаемые избирательные усилители 27-31. Сигналы от избирательных усилителей подаются на многоканальный аналого-цифровой преобразователь 32. С помощью разветвителя HUB USB 20 сигналы объединяются в буфере и далее подаются в БСДУ 21. Звуковая индикация прохождения оператора над проекцией оси трубопровода на земную поверхность помимо визуальной, производимой в блоке БСДУ, производится с помощью детектора 34, преобразователя напряжение-частота 35 и головных телефонов 36.
Узел датчиков переменного магнитного поля позволяет измерять компоненты вектора магнитной индукции и за счет этого учитывать изменения геометрии положения датчиков.
Объединенный узел датчиков магнитного поля (фиг.5) содержит узел датчиков постоянного магнитного поля и узел датчиков переменного магнитного поля. Плоскости, в которых расположены пять датчиков 1-5 узла датчиков постоянного магнитного поля и пять датчиков 22-26 узла датчиков переменного магнитного поля, параллельны. Датчики 5 и 26, расположенные в центрах каждого из узлов, и датчик 6 узла датчиков постоянного магнитного поля, расположенный вне плоскости, в которой расположены остальные датчики этого узла, расположены на одной прямой, перпендикулярной обеим плоскостям. Расстояние между плоскостями определяется требованиями к погрешностям измерений каждого из узлов датчиков. В выбранной конструкции это расстояние составляет 20 см.
Узел феррозондовых датчиков и узел индукционных датчиков принимают сигналы постоянного и переменного полей и преобразовывают их в диагностическую информацию одновременно.
Конструкция объединенного узла датчиков разборная, размещается в заплечном рюкзаке. В разработанной конструкции объединенного узла датчиков рабочий диапазон индукции постоянного магнитного поля ±150 мкТл. Разрешающая способность преобразования индукции постоянного магнитного поля (приведенная к рабочему диапазону) не более 0,015% измеряемой величины. Предел основной погрешности коэффициента преобразования индукции постоянного магнитного поля не более 2%+0,015%Д, где Д - измеряемая величина индукции постоянного магнитного поля. Основная погрешность коэффициента преобразования индукции переменного магнитного поля 1%+0,015ДП, где ДП - рабочий диапазон индукции. Разрешающая способность преобразования индукции переменного магнитного поля (приведенная к рабочему диапазону индукции) не более 0,015%.
Совмещение узлов датчиков постоянного и переменного поля в одном конструктиве позволяет учитывать изменения положения датчиков и повысить точность результатов диагностики.
Таким образом, объединение средств измерения индукции постоянного и переменного магнитного поля и пространственное расположение датчиков позволяет решить задачу существенного повышения точности привязки и расширить диагностические возможности устройства. Одновременно преодолевается целый ряд организационных и технологических трудностей при проведении работ по диагностике, а также повышается их экономическая эффективность. Решаются проблемы по взаимной увязке наблюдений и по учету нарушений из-за изменения геометрии наблюдений, обеспечивается возможность предварительной обработки, ранжирования и идентификации выявленных аномалий магнитного поля.