Профилемер с использованием оптических волокон



 


Владельцы патента RU 2582497:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к устройствам для внутритрубного контроля трубопроводов и может быть использовано для диагностики трубопроводов среднего диаметра, а также составления профиля трубопровода. Заявленное изобретение, раскрывающее профилемер, содержит корпус, чувствительные средства измерения и средства обработки, анализа и хранения данных. При этом корпус имеет сферическую форму, а чувствительные средства измерения выполнены в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки из многомодовых оптических волокон, средства обработки, анализа и хранения данных расположены внутри корпуса. Технический результат - возможность диагностики трубопроводов среднего диаметра. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для внутритрубного контроля трубопроводов и может быть использовано для диагностики трубопроводов среднего диаметра, а также составления профиля трубопровода.

Известен одноканальный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, (а.с. СССР SU 1768941, МПК: G01B 7/12, дата публикации 15.10.92), включающий в себя корпус для пропуска внутри контролируемого трубопровода, установленные на корпусе средства обработки, анализа и хранения данных, чувствительные средства измерения в виде множества рычагов, установленных на корпусе вокруг главной оси корпуса, прижимаемых пружинами к внутренней поверхности трубопровода и скользящих по указанной поверхности. Рычаги кинематически связаны с двумя дисками, которые в свою очередь кинематически связаны с датчиками взаимного перемещения дисков. Отклонение любого из чувствительных рычагов приводит к изменению расстояния между дисками, которое измеряется с помощью реостатных датчиков. Измеряя расстояние между дисками, определяют наличие деформации в сечении трубопровода.

Недостатками одноканального профилемера является нестабильность показаний датчиков, т.к. в результате многократных поворотов контакты реостатных датчиков меняют свойства, особенно при использовании в агрессивной среде, и невозможность идентифицировать различие между деформацией трубы и наличием вваренного в трубу предмета, т.к. по данным о расстоянии между дисками не может быть определена ориентация дефекта в сечении трубопровода.

Известен многоканальный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, описанный в патенте США US 4342225, МПК: G01B 5/28, дата публикации 03.08.82, который включает в себя корпус с установленными на нем манжетами для пропуска внутри контролируемого трубопровода, установленные на корпусе средства обработки, анализа и хранения данных, чувствительные средства измерения в виде множества рычагов, установленных на корпусе вокруг главной оси корпуса, каждый из которых кинематически связан с соответствующим ему резистивным датчиком угла поворота. Указанные чувствительные рычаги опираются на внутреннюю поверхность установленной на корпусе манжеты, внешняя поверхность которой прижимается к внутренней поверхности трубопровода.

Недостатками данного устройства является нестабильность показаний датчиков, т.к. каждый из чувствительных рычагов кинематически связан с соответствующим ему реостатным датчиком и в результате многократных поворотов контакты реостатов меняют свойства, особенно при использовании в агрессивной среде, и невозможность идентифицировать локальные дефекты трубы, инородные тела, т.к. хотя манжета позволяет избежать ударных нагрузок на чувствительные рычаги, однако отклонение одного из рычагов из-за наличия локального выступа на внутренней поверхности трубопровода приводит к отклонению в меньшей степени соседних рычагов из-за изгиба края манжеты.

Известен шестиканальный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, описанный в патенте США US 3974680, МПК: G01M 3/00, дата публикации 17.08.76, который включает в себя корпус для пропуска внутри контролируемого трубопровода. На корпусе установлены средства обработки, анализа и хранения данных. Корпус состоит из двух подвижно соединенных секций, на каждой из секций корпуса установлены по две манжеты. На второй секции в направлении от носовой части корпуса вокруг главной оси указанной секции корпуса установлены чувствительные средства измерения в виде множества рычагов, чувствительных к неровностям поверхности трубы, таким как сварные швы, прижимаемых пружинами к внутренней поверхности трубопровода. В теле рычагов установлены магниты. На корпусе вокруг его главной оси установлено множество датчиков, чувствительных к магнитному полю вблизи рычагов, так что каждый датчик чувствителен к изменению положения соответствующего ему чувствительного рычага.

Недостатками данного устройства является невозможность выполнения корректных измерений при попадании железосодержащего мусора вместе с транспортируемой средой в пространство между магнитом и датчиком магнитного поля, т.к. описанная система характеризуется сильной нелинейностью магнитного поля в области датчика магнитного поля в зависимости от расстояния между магнитом и датчиком магнитного поля.

Известен профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов [пат. РФ №73943, кл. F17D 5/00, 2008], который включает себя корпус в виде загрузочной камеры, чувствительного средства измерения в виде инжекционного снаряда в виде упругодеформируемого поршня, и средства обработки, анализа и хранения данных, включающих в себя прибор позицирования поршня в контролируемом трубопроводе. Диагностирование сечения трубопровода выполняется путем пропуска инжекционного снаряда в трубопроводе под давлением. При движении инжекционного снаряда в контролируемом трубопроводе на местах сужений или препятствий фиксируется увеличение давления, а в местах увеличения диаметра трубопровода - падение давления. Диагностирование трубопровода выполняется путем пропуска упругодеформируемого поршня в трубопроводе под давлением, при этом работа центробежного насосного агрегата происходит с постоянным оборотом двигателя и при фиксированном положении выкидной задвижки. За счет изменения давления в большую или меньшую сторону и с привязкой этих скачков давления по длине трубопровода определяются аномалии внутреннего сечения трубопровода. Увеличение давления указывает на место сужения проходного сечения трубопровода (наличие отложений, деформация внутреннего покрытия и т.д.), а уменьшение - на увеличение диаметра трубы, отсутствие внутреннего покрытия, наличие врезок или утечек. По величине перепада давления определяются размеры аномалий.

Недостатком данного устройства является небольшая протяженность измерения, а также интегральная погрешность измерений сечения, т.к. появление в одном месте трубопровода расширения сечения может быть скомпенсировано по давлению сужением сечения в другом месте трубопровода.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, принятый за прототип, описанный в патенте США US 5299359, МПК: G01B 7/12, дата публикации 05.04, который включает в себя корпус с установленными на нем манжетами для пропуска внутри контролируемого трубопровода, установленные на корпусе по его периметру вокруг главной оси трубопровода чувствительные средства измерений в виде множества чувствительных рычагов, прижимаемых пружинами к внутренней поверхности трубопровода и скользящих по указанной поверхности. Каждый из чувствительных рычагов кинематически связан с соответствующим ему датчиком перемещения. Сигналы с датчиков перемещения, соответствующие изменению положения чувствительных рычагов, обрабатываются средствами обработки, анализа и хранения данных, установленными в корпусе профилемера, и передаются на средства хранения данных, находящиеся вне корпуса профилемера. Датчик перемещения включает в себя активные токовые обмотки, внутри которых при повороте чувствительных рычагов перемещается ферромагнитное тело.

Недостатками многоканального профилемера является невозможность диагностики труб среднего диаметра D≤100 мм, ограниченная длина трубопроводов, которая может быть проконтролирована, и невозможность внутритрубного контроля магистральных трубопроводов, т.к. необходимо поддерживать связь профилемера со средствами хранения данных, находящимися вне корпуса профилемера, невозможность диагностики многих локальных дефектов, размер которых в плоскости сечения трубы меньше величины зазора между рычагами, т.к. зазоры между рычагами превышают ширину рычагов в месте контакта рычагов с внутренней поверхностью трубопровода в его сечении.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей.

Техническим результатом является возможность диагностики трубопроводов среднего диаметра D≤100 мм, возможность прохождения профилимером сложных трасс за счет сферической формы.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в профилемере для внутритрубного контроля трубопроводов, содержащем установленные на корпусе чувствительные средства измерения, расположенные внутри корпуса средства обработки, анализа и хранения данных, согласно изобретению чувствительные средства измерения выполнены в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки из многомодовых оптических волокон, корпус выполнен в виде сферической оболочки, на упругой поверхности которой расположена широтно-долготная оптоволоконная сетка, а в расположенном внутри корпуса твердом ядре находятся средства обработки, анализа и хранения данных в виде полученных спекл-картин.

Корпус имеет сферическую форму и выполнен в виде твердого ядра с эластичной оболочкой с использованием чувствительных средств измерения в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки, расположенной на оболочке, с дополнительной защитой в виде «глухого» полиуретанового шара. В твердом ядре находятся источники излучения, батарея электропитания, вспомогательные световодные компоненты, фотоприемные элементы, система оптических гироскопов для позиционирования снаряда внутри трубопровода, средства обработки, анализа и хранения данных. Сферическая форма профилемера обеспечивает малую степень застревания в трубопроводе, обладает меньшим числом степеней свободы, легче преодолевает изгибы трасы и задвижки. Чувствительные средства измерения профилемера выполнены в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки из не связанных оптически между собой колец из многомодовых оптических волокон, в каждом из которых используется определенная длина волны света λi. Это обеспечивает простое определение номера (номеров) колец, подвергшихся деформации. Использование оптоволокна обеспечивает компактность и пожаробезопасность профилемера.

Основными признаками, отличающими предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов от известного, является наличие чувствительных средств измерения в виде оптоволоконного сенсора в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки, позволяющего с высокой точностью выполнять диагностику трубопроводов среднего объема, а также выполнение корпуса профилемера в сферической форме, что облегчает прохождение изгибов трассы трубопроводов.

Это дает преимущество перед известными решениями в отношении повышения точности диагностики внутреннего диаметра, уменьшения габаритов профилемера, упрощения конструкции прибора и расширения области применения.

Предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопровода позволяет проводить диагностику трубопроводов, как большого диаметра с D≥1000 мм, так и среднего диаметра с D≤100 мм, обеспечивая высокую точность измерения, чем определяется его широкая промышленная применимость.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на фиг. 1 - блок-схема профилемера для внутритрубного контроля трубопроводов; на фиг. 2 - схема широтно-долготной оптоволоконной сетки.

Устройство содержит широтно-долготную оптоволоконную сетку 1, в которую входит блок CWDM фильтров 2, выход которого соединен с входом входного сегмента 3. Входной сегмент 3, основанный на одномодовом оптическом волокне, выход которого соединен с входом оптического изолятора 4, компенсирующего отражения, оптический изолятор 4, который соединен с входом размножителя мод 5. Размножитель мод 5, выход которого соединен со входом многомодового оптического волокна 6, многомодовое оптическое волокно 6, выход которого соединено с входом селектора мод 7. Селектор мод 7, выход которого соединен со входом выходного сегмента 8, основанного на одномодовом оптическом волокне. Выходной сегмент 8, выход которого соединен с оптическим изолятором 9. Оптический изолятор 9, выход которого соединен с входом блоком фильтров 10. Блок фильтров 10, выход которого соединен со входом разветвителя 1×N 11, разветвитель 1×N 11. Лазерный источник непрерывного излучения 12, выход который соединен с входом широтно-долготный оптоволоконной сетки 1, широтно-долготная оптоволоконная сетка 1, выход которой соединен с входом фотоприемного устройства 13, фотоприемное устройство, выход которого соединен с входом блока обработки и анализа данных 14, блок обработки и анализа данных 14, с входом которого также соединен гироскопический 2D-сенсор 15 и выход которого соединен с блоком хранения данных 16, блок хранения данных 16, выход которого соединен с устройством для Bluetooth-связи 17, защитная оболочка твердого ядра 18, мягкая буферная оболочка 19, защитная полиуретановая оболочка 20.

Устройство работает следующим образом. В процессе прохождения по трубе шар наталкивается на парафиновые и другие наросты, размер и местоположение которых необходимо зафиксировать. При воздействии наростов на защитную полиуретановую оболочку 14 происходит прогиб мягкой буферной оболочки 13 и широтно-долготной оптоволоконной чувствительной сетки 10, состоящей из множества оптоволоконный колец, что приводит к изменению характера оптических сигналов, поступающих в электронную часть профилемера. Изменения записываются в оцифрованном виде с помощью устройства для записи на карту памяти 17 и далее могут быть переданы на станцию с помощью устройства для Bluetooth-связи 18. Переворот/разворот шара фиксирует, т.е. констатирует неизменность ориентации «верх»-«низ» и «право»-«лево» относительно трубы, кроме волоконно-оптических элементов, чувствительных к прогибу, гироскопический 2D-сенсор 11.

Оптоволоконные кольца на поверхности шара расположены равномерно, и прогиб его оболочки приводит к смещению спекл-картины не менее чем в двух кольцах - одном горизонтальном и одном вертикальном. С учетом того, что такое смещение происходит в любом сечении MMF, в том числе и в области селекторов мод 5, на выходе колец 6 происходит изменение мощности. Оптические выходы всех колец объединены через разветвитель 1×N 19 и подключены на вход фотоприемного устройства 15, что позволяет легко определить - по значению длины волны - в каком кольце и на какую величину произошло изменение сигнала.

Чувствительность сенсора зависит от количества темных и светлых пятен спекл-картины - т.е. от ее подробности, а последняя напрямую связана с количеством возбужденных мод в MMF. Из-за того, что большинство распространенных источников света являются маломодовыми, используется размножитель мод 3.

Источник света L 7 являлся широкополосным, излучающим в C+L WDM-диапазоне (от 1528 до 1626 нм). Для получения волновых каналов λi используется блок CWDM фильтров 20, вырезающий диапазоны приблизительно по 4,8 нм.

Для выполнения функции селектора мод 5 применяется Y-разветвитель 1×2, выходной сегмент 6 которого является одномодовым оптическим волокном. Ввиду различия диаметров сердцевин MMF и SMF, на площадь торца SMF поступает только часть спекл-картины, что и приводит к выбору соответствующей части передаваемой оптической мощности.

По отношению к аналогам, предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопровода позволяет с высокой точностью осуществлять измерение диаметра нефте- и газотрубопроводов. Точность измерения обеспечивается чувствительной широтно-долготной оптоволоконной сеткой, реагирующей на давление. Посредством измерения этих изменений происходит фиксация деформации профилемера, а соответственно, наростов на стенах нефте- и газопроводов.

По отношению к прототипу и аналогам предлагаемый профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов позволяет обеспечить возможность диагностики трасс диаметром D≤100 мм за счет сферической формы. Таким образом, предложенный профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов позволяет устранить недостаток современных профилемеров, связанный с невозможностью диагностики труб малого диаметра.

Профилемер для внутритрубного контроля трубопроводов, содержащий установленные на корпусе чувствительные средства измерения, расположенные внутри корпуса средства обработки, анализа и хранения данных, отличающийся тем, что чувствительные средства измерения выполнены в виде широтно-долготной оптоволоконной сетки из многомодовых оптических волокон, корпус выполнен в виде сферической оболочки, на упругой поверхности которой расположена широтно-долготная оптоволоконная сетка, а в расположенном внутри корпуса твердом ядре находятся средства обработки, анализа и хранения данных в виде полученных спекл-картин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области материаловедения и может использоваться для оценки микронеровностей на плоских поверхностях без применения специальных дорогостоящих измерительных средств.

Изобретение относится к способам определения складок. Устройство определения складок включает в себя: световой проектор, который при перемещении относительно многослойного объекта, сформированного посредством укладки электродов и сепараторов, проецирует щелевой свет на крайний внешний из сепараторов, также свет проецируется на камеру, которая выполняет съемку формы щелевого света на сепараторе; и модуль управления, который вычисляет градиент сепаратора на основе отснятой формы щелевого света и определяет наличие складки на основе вычисленного градиента.

Изобретение относится к технике проведения измерений и определения отклонений от плоскостности плоских поверхностей различной площади и протяженности, в частности поверочных, монтажных и разметочных плит, элементов технологического оборудования и устройств, требующих обеспечения плоскостности или горизонтальности установки.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов относится к информационно-измерительной технике. При измерении шероховатости направляют на измеряемую поверхность пучок зондирующего излучения, формируют область освещенной излучением поверхности, измеряют характеристики отраженного излучения, изменяют размер освещающего пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию распределения среднеквадратического отклонения высоты шероховатости зависимости Rq(x) и ее производную Rq'x(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле: R a = 1 L ∫ 0 L R q 2 ( x ) + 2 R q ( x ) R q x ' ( x ) x d x ,                           ( 1 ) причем поверхность освещают поочередно на двух длинах волн, регистрируют в направлении зеркального отражения оптические изображения освещаемых областей поверхности объекта, а среднеквадратическое значение высоты неровностей Rq определяют по формуле: R q = λ 1 λ 2 π cos ψ ⋅ − ln k 12 + ln a λ 1 2 − λ 2 2 ,                     ( 2 ) k12 - отношение видеосигналов для всех элементов; i и j изображений; uij - величины видеосигналов изображений, полученных на длинах волн λ1 и λ2; ψ - угол освещения пластины; N - число элементов в строке изображения поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта; K - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта.

Устройство относится к средствам контроля геометрических параметров макродефектов внутренней поверхности труб, например, нефтяного сортамента. Заявленное устройство контроля макродефектов на внутренней поверхности труб содержит излучатель, приемник излучения, цилиндрический корпус направляющую трубу, механически связанную с электроприводом и установленную вдоль оси корпуса, концевой выключатель, блок управления, блок питания, связанный через блок управления с концевым выключателем, при этом на внутренней поверхности цилиндрического корпуса выполнены симметричные пазы, в каждый из которых установлены четыре пары направляющих роликов с шагом в 90°, ось каждого ролика жестко связана с кронштейном, имеющим возможность перемещения вдоль нормали к поверхности цилиндрического корпуса, при этом каждый кронштейн подпружинен относительно цилиндрического корпуса, другой конец пружины опирается на датчик давления, направляющая труба установлена с помощью подшипников в цилиндрическом корпусе с возможностью вращательного движения, направляющая труба и цилиндрический корпус связаны между собой зубчатой парой, одно из колес которой связано с электроприводом, на одной оси с корпусом установлен с возможностью осевого перемещения шток, опирающийся на пружину, второй конец пружины опирается на датчик давления установленный на фланце цилиндрического корпуса, при этом на части штока, находящейся вне внутренности цилиндрического корпуса, концевой выключатель установлен на штоке вне корпуса и касается торца контролируемой трубы, на торце направляющей трубы укреплен излучатель, перед излучателем размещена мембрана, в которой выполнены параллельные щели, имеющая угол наклона в сторону приемника излучения, в направляющей трубе выполнено окно между мембраной и приемником излучения.

(57) Способ осуществляют при помощи устройства (10), содержащего датчик изображений, световой источник (26) освещения и средства (18, 22) относительного перемещения датчика (24) изображений, светового источника (26) и механической детали (14).

Способ визуально-оптического контроля поверхности глазом или с помощью микроскопа заключается в том, что между эталонной и контролируемой поверхностями помещают слой жидкости толщиной не более 10 мкм с показателем преломления больше, чем у контактирующих с ней оптических деталей, вводят в этот слой лазерное излучение, идущее по слою с полным внутренним отражением, и наблюдают свет, сконцентрированный и рассеянный на аномалиях и дефектах поверхности.

Способ для позиционирования объекта, топографию поверхности которого получают на сенсорной системе, имеющей комплект двигателей для вращения объекта вокруг оси двигателя, перпендикулярной оптической оси сенсорной системы, и для перемещения объекта в направлениях X, Y и Z, содержит этапы: определяют позицию оси двигателя относительно базовой позиции в базовой системе координат; позиционируют сенсорную систему и/или объект в желаемой позиции и получают рельефную карту области в зоне обзора сенсорной системы; рассчитывают нормаль, отображающую топографию рельефной карты области; определяют угловое расхождение между нормалью и оптической осью сенсорной системы и сопоставляют его с пороговым углом для определения того, перпендикулярна ли поверхность области оси сенсорной системы.

Устройство содержит источник белого света (1) в виде LED-полоски (40), коллимационный блок (4), блок спектрометра для расщепления луча белого света (30) на луч мультихроматического света (31), направляемый на тестируемое изделие (5) под заданным углом падения, и камеру (3) для записи отраженного луча монохроматического света (32), так что информация о высоте поверхности по оси z тестируемого изделия (5) может извлекаться из значения оттенка отраженного луча (32) при относительном перемещении тестируемого изделия (5) по направлению (9) сканирования по оси x.

Изобретение может быть использовано для получения изображения микрорельефа объекта, имеющего большую площадь поверхности. Устройство включает платформу, на которой расположен объект и которая способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп и который способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси.

Изобретение относится к области измерительной техники и может служить для бесконтактного автоматизированного контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндрической поверхности, например ракетной шахты. Видеоизмерительное устройство для контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндрической поверхности содержит телекамеру и экран, неподвижно закрепляемые над контролируемой поверхностью, и перемещаемый внутри этой поверхности корпус с закрепленными на нем визирными марками, находящимися в поле зрения телекамеры. При этом в корпусе устройства установлена вертикальная полая ось и связанные с ней шаговый двигатель и датчик угла. Внутри полой оси установлен лазерный дальномер, на полой оси закреплено вращаемое зеркало и параллельно с ним, когда оно находится в исходном угловом положении, установлено неподвижное зеркало. Кроме того, когда вращаемое зеркало находится в исходном положении, луч лазерного дальномера отклоняется в горизонтальном направлении на неподвижное зеркало, отклоняющее его в вертикальном направлении на экран, а при других положениях вращаемого зеркала луч лазерного дальномера направляется в горизонтальной плоскости на контролируемую поверхность. Технический результат - повышение точности измерений. 2 ил.
Наверх