УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДВУХ И БОЛЕЕ ИНСПЕКЦИОННЫХ ПРОПУСКОВ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения положения трубопровода в пространстве и в том числе в горизонтальной и вертикальной плоскостях при эксплуатации и строительстве трубопроводов.

Известно устройство для измерения пространственного положения трубопроводов (патент №1809297 A1 (RU) от 15.04.1993), содержащее платформу с размещенными на ней датчиками угла наклона в горизонтальной и вертикальной плоскостях, датчик пройденного расстояния, оснащенное с целью повышения точности и производительности измерений корпусом. На корпусе установлены эластичные манжеты для базирования устройства в трубопроводе. Датчик угла наклона выполнен в виде гировертикали, а датчик наклона в горизонтальной плоскости - в виде гирополукомпаса. Устройство снабжено системой вторичных преобразователей, коммутатором, аналогово-цифровым преобразователем и микроконтроллером.

Известно устройство для определения пространственного положения магистральных трубопроводов (патент №1404815 A1 (SU) от 23.06.1988). Устройство содержит корпус с гиросистемой, состоящей из гирокомпаса, гировертикали и датчика положения корпуса, выполненный в виде излучателя, скрепленного с гиросистемой. Корпус предназначен для установки в трубопроводе. Гиросистема снабжена фоконной матрицей, торцы которой оптически сопряжены с излучателем, со светочувтвительной лентой, обладающей возможностью перемещения в корпусе.

Известно устройство контроля внутренней поверхности, пространственного положения и напряженного состояния трубопровода (патент №2106569 C1 (RU) от 10.03.1998). Устройство имеет измерительный модуль, состоящий из контейнера, внутри которого расположена аппаратура измерения плановых и высотных меток, состоящей из цифрового вычислительного комплекса и трехосного гиростабилизатора с гироблоком и акселерометром. На наружной поверхности контейнера расположен второй датчик пути, соединенный с аппаратурой измерения плановых и высотных меток.

Недостатками выше указанных устройств являются автономность полученных данных, что влечет за собой погрешности определения положения трубопровода; а также полученные навигационные данные, не отражают всех параметров положения трубопровода, таких как углы и радиусы изгиба трубопровода в пространстве.

Известна аппаратура для измерения линейных деформаций магистрального трубопровода (патент №2334162 C1 от 20.09.2008), содержащая струнные датчики деформации, установленные в различных сечениях магистрального трубопровода с определенным одинаковым шагом. Аппаратура дополнительно содержит приемник спутниковой радионавигационной системы, мультиплексор, микропроцессор, запоминающее устройство начального уровня, аналогово-цифровой преобразователь. Недостатком данного изобретения является стационарная установка датчиков деформации, что не позволяет получить полную информацию об изменении положения трубопровода.

Цель изобретения состоит в создании устройства диагностического комплекса для определения положения трубопровода (далее ДКОПТ) с использованием глобальной навигационной спутниковой систему GPS или/и GLONASS, которое повышает точность измерений пространственного положения трубопровода с учетом корректирующих точек, а также повышает точность измерений углов изгиба трубопровода - тангажа и азимута, и радиусов изгиба в каждой точке трубопровода с учетом вращения Земли; а также в способе определения относительного перемещения трубопровода по результатам двух и более инспекционных пропусков ДКОПТ, наглядно позволяющем определить перемещение трубопровода в пространстве путем сравнения более поздних траекторий трубопровода с базовой.

Технический результат достигается тем, что заявленное устройство ДКОПТ состоит из аппаратной части (далее АЧ) и программной части. Аппаратная часть ДКОПТ установлена на внутритрубный инспекционный прибор (далее ВИП). Аппаратная часть состоит из набора датчиков: акселерометр, связанный с осью X бесплатформенной инерционной навигационной системы (далее БИНС), акселерометр, связанный с осью Y БИНС, акселерометр, связанный с осью Z БИНС, гироскоп, связанный с осью X БИНС, гироскоп, связанный с осью Y БИНС, гироскоп, связанный с осью Z БИНС, одометр. Программная часть состоит из алгоритмов определения навигационных параметров в следующей последовательности: расчет линейной скорости при этом определение движения внутритрубного инспекционного прибора происходит по данным, полученным от аппаратной части устройства диагностического комплекса для определения положения трубопровода; выставка, то есть определение положения в пространстве ВИП производится определением начальных углов азимута и тангажа в прямоугольной системе координат Север-Восток-Высота с учетом вращения Земли и заданным геодезическим координатам ВИП в течение первых нескольких минут, когда ВИП неподвижен; расчет навигационных параметров происходит с использованием значение дискрета времени между отчетами акселерометров и гироскопов и показаниями одометра с определением соответствующих углов: крена, тангажа, азимута; расчет радиусов изгиба трубопровода как в вертикальном, так и горизонтальном направлении; коррекция траектории происходит при использовании координат корректирующих точек, полученных привязкой конкретных точек трубопровода к геодезическим координатам в системе Север-Восток-Высота с использованием глобальной спутниковой навигационной системы GPS или/и GLONASS. Данные переписываются с АЧ ДКОПТ, и расчет навигационных параметров производится на ЭВМ с помощью специальной программы. Таким образом, данные, полученные с АЧ ДКОПТ представляют собой массив, содержащий показания трех акселерометров и трех гироскопов в связанной с ортогональными осями БИНС и соответственно с ВИП прямоугольной системой координат и показания одометра. При этом ось у БИНС соответствует продольной оси ВИП. После инспекционного пропуска по трубопроводу ВИП массив данных переписывается с АЧ ДКОПТ, и расчет всех навигационных параметров производится на ЭВМ с помощью специальной программы. Используя данные ДКОПТ с использованием глобальной навигационной спутниковой системы GPS или/и GLONASS, повышается точность измерений пространственного положения трубопровода с учетом корректирующих точек. Величина и направления перемещения трубопровода определяются по результатам двух и более инспекционных пропусков по одному и тому же участку трубопровода.

Способ определения относительного перемещения трубопровода по результатам двух и более инспекционных пропусков ДКОПТ состоит в том, что используются данные измерения величин и направлений линейных перемещений участка трубопровода по результатам двух и более инспекционных пропусков ВИП с установленным на нем ДКОПТ по одному и тому же участку трубопровода с одним и тем же направлением потока рабочей среды. Данные, полученные с ДКОПТ, располагаются по таблицам и совмещаются по дистанциям. Используются данные, полученные с ДКОПТ, для вычисления максимальной величины, направления и угла перемещения трубопровода.

Данные пропуска ВИП с установленной на нем АЧ ДКОПТ с более ранней датой считаются базовыми, а данные последующих пропусков сравниваются с базовыми. Критерием наличия перемещения трубопровода на инспектируемом участке является превышение модуля разностной кривизны заданного порогового значения.

Предложенный способ определения относительного перемещения трубопровода по результатам двух и более инспекционных пропусков ДКОПТ наглядно позволяет определить перемещение трубопровода в пространстве.

На фиг.1 изображена аппаратная часть ДКОПТ, включающая в себя набор датчиков.

1. акселерометр, связанный с ортогональной осью X БИНС, ах [м/с²];

2. акселерометр, связанный с ортогональной осью Y БИНС, ay [м/с²];

3. акселерометр, связанный с ортогональной осью Z БИНС, az [м/с²];

4. гироскоп, связанный с ортогональной осью Х БИНС, gx [рад/С];

5. гироскоп, связанный с ортогональной осью Y БИНС, gy [рад/С];

6. гироскоп, связанный с ортогональной осью Z БИНС, gz [рад/с];

7. одометр, b_j [имп.].

На фиг.2 изображена блок-схема алгоритмов определения навигационных параметров программной части ДКОПТ:

8. «Начало»;

9. «Получение данных (по акселерометрам, гироскопам и одометру) для значений сканов j=1…N;

10. алгоритм «Расчет линейной скорости»;

11. алгоритм «Выставка», то есть определение положение ВИП в пространстве;

12. алгоритм «Расчет навигационных параметров»;

13. алгоритм «Расчет радиусов»;

14. алгоритм «Коррекция траектории»;

15. «Вывод данных»;

16. «Конец».

На фиг.3 изображена траектория залегания трубопровода, выявленная по результатам базового пропуска ДКОПТ:

17. точка начала участка перемещения инспектируемого участка трубопровода с координатами x₁, y₁, z₁;

18. точка конца участка перемещения инспектируемого участка трубопровода с координатами x₂, y₂, z₂;

На фиг.4 изображена траектория залегания трубопровода, выявленная по результатам повторного пропуска ДКОПТ:

19. точка начала участка перемещения инспектируемого участка трубопровода с координатами , , ;

20. точка конца участка перемещения инспектируемого участка трубопровода с координатами , , ;

На фиг.5 изображены выделенные горизонтальная и вертикальная составляющие кривизны трубопровода, выявленные по результатам базового пропуска ДКОПТ:

21. вертикальная составляющая кривизны трубопровода, EV;

22. горизонтальная составляющая кривизны трубопровода, ЕН.

На фиг.6 изображены выделенные горизонтальная и вертикальная составляющие кривизны трубопровода, выявленные по результатам повторного пропуска ДКОПТ:

23. вертикальная составляющая кривизны трубопровода, EV;

24. горизонтальная составляющая кривизны трубопровода, ЕН;

На фиг.7 изображено определение направления вектора перемещения трубопровода и угол направления перемещения трубопровода:

25. единичный вектор направления оси трубопровода, ;

26. плоскость, перпендикулярная единичному вектору , р;

27. рассчитанный вектор перемещения оси трубопровода, ;

28. проекция рассчитанного вектора перемещения оси трубопровода на плоскость р, ;

29. единичный вектор вертикали, ;

30. проекция вертикали на плоскость р, ;

31. искомый угол направления перемещения трубопровода, α.

ДКОПТ состоит из аппаратной части и программную часть. АЧ (фиг.1) включает в себя акселерометры 1, 2, 3 (фиг.1), гироскопы 4, 5, 6 (фиг.1) в связанной с БИНС и соответственно с ВИП прямоугольной системе координат и одометра 7 (фиг.1). Данные, полученные с АЧ ДКОПТ представляют собой массив, содержащий показания трех акселерометров 1, 2, 3 (фиг.1) и трех гироскопов 4, 5, 6 (фиг.1) в связанной с ортогональными осями БИНС и соответственно с ВИП прямоугольной системе координат и показания одометра 7 (фиг.1). Программная часть состоит из алгоритмов определения навигационных параметров на основе данных с АЧ ДКОПТ для значения сканов j=1…N 9 (фиг.2) в следующей последовательности:

Алгоритм «Расчет линейной скорости» 10 (фиг.2): используя показания одометра и показания таймера импульсов одометра, рассчитывается скорость движения ДКОПТ:

s_j=b_jf₀,

V=F{S, L, c}/Δt, где

f₀ - одометрический фактор;

s_j - пройденный путь;

S=[s₁, s₂ … s_N], V=[v₁, v₂ … v_N] - линейная скорость;

Δt - дискрет времени;

F{•, L, c} - фильтрация скользящих средним с прямоугольным окном: P_f=F{S, L, c],

P_f=[p_f1 p_f2 … p_fN];

- среднее по выборке проранжированных по возрастанию данных P_r, исходными для которых является массив [p_j-L … p_j … p_j+L] для j-отсчета;

j-L>0, j+L<N, L - половина ширины окна фильтра;

с - удаляемое количество проранжированных данных в долях единицы.

Алгоритм «Выставка», то есть определение положения ВИП в пространстве 11 (фиг.2): в начальный момент времени пропуска ВИП остается неподвижен несколько минут. Этот промежуток времени отслеживается по значениям скорости движения, полученной на предыдущем этапе. В это время производится выставка БИНС. По вращению Земли и заданным геодезическим координатам ВИП определяются начальные углы азимута и тангажа в прямоугольной системе координат Север-Восток-Высота. В дальнейшем при расчете прохождения ВИП по трубопроводу определяемые значения этих углов позволяют учесть вращение Земли и вычесть соответствующую компоненту угловой скорости Земли из показаний гироскопов. Таким образом, вращение Земли практически не оказывает влияния на определяемые навигационные параметры. Режим выставки подразделяется на два этапа: грубая и точная выставки.

Грубая выставка - приближенное вычисление параметров:

γ_c=-arctg(α_xM/α_zM),

,

Где arctg(•) - вычисление арктангенса с учетом квадранта аргументов;

, i=x, y, z, L_c - количество отсчетов, отводимых на грубую выставку, во время которой ВИП неподвижен;

γ_с - угол крена;

θ_с - угол тангажа;

Точная выставка - уточнение параметров проводится в несколько этапов:

Первый этап:

,

,

, где

- начальное значение нормированного полного кватерниона, полученного из углов Эйлера;

- начальное значение угловой скорости Земли;

j=L_c … L_a, L_a - количество отсчетов, отводимых на точную выставку, в это время ВИП неподвижен;

i=ω, g, φ_A - широта точки выставки;

γ_j, θ_j, ψ_j, x_j - соответственно текущие углы крена, тангажа, азимута, угол направления на географический север - азимут навигационной системы координат;

ω_E - угловая скорость Земли;

c₁…c₆ - константы.

Второй этап:

, где

K_j - текущее значение нормированного полного кватерниона.

Третий этап

Четвертый этап:

Пятый этап

Далее идет расчет текущего значения угловой скорости:

,

,

,

,

,

,

,

, где

B_j - приращение линейной скорости на текущем кванте времени;

и - параметры петли обратной связи по оценке угловой скорости вращения прибора в горизонтальной плоскости;

* - символ принадлежности к связанной системе координат.

Навигационная система координат (далее НСК) представляет собой прямоугольную систему координат, начало которой связано с точкой выставки, основная плоскость - плоскость местного горизонта, одна ось направлена вверх. При преобразовании из НСК в связанную систему и наоборот в результирующий вектор входят последние три элемента перемножения.

Алгоритм «Расчет навигационных параметров» 12 (фиг.2) делится на несколько этапов:

,

,

.

Второй этап

По математическим выражениям первого и второго этапов «Точной выставки» алгоритма «Выставка» определяется ориентация ВИП, а по математическим выражениям третьего, четвертого и пятого этапов «Точной выставки» алгоритма «Выставка» определяются соответствующие углы:

,

,

,

,

.

Данные по скорости и углам позволяют определить скорости в системе координат Север-Восток-Высота. Интегрируя эти скорости по времени, получаются значения соответствующих координат:

,

,

,

,

,

,

,

, где

и W_j - начальное и текущее значения нормированного кватерниона, определяющего угловое положение НСК;

j=L_a … N;

и Ω_j - начальное и текущее значения вектора угловой скорости Земли в НСК;

Σ_j - вектор транспортирующей угловой скорости;

Z_j - элементы третьего столбца матрицы направляющих косинусов по компонентам нормированного кватерниона;

- вектор линейных скоростей в НСК;

, , , e_j, n_j, u_j - соответственно скорости и координаты по осям Восток-Север-Высота;

e_k - эксцентриситет Земли;

r_e - экваториальный радиус Земли.

Алгоритм «Расчет радиусов» 13 (фиг.2): так как изгиб трубопровода может происходить как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, можно выделить горизонтальную и вертикальную составляющие кривизны, где кривизной изгиба трубопровода называется величина, обратная радиусу изгиба трубопровода. Для вычисления кривизн траектории используются значения линейной скорости прибора и углов азимута и тангажа. Значение горизонтальной кривизны определяется как отношение производной по времени от азимута к линейной скорости, вертикальной - как отношение производной по времени от тангажа к линейной скорости.

,

,

,

,

,

,

,

,

где и - соответственно горизонтальный и вертикальный малые радиусы;

и - соответственно горизонтальный и вертикальный большие радиусы.

j=L_a … N, ΔS_j=S_j-S_j-1,

Δψ_j=ψ_j-ψ_j-1,

Δθ_j=θ_j-θ_j-1, где

ΔS - фиксированное значение базовой дистанции для определения больших радиусов, в этом случае приращение угла определяется по значениям углов на краях ΔS, а значение рассчитанного радиуса ставится в соответствии точке посередине ΔS,

и - соответствующие средние оценки углов на базовой дистанции; , , , и аналогично для векторов радиусов с индексом f, где

L_s, L_B - соответствующие параметры окна фильтра.

Алгоритм «Коррекция траектории» 14 (фиг.2): при использовании координат корректирующих точек, полученных на основе данных спутниковой системы GPS или (и) GLONASS, происходит коррекция полученной траектории и ее перенос на координатную сетку Север-Восток-Высота:

ΔE=I{ΔE′, K, M},

e_j=e_j+Δe_j,

ΔN=I{ΔN′, K, M},

n_j=n_j+Δn_j,

ΔU=I{ΔU′, K, M],

u_j=u_j+Δu_j, где

Δe_j, Δn_j, Δu_j - корректирующие добавки по соответствующим осям;

j=L_a … N, ΔЕ=[Δe_LaΔe_La+1 … Δe_N], ΔN=[Δn_LaΔn_La+1 … Δn_N], ΔU=[ΔU_LaΔu_La+1 … Δu_N];

|{•, K, M] - операция линейной интерполяции К значений на М=N-L_a;

, , - соответствующие разницы по координатам корректирующих точек и точек полученной траектории для соответствующих дистанций;

, , , k=1 … K, - координаты корректирующей точки для , дистанции (дистанция, для которой измерены координаты корректирующей точки);

[e_kn_ku_k] - координаты корректируемой траектории для s_k дистанции, при этом две указанные дистанции должны быть максимально близки;

K - количество корректирующих точек.

Способ определения величины и направления перемещения трубопровода по результатам двух и более инспекционных пропусков ДКОПТ предполагает использование данных по измеренным БИНС навигационным параметрам одного и того же участка трубопровода. Предложенный способ определения относительного перемещения трубопровода по результатам двух и более инспекционных пропусков ДКОПТ наглядно позволяет определить перемещение трубопровода в пространстве. Расположенная по таблицам информация о пропусках ДКОПТ по одному и тому же участку трубопровода совмещается по дистанциям. Пропуск ДКОПТ по инспектируемому участку трубопровода с более ранней датой считается базовым (фиг.3). Последующий пропуск ДКОПТ по инспектируемому участку трубопровода (фиг.4) сравниваются с базовым. Прогиб участка трубопровода может происходить как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Для этого выделяются вертикальная составляющая кривизны изгиба трубопровода: базовая 21 (фиг.5) и последующая 23 (фиг.6), и горизонтальная составляющая кривизны изгиба трубопровода: базовая 22 (фиг.5) и последующая 24 (фиг.6). Кривизной изгиба участка трубопровода называется величина, обратная радиусу изгиба участка трубопровода:

E=1/R, где

R - радиус изгиба участка трубопровода.

Между повторным и базовым пропусками ДКОПТ по участку инспектируемого трубопровода вычисляется разностный вектор:

, где

ЕН 22 (фиг.5) и ЕН′ 24 (фиг.6) соответственно горизонтальная составляющая кривизны, выявленная по результатам базового пропуска ДКОПТ по участку инспектируемого трубопровода, и горизонтальная составляющая кривизны, выявленная по результатам последующего пропуска ДКОПТ по участку инспектируемого трубопровода;

EV 21 (фиг.5) и EV′ 23 (фиг.6) соответственно вертикальная составляющая кривизны, выявленная по результатам базового пропуска ДКОПТ по участку инспектируемого трубопровода, и вертикальная составляющая кривизны, выявленная по результатам последующего пропуска ДКОПТ по участку инспектируемого трубопровода. Модуль разностной кривизны:

.

Превышение модуля разностной кривизны выше некоторого заданного порогового значения является критерием наличия перемещения на инспектируемом участке трубопровода.

Из навигационных данных определяются координаты точки начала участка перемещения 17 (фиг.3) и конца участка перемещения 18 (фиг.3) инспектируемого участка трубопровода при базовом пропуске ДКОПТ. При повторном пропуске ДКОПТ по инспектируемому участку трубопровода точки начала и конца участка перемещения соответственно 19 (фиг.4) и 20 (фиг.4).

Для того, чтобы вычислить величину вертикального перемещения внутри участка, необходимо приравнять координаты на границах участка перемещения инспектируемого участка трубопровода, а затем вычислить разницу координат внутри участка. Для этого рассчитывается:

где Z₁ и Z₂ соответственно вертикальные координаты начала и конца участка перемещения инспектируемого участка трубопровода при базовом пропуске ДКОПТ;

и соответственно вертикальные координаты начала и конца участка перемещения инспектируемого участка трубопровода при последующем пропуске ДКОПТ.

После этого вычисляется фактическая разность координат по вертикали в точке р инспектируемого участка трубопровода между базовым и повторном пропусках ДКОПТ на инспектируемом участке трубопровода:

, где

L - длина участка перемещения;

L₁- дистанция от начала участка перемещения до выбранной точки р.

Для того, чтобы вычислить величину горизонтального перемещения внутри участка перемещения инспектируемого участка трубопровода, необходимо развернуть траектории базового и повторного пропуска ДКОПТ в горизонтальной плоскости таким образом, чтобы координаты начала и конца участка перемещения по оси Y стали нулевыми. Для этого рассчитываются координаты развернутых траекторий:

Фактическая разность координат в горизонтальной плоскости:

Использование раздельной процедуры расчета перемещений в вертикальной и горизонтальной плоскости позволяет снизить ошибки определения перемещений, когда траектории трубопровода при базовом и последующем пропусках в горизонтальной плоскости стремятся к ортогональному положению.

Абсолютная величина перемещения:

Максимальная величина перемещения участка трубопровода может быть определена как максимальное значение абсолютного перемещения.

Направление рассчитанного вектора перемещения 27 (фиг.7) необходимо определить в плоскости 26 (фиг.7), перпендикулярной оси трубопровода, за 0° принимается положение «на 12 часов». Внутри участка перемещения участка инспектируемого трубопровода вычисляются векторы направления движения. Точками начала и конца вектора предлагается установить координаты сварных швов отдельных секций трубопровода.

Единичный вектор направления оси трубопровода 25 (фиг.7):

где

,; , , - координаты начала отдельной секции трубопровода;

, , - координаты конца отдельной секции трубопровода;

n_x, n_y, n_z - координаты единичного вектора 25 (фиг.7).

Рассчитанный вектор перемещения 27 (фиг.7):

Проекция рассчитанного вектора перемещения 28 (фиг.7), перпендикулярная направлению движения рабочей среды, трубопровода рассчитывается по формуле:

Затем рассчитывается коэффициент:

Тогда с учетом рассчитанного коэффициента проекция рассчитанного вектора перемещения 28 (фиг.7) -

где

Δp_x, Δp_y, Δp_z - координаты проекции рассчитанного вектора 28 (фиг.7) на плоскость 26 (фиг.7).

Проекция вертикали 30 (фиг.7) на плоскость 28 (фиг.7), перпендикулярную направлению движения рабочей среды в трубопроводе:

где

z_PX, z_PY, z_PZ - координаты проекции вертикали 30 (фиг.7) на плоскость 28 (фиг.7).

Косинус искомого угла направления перемещения 31 (фиг.7) находится по формуле:

Направление перемещения:

S=n_VX·n_X+n_VY·n_Y+n_VZ·n_Z,

Если S>0, α=arccosC. Если S<0, α=360-arccosC.