система определения координат трассы подземного трубопровода
Классы МПК: | G01B17/00 Измерительные устройства, отличающиеся использованием инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых колебаний F17D5/00 Защитные устройства или устройства для наблюдения за оборудованием |
Автор(ы): | Плотников П.К., Синев А.И., Никишин В.Б., Рамзаев А.П. |
Патентообладатель(и): | Саратовский государственный технический университет, Инженерно-технический центр "Орггаздефектоскопия" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-09-17 публикация патента:
27.01.2003 |
Изобретение относится к устройствам контрольно-измерительной техники и предназначено для определения географических координат точек продольной оси подземного газонефтепровода. Система определения координат трассы подземного трубопровода содержит внутритрубный инспектирующий снаряд, который включает герметичный контейнер, эластичные манжеты, датчик пути, блок вычислений и управления, регистратор, трехкомпонентный гироскопический измеритель угловой скорости, трехкомпонентный акселерометр, три ряда расположенных по окружностям ультразвуковых приемопередающих преобразователей, акселерометр широкого диапазона измерения по продольной оси контейнера, три усилителя, датчики сигналов маркеров с аналого-цифровым преобразователем и контроллером, датчик температуры. Ультразвуковые приемопередающие преобразователи расположены попарно и диаметрально противоположно на внешней поверхности по n в каждом ряду в носовой, хвостовой и средней частях контейнера. Усилители соединены своими входами с выходами трехкомпонентного измерителя угловой скорости. Акселерометр широкого диапазона измерения, три усилителя, датчики сигналов маркеров с аналого-цифровым преобразователем и контроллером, датчик температуры расположены внутри контейнера и соединены через первую системную шину с регистратором. Технический результат состоит в исключении нарастания со временем погрешностей определения координат трассы трубопровода. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
1. Система для определения координат трассы подземного трубопровода, содержащая внутитрубный инспектирующий снаряд, включающий герметичный контейнер, эластичные манжеты, жестко закрепленные в носовой и хвостовой частях контейнера, последовательно соединенные датчик пути, установленный на внешней поверхности контейнера, блок вычислений и управления и регистратор, трехкомпонентный гироскопический измеритель угловой скорости и трехкомпонентный акселерометр, размещенные внутри контейнера, три ряда расположенных по окружностям ультразвуковых приемопередающих преобразователей, расположенных попарно и диаметрально противоположно на внешней поверхности по n в каждом ряду в носовой, хвостовой и средней частях контейнера, подключенные к информационным входам блока вычислений и управления, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены акселерометр широкого диапазона измерения по продольной оси контейнера, три усилителя, соединенные своими входами с выходами трехкомпонентного измерителя угловой скорости, датчики сигналов маркеров с аналого-цифровым преобразователем, контроллером и датчик температуры, которые расположены внутри контейнера и соединены через первую системную шину с регистратором. 2. Система для определения координат трассы подземного трубопровода по п. 1, отличающаяся тем, что регистратор выполнен в виде переносного долговременного запоминающего устройства, а блок вычислений и управления - в виде бортового процессора и наземной подсистемы в составе блоков ввода данных маркерных точек, переключения диапазонов гироскопических измерителей угловой скорости и переключения продольных акселерометров, вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, вычисления оценок параметров ориентации, идентификации смещения нулей гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров, а также устройства согласования, сумматора, вычислителя декартовых координат, фильтра нижних частот, детектора уровня вибрации и устройства сравнения, причем выходы переносного долговременного запоминающего устройства по каналам измерения угловых скоростей и линейных ускорений соединены через вторую системную шину с блоком переключения диапазонов измерителей угловой скорости и акселерометров, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов блока идентификации смещения нулей инерциальных датчиков и через сумматор с первыми группами входов блока вычисления оценок параметров ориентации и блока вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, вторая группа входов которого соединена с второй группой выходов блока переключения диапазонов гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров, а два выхода соединены с соответствующими входами блока вычисления оценок параметров ориентации, третий вход которого соединен через вторую системную шину и устройство согласования с одним из выходов блока ввода данных маркерных точек, остальные выходы которого через устройство согласования и вторую системную шину связаны с второй группой входов блока идентификации смещения нулей инерциальных датчиков, третья группа выходов переносного долговременного запоминающего устройства через вторую системную шину соединены с соответствующими входами блоков вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, идентификации смещения нулей инерциальных датчиков, а также вычислителя декартовых координат, вычисления оценок параметров ориентации, выходы которого соединены с четвертой группой входов блока идентификации смещения нулей инерциальных датчиков и второй группой входов вычислителя декартовых координат, выходы которого соединены с пятой группой входов блока идентификации смещения нулей инерциальных датчиков, группа выходов которого соединена с второй группой входов сумматора, а два одиночных выхода соединены с соответствующими входами блоков вычисления оценок параметров ориентации и вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, выход переносного долговременного запоминающего устройства по каналу измерения температуры через вторую системную шину соединен с соответствующим входом блока идентификации смещения нулей инерциальных датчиков, кроме того, ультразвуковые приемопередающие преобразователи соединены через вторую системную шину, фильтр нижних частот и детектор уровня вибрации с входами устройства сравнения.Описание изобретения к патенту
Система относится к устройствам контрольно-измерительной техники. Она предназначена для определения географических координат точек продольной оси подземного газонефтепровода с помощью бесплатформенной инерциальной системы ориентации и навигации, а также датчика пути и других приборов, устанавливаемых на борту внутритрубного инспектирующего снаряда и на земле. Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями. Известна "Инерциальная система контроля за трубопроводом" (Pat. USA 4945775, G 01 C 9/06, 1990), содержащая снаряд-носитель, имеющий несколько уретановых скребков для обеспечения движения снаряда, бесплатформенную инерциальную систему навигации, включающую триаду акселерометров и гироскопов, одометры, вычислитель, устройства и датчики неинерциальной природы для диагностики состояния трубопровода. Недостатком данной системы является сложность и необходимость применения бесплатформенной инерциальной системы и одометров высокой точности, что во многих случаях неприемлемо для реализации из-за чрезмерно высокой стоимости. Имеется изобретение "Устройство для определения места дефекта трубопровода" (А. с. 1770750, G 01 D 5/00, 1992, БИ 39), которое содержит маркерные станции, установленные вдоль трубопровода, снаряд-дефектоскоп, причем маркерные станции содержат таймеры, а снаряд-дефектоскоп - высокостабильные таймеры и измерители пройденного пути, при этом устройство содержит блок синхронизации и хранения информации, синхровыход которого соединен со входом синхротаймера каждой маркерной станции, входом синхротаймера снаряда-дефектоскопа, а информационный вход блока синхронизации и хранения информации присоединен к информационному выходу маркерной станции. Недостатком данного устройства является недостаточная точность определения географических координат трассы трубопровода по той причине, что они с нужной точностью определены только для мест установки маркерных станций. Места дефектов привязываются к ним только по времени и расстоянию вдоль трубы. Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является "Устройство для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов" (Патент РФ 2102704, G 01 В 17/02, 1998, БИ 2). Устройство содержит герметичный контейнер, эластичные манжеты, жестко закрепленные в носовой и хвостовой частях герметичного контейнера, последовательно соединенные датчик пути, установленный на внешней поверхности контейнера, блок вычислений и управления и регистратор, размещенные внутри герметичного контейнера, ультразвуковой измеритель радиальных расстояний, состоящий из n ультразвуковых приемопередающих преобразователей, расположенных попарно и диаметрально противоположно на внешней поверхности герметичного контейнера, и расположенного внутри контейнера измерительного модуля, первая группа выходов которого подключена к шине ввода, а первая группа входов - к управляющей шине блока вычислений, вторая группа выходов - к передатчикам, а вторая группа входов - к приемникам ультразвукового приемопередающего преобразователя, при этом оно снабжено трехкомпонентным гироскопическим измерителем угловой скорости и трехкомпонентным акселерометром, подключенными к информационным входам блока вычислений, и вторым и третьим ультразвуковыми измерителями радиального расстояния, аналогичного первому, первые группы их выходов подключены к шине ввода, а первая группа входов - к управляющей шине блока вычислений, при этом ультразвуковые приемопередающие преобразователи одного измерителя радиальных расстояний расположены по окружности в носовой части контейнера, другого измерителя - в средней части контейнера, третьего - в хвостовой части контейнера, а центр тяжести контейнера смещен к боковой поверхности. Недостатком данного изобретения является наличие нарастающих во времени погрешностей определения координат трассы трубопровода, для уменьшения которых нужны гироскопы, акселерометры и одометры высокопрецизионного типа, но и эта мера не устраняет накопления погрешностей. Задачей изобретения является обеспечение возможности исключения нарастания во времени погрешностей определения координат трассы трубопровода. Поставленная задача решается за счет того, что в систему для определения координат трассы подземного трубопровода, содержащую внутритрубный инспектирующий снаряд, включающий герметичный контейнер, эластичные манжеты, жестко закрепленные в носовой и хвостовой частях контейнера, последовательно соединенные датчик пути, установленный на внешней поверхности контейнера, блок вычислений и управления и регистратор, трехкомпонентный гироскопический измеритель угловой скорости и трехкомпонентный акселерометр, размещенные внутри контейнера, три ряда расположенных по окружностям ультразвуковых приемопередающих преобразователей, расположенных попарно и диаметрально противоположно на внешней поверхности по n в каждом ряду в носовой, хвостовой и средней частях контейнера, подключенные к информационным входам блока вычислений и управления введены акселерометр широкого диапазона измерения по продольной оси контейнера, три усилителя, соединенные своими входами с выходами трехкомпонентного измерителя угловой скорости, датчики сигналов маркеров с аналого-цифровым преобразователем, контроллером и датчик температуры, которые расположены внутри контейнера и соединены через первую системную шину с регистратором. При этом регистратор выполнен в виде переносного долговременного запоминающего устройства, а блок вычислений и управления - в виде бортового процессора и наземной подсистемы в составе блоков ввода данных маркерных точек, переключения диапазонов гироскопических измерителей угловой скорости и переключения продольных акселерометров, вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, вычисления оценок параметров ориентации, идентификации смещения нулей, гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров, а также устройства согласования, сумматора, вычислителя декартовых координат, фильтра нижних частот, детектора уровня вибрации и устройства сравнения, причем выходы переносного долговременного запоминающего устройства по каналам измерения угловых скоростей и линейных ускорений соединены через вторую системную шину с блоком переключения диапазонов измерителей угловой скорости и акселерометров, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов блока идентификации смещения нулей гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров и через сумматор с первыми группами входов блока вычисления оценок параметров ориентации и блока вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, вторая группа входов которого соединена с второй группой выходов блока переключения диапазонов гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров, а два выхода соединены с соответствующими входами блока вычисления оценок параметров ориентации, третий вход которого соединен через вторую системную шину и устройство согласования с одним из выходов блока ввода данных маркерных точек, остальные выходы которого через устройство согласования и системную шину связаны с второй группой входов блока идентификации смещения нулей гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров, третья группа выходов переносного долговременного запоминающего устройства через вторую системную шину соединены с соответствующими входами блоков вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, идентификации смещения нулей инерциальных датчиков, а также вычислителя декартовых координат, вычисления оценок параметров ориентации, выходы которого соединены с четвертой группой входов блока идентификации смещения нулей инерциальных датчиков и второй группой входов вычислителя декартовых координат, выходы которого соединены с пятой группой входов блока идентификации смещения нулей гироскопических измерителей угловой скорости и акселерометров, группа выходов которого соединена с второй группой входов сумматора, а два одиночных выхода соединены с соответствующими входами блоков вычисления оценок параметров ориентации и вычисления сигналов коррекции по углам тангажа и крена, выход переносного долговременного запоминающего устройства по каналу измерения температуры через вторую системную шину соединен с соответствующим входом блока идентификации смещения нулей инерциальных датчиков, кроме того, ультразвуковые приемопередающие преобразователи соединены через вторую системную шину, фильтр нижних частот и детектор уровня вибрации с входами устройства сравнения. Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема бортовой подсистемы внутритрубного инспектирующего снаряда, на фиг.2 - функциональная схема наземной подсистемы для определения координат трассы трубопровода, на фиг. 3 - опытный образец инерциального модуля бортовой аппаратуры системы определения координат трассы трубопровода, на фиг.4 - представлен график траектории движения снаряда в плоскости горизонта, определенной в результате обработки с помощью наземной аппаратуры записей сигналов датчиков бортовой аппаратуры и данных маркеров. Технический результат, который может быть получен при реализации данного изобретения - это создание системы определения координат трассы подземного трубопровода повышенной точности. На фиг.1 и фиг.2 приняты следующие обозначения: 1, 2, 3 - гироскопические измерители угловых скоростей (ГИУС)











где t0, TB - время начала и окончания выставки,


которые передаются в блок 29, а также в блок 30. В блоке 29 сначала вырабатываются оценки



где rxi (1), rxi (2), rxi (3) - координаты центра масс акселерометров 5, 6, 7 соответственно относительно центра подвеса снаряда, определяемые по измерениям на снаряде. Затем вычисляются





где x1 + - пройденный снарядом путь, счисляемый в БК 21 по сигналам датчика пути; tm - время прохождения снарядом маркера с номером m;



Таким образом, сигналы коррекции по углам тангажа и крена вычисляются в соответствии с выражениями

и передаются в блок 30, где текущие значения оценок параметров ориентации вычисляются на основе корректируемых кинематических уравнений Эйлера:

Здесь K







Сигналы, соответствующие текущим оценкам параметров ориентации






где k - номер такта вычислений, начиная с момента прохождения снаряда мимо очередного маркера. Затем здесь производится подсчет оценок декартовых координат снаряда:

В момент t=tm, прохождения снаряда мимо следующего маркера производится запоминание значений оценок декартовых координат снаряда:

Далее оценки текущих значений декартовых координат, параметров ориентации снаряда и пройденного им пути поступают в блок 32 идентификации смещения нулей ГИУС и акселерометра. В момент t=tm прохождения снаряда мимо маркера эти значения фиксируются:






и в случае превышения ошибки позиционирования снаряда в месте установки данного маркера


а) производится вычисление приращений декартовых координат по отношению к моменту прохождения предыдущего маркера

б) аналогичные приращения декартовых координат формируются по данным маркеров

в) вычисляются интервал времени между моментами прохождения двух последних маркеров

и пройденный за это время снарядом путь

г) вычисляются азимутальные углы между двумя последними маркерами на основе следующих выражений

д) вычисляется нескомпенсированная систематическая составляющая азимутального дрейфа ГИУС и обусловленная нулевым сигналом и неточностью выставки продольного акселерометра систематическая ошибка определения угла тангажа

при наличии достаточно точной информации об азимутах трубопровода в местах установки маркеров нескомпенсированный азимутальный дрейф может быть вычислен следующим образом

е) вносятся поправки в оценки азимутального дрейфа ГИУС и смещения нуля продольного акселерометра
I






где n - номер итерации. ж) системное время переводится назад t=tm-1, оценки смещений нулей ГИУС и акселерометров Wx1 0=Wx1 0[n], I




Система определения координат трассы подземного трубопровода реализована в ИТЦ "Оргтаздефектоскопия" (г. Саратов) и на кафедре "Приборостроение" Саратовского государственного технического университета. В состав системы входят:
а) внутритрубный инспектирующий снаряд "ДСУ-1200" с бортовым оборудованием следующего состава:
- инерциальный модуль на основе:
* 3 ГИУС типа ВГ-910 (воспроизводимость нулевого сигнала при переменной температуре - 15. ..30o/час, 1 СКО; стабильность нулевого сигнала при постоянной температуре - 5...15o/час, 1 СКО);
* акселерометры типа ДЛУММ-3;
* терморезистора ММТ-4;
- датчик пути в виде блока одометров;
- процессорная плата фирмы "Octagon systems" в стандарте Micro PC модель 5066-586;
- процессор AMD 5

- ОЗУ 1 Мбайт;
- долговременное запоминающее устройство на основе:
* накопителя- Flash-диск серии SDP3 в стандарте PC Card (PCMCIA АТА) фирмы SanDisk, емкостью 220 Мбайт (данного объема достаточно для прогона продолжительностью 22 часа)
* контроллера накопителя - двухпортовая плата PCMCIA в стандарте Micro PC фирмы "Octagon systems" модель 5842;
- аналого-цировой преобразователь на основе платы фирмы "LAN Automatic" в стандарте micro PC модель AI8S-5-STB;
б) наземная подсистема - стационарный компьютер типа Pentium с комплексом программ обработки и анализа записей сигналов датчиков первичной информации. Натурные испытания системы проводились на участке трассы магистрального газопровода "Екатериновка - Балашов" протяженностью 110 км в конце мая 2000 г. Внутритрубный инспектирующий снаряд был пропущен по этому участку дважды: сначала со средней скоростью около 3 м/с, а второй раз со средней скоростью более 4 м/с. В силу использования относительно грубых ГИУС и акселерометра их дрейф может приводить к накоплению больших погрешностей в решении задачи навигации - определения траектории трубопровода. Для реализации итерационного процесса оценивания нескомпенсированных во время начальной выставки смещений нулей ГИУС и акселерометров и учета данных оценок при определении текущих декартовых координат трубопровода были использованы приемники GPS в составе временной маркерной станции. С их помощью были определены географические координаты 9-ти маркеров 20 км Екатериновского участка трассы и 8-ми маркеров Балашовского участка трассы. На фиг.4. представлен график траектории движения снаряда в плоскости горизонта. Здесь кружками отмечены маркерные точки, определенные по сигналам GPS. В ходе проведенных трассовых испытаний установлено:
- разработанный опытный образец системы позиционирования трассы подземного трубопровода на основе бесплатформенной системы ориентации и навигации внутритрубного снаряда позволяет построить траекторию осевой линии трубопровода в декартовой местной системе координат;
- по результатам испытаний на участке трассы Екатериновка-Балашов протяженностью в 110 км отклонения координат маркерных точек, определенных с помощью системы позиционирования трассы подземного трубопровода, от координат, определенных с помощью временных маркерных станций, не превышает 250-300 м (погрешности маркерных станций составляют 100...200 м). Позиционирование трассы без использования коррекции по маркерным точкам при данных точностях датчиков первичной информации практически неосуществимо.
Класс G01B17/00 Измерительные устройства, отличающиеся использованием инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых колебаний
Класс F17D5/00 Защитные устройства или устройства для наблюдения за оборудованием