5.2. Определение параметров изгибов мт по сигналам профильных датчиков или одометров

Одной из важных задач снаряда-профилемера является определение радиу­сов поворотов и углов изгибов трубопровода.

Геометрическая интерпретация способа определения радиуса изгиба участка трубы по сигналам пояса профильных датчиков, размещенных в центре снаряда, представлена на рис. 19.

Рис. 19. Схема определения радиуса изгиба МТ по сигналам профильных датчиков, по сигналам одометров

По сигналам профильных датчиков , , где r - радиус снаряда, можно определить смещение оси снаряда относительно оси трубы по формуле .

При известном расстоянии L между, опорными эластичными манжетами радиус изгиба МГ определяется выражением:

. (1)

Погрешность сигналов профильных датчиков включает в себя инструментальные ошибки датчиков и погрешность за счет деформации манжет и составляет , а изменение расстояния между манжетами . Анализ уравнений ошибок для выражения (1) показывает, что при измерении радиуса изгиба погрешность определения составит порядка 16 %.

Использование трех поясов профильных датчиков как в снарядах ЗАО «Нефтегазкомплектсервис», так и ЗАО НПО «Спецнефтегаз», позволяет алгоритмически скомпенсировать погрешности определения радиуса изгиба из-за несоосности снаряда и трубопровода, обусловленной деформациями манжет.

Алгоритм определения радиуса изгиба МТ по сигналам одометров

(рис. 19) имеет вид

, (2)

где - вариации сигналов одометров за время прохождения снарядом изгиба трубопровода, D - диаметр МТ.

5.3. Способы определения параметров изгибов мт по сигналам инерциального модуля

Инерционный модуль (ИМ) представляет собой набор датчиков первичной информации (ДПИ): гироскопов и акселерометров, установленных в гермоконтейнере снаряда-профилемера. ИМ имеются на снарядах ЗАО «Нефтегазкомплектсервис», ЗАО «Газприборавтоматикасервис», фирм «Rosen» и «Tubo-scope».

В снаряде-профилемере ЗАО «Нефтегазкомплектсервис» ИМ включает в себя два 3-компонентных акселерометра и 2 волоконно-оптических гироскопа (ВОГ). ИМ снаряда-профилемера фирмы ЗАО «Газприборавтоматикасервис» представлен в двух вариантах: ИМ средней точности (3 ВОГ и 3 акселерометра) и более дешевый ИМ низкой точности (3 ММГ и 3 ММА). Первый вариант ИМ используется при необходимости определения параметров изгибов и пространственного положения трубопровода. Для определения углов изгибов и радиусов поворотов трубопровода достаточно недорогого варианта ИМ на микромеханических датчиках.

Радиусы поворотов МТ могут быть вычислены геометрическим и инерциальным способами.

Геометрический способ (точечный) базируется на определении относительной ориентации (измерение вариации углов азимута и тангажа) снаряда-профилемера для двух последовательно расположенных точек. При определении изгиба трубы в качестве данных точек могут быть приняты начало и конец трубы соответственно (рис. 20, 21).

	Рис. 20. Геометрический способ определения радиуса изгиба трубы
	Рис. 21. Определение углов стыка двух труб

При определении радиусов затяжных поворотов между данными точками может быть несколько труб. Точки измерения в данном случае выбираются по проекции траектории движения снаряда на плоскость горизонта и профилю траектории – графику изменения высоты в функции дистанции. Следует понимать, что и в том, и другом случае определяются усредненные на определенном участке трубопровода радиусы поворотов снаряда.

Горизонтальная и вертикальная компоненты радиуса изгиба определяются соотношением

, где - вариации углов рыскания  и тангажа  соответственно при перемещении профилемера по дуге длиной S.

Для угла поворота =3=0,052 рад на длине дуги S=11м учитываем следующие параметры: погрешность определения длины дуги в основном состоит из ошибки одометра и составляет ; погрешность определения угла изгиба трубы определяется точностью ДПИ, входящих в состав ИМ снаряда и составляет рад. Имеем радиус изгиба R = 211,54 м и погрешность его определения составляет %.

Аналогичным образом возможно определение угла стыка между двумя трубами (рис. 21): .

Погрешность определения радиуса изгиба тем меньше, чем меньше время прохождения поворота и короче расстояние между началом и концом поворота. Исходя из этого разработан вариант геометрического способа определения параметров изгиба на основе анализа графика кривизны участка МТ (рис. 20). Он представляет собой изменение величины, обратной радиусу изгиба в функции текущей дистанции снаряда - профилемера. Угол изгиба на каждом шаге одометра определяется как среднеквадратическая сумма значений вариаций параметров ориентации при длине дуги 100 мм.

При угле изгиба, равном 3, моментальный радиус поворота будет R = 1,92 м и погрешность его определения %.

В качестве преимущества геометрических способов определения радиуса изгиба участка МТ можно назвать их автономность. С помощью разработанного программного обеспечения специалистами ЗАО «Газприборавтоматикасервис» определяются углы и радиусы изгибов каждой трубы, а также углы стыков поперечных швов соседних труб.

Геометрический способ на основе анализа графика кривизны участка трубы является более точным. С его помощью место изгиба позиционируется с точностью до 100 мм.

На ЗАО «Газприборавтоматикасервис» помимо геометрических способов при обработке данных с профильных снарядов с успехом применяются инерциальные способы определения углов и радиусов изгибов МТ на основе использования кинематической и инерциальной информации:

• по сигналам гироскопов и одометров;

• по сигналам гироскопов и акселерометров.

Алгоритм первого инерциального способа состоит в определении линейной скорости движения снаряда по сигналам одометра, а затем по известным угловым скоростям радиуса изгиба по следующим выражениям:

,

,

где - угловая скорость снаряда в данной плоскости ( =1¹/с); - приращение сигнала одометра за период опроса t=0,01 c; - коэффициент одометра (в идеальном случае ).

Ошибка определения радиуса изгиба в данном случае будет определяться: погрешностью определения угловой скорости движения снаряда =1/ч; погрешностью определения поступательной скорости движения снаряда V, включающей ошибку квантования, обусловленную дискретностью (S =1 см), и погрешностью масштабного коэффициента одометра K_од=0,004. При этом для радиуса изгиба получим .

Микромеханические ДПИ фирмы Analog Devices ADXRS300 и ADXL330 в составе ИМ успешно применяются на профилемерах ЗАО «Газприборавтоматикасервис». На рис. 22 представлены примеры кривых изменения высоты трубопровода, полученные по результатам работы ИМ на ДПИ средней точности (метод, принятый за эталонный) и на микромеханических ДПИ снаряда-профилемера ПР-800.

а)	б)
Рис. 22. Кривая изменения профиля трубопровода: а) эталонный ИМ; б) ИМ на ДПИ грубой точности

Для сравнения выбраны два поворота (см. рис. 22):

• затяжной (1) – длина поворота 49,11 м, ошибка определения угла изгиба ≈58=27 %: а) для эталонного ИМ: угол 432, радиус 619,42 м; б) для ИМ на грубых ДПИ: угол 334, радиус 787,15 м;

• крутоизогнутый (2) – длина поворота 2,13 м, ошибка определения угла изгиба ≈15=2,5 %: а) для эталонного ИМ угол 445, радиус 25,48 м; б) для ИМ на грубых ДПИ: угол 430, радиус 26,1 м.

Этот пример наглядно показывает, что использование ИМ на микромеханических ДПИ при определении углов изгиба и радиусов крутоизогнутых поворотов, т.е. для выявления особо проблемных мест трубопровода, дает точность 2,5 % по сравнению с ИМ на датчиках средней точности.