Введение к работе
Актуальность. Для организации выходного контроля и складского учета объектов трубопроводного транспорта (ОТТ) на всех этапах их логистического пути от производственного стана до монтажной площадки необходим комплекс
систем измерения, способных оперативно оценивать их качество в условиях ограниченного доступа к ним. Актуальность работы продиктована наращиванием ввода в строй новых трубных мини-заводов и цехов, постоянным ростом объемов строительства и ремонта трубопроводов, монтажа быстровозводимых зданий из трубных
металлоконструкций и, соответственно, наращиванием производства ОТТ.
Основным объектом трубопроводного транспорта является труба. Наряду с прочностными характеристиками к основным показателям качества труб относятся и их геометрические параметры (ГП), в частности, длина, диаметр, толщина стенки, кривизна (по длине), форма профиля. Большой ассортимент таких труб с диаметрами от нескольких миллиметров до метра при обширной номенклатуре их торцевых профилей и материалов, применяемых для их производства, требует создания универсальных систем измерения, способных оперативно измерять их геометрические параметры.
С ГП тесно связан коммерческий учет объема труб на складах и разгрузочных площадках. Оперативный контроль при отгрузочных операциях требует использования мобильных приборов, способных измерять геометрические параметры, в частности длину трубы, при условии доступа к объекту с одной стороны. При обслуживании комплексных заказов, сочетающих в себе трубы из разных материалов с различными ГП, известные методы и средства измерения не дают достаточной точности, неудобны, трудоемки и
затратны, так как требуют применения дорогостоящих подъемных механизмов
и привлечения дополнительного персонала.
Применение разработанных методов и систем измерения позволяет автоматизировать складской учет, произвести отбраковку и точно определить объем поставки еще до начала разгрузочно-погрузочных работ, повысить безопасность и культуру труда, а также увеличить скорость обслуживания на складах и монтажных площадках, в том числе в полевых условиях. Подсчитано, что суммарные убытки предприятий РФ от не достаточно точного измерения ГП труб (ГПТ) применяемыми в настоящее время средствами на стадии коммерческого учета составляют свыше 3 млрд. руб./год.
Актуален также контроль геометрии профиля трубы. Кроме задач отбраковки, такие измерения необходимы для оптимального подбора стыкующихся торцов труб при прокладке трубопроводов. В результате транспортировки, погрузочно-разгрузочных работ и длительного хранения профиль трубы искажается, становится эллипсным либо приобретает более сложную форму. Для труб средних и больших диаметров (более 200,0 мм) абсолютные искажения формы торца составляют несколько миллиметров (1,0 - 5,0 мм), что вызывает проблемы при их сварке и обуславливает необходимость их предварительного контроля при раскладке по трассе трубопровода.
В настоящее время накоплено много материала по оценке качества труб по прочностным характеристикам, механическим дефектам, контролю толщины покрытий, неравномерности толщины стенки и т.п. Геометрические же параметры труб
измеряются в основном контактными механическими или оптико-механическими
методами, которые громоздки, имеют малое быстродействие и неприменимы в реальных условиях транспортировки, хранения и ведения автоматизированного учета труб в условиях ограниченного доступа к ним. Другие: волоконно-оптические, радиационные, лазерные и телевизионные методы и системы измерения, производимые фирмами «Autech», «Rtticon», «Machinery» (США); «Siemens», «Schneider», «Ferster» (ФРГ); «Ларицу» (Япония); «Zumbach», «Boveri» (Швейцария); а также «ВНИИА», «ВНИИМЕТМАШ», «ВНИИН», «ВНИИАчермет», «Уралмаш» (Россия) – являются сложными, громоздкими стационарными системами, предназначенными для измерения не более двух геометрических параметров труб из всей их совокупности. Развитие электронной,
волоконно-оптической элементной базы и микропроцессорной техники создает широкие возможности для создания высокоточных дистанционных систем оперативного измерения геометрических параметров с использованием передовых информационных технологий в условиях ограниченного доступа.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является научное обоснование и разработка методов
оперативных дистанционных измерений геометрических параметров объектов
трубопроводного транспорта в условиях ограниченного доступа и создание на их
основе информационно-измерительных систем (ИИС) повышенной информативности.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1 Анализ объекта измерений, описание геометрических параметров,
характеризующих информативный комплекс величин, определяющих качество
объектов трубопроводного транспорта.
2 Анализ и обоснование принципов измерения геометрических параметров труб на основе математического моделирования процессов распространения и отражения акустических и оптических сигналов в пространственно-распределенных объектах.
3 Обоснование и разработка методов измерения геометрических параметров труб в условиях ограниченного доступа к объектам.
4 Экспериментальные исследования процессов распространения акустических сигналов в трубах, выявление зависимостей между параметрами
распространяющихся сигналов и геометрическими параметрами труб.
5 Разработка схем первичной обработки сигналов, структур и алгоритмов, реализующих предложенные методы измерения геометрических параметров.
6 Метрологический анализ и разработка рекомендаций по снижению
погрешности измерений ИИС.
7 Создание измерительных систем на основе разработанных методов и
современной элементной базы. Аттестация и сертификация для включения в
Государственный реестр приборов РФ.
Работа основывается на идеях В.А. Красильникова, Л.А. Вайнштейна, А.А. Горбатова, Г.Е. Рудашевского, В.Я. Ободана, Е.Г. Виноградова, К.Е. Румянцева, В.Е. Шатерникова, Н.Е. Конюхова, Б.В. Скворцова, А.Н. Шилина, В.Н. Нестерова и является результатом исследований, проведенных автором по программе «Инновационная деятельность высшей школы» МинВУЗа РФ и программе Фонда содействия малому предпринимательству в научно-технической сфере при Правительстве РФ «Старт-2004», а также по договору с Ассоциацией металлоторговцев «Металл-Маркет», в научно-исследовательских
лабораториях Самарского государственного аэрокосмического университета и на научно-техническом предприятии ООО «АПС» («Аналитические Приборы и Системы»).
Методы исследований.
При решении поставленных задач использовались теория анализа и синтеза информационно-измерительных и управляющих систем, теория погрешностей,
методы дифференциального, интегрального и операционного исчислений,
дифференциальные уравнения в частных производных, теоретические основы
акустики, оптики и электротехники. При моделировании и проведении численных расчетов на ЭВМ использовались конструкторские и математические пакеты.
Научная новизна.
1 Разработаны обобщенная модель процедуры измерений и методика комплексирования, основанные на использовании различных физических принципов измерения геометрических параметров труб в условиях ограниченного доступа к объекту.
2 На основе частного решения акустического уравнения для волновода с излучателем (расположенном на торце трубы) получена математическая модель, связывающая информативные параметры геометрии труб с параметрами отраженного зондирующего акустического сигнала, учитывающая функцию поправки на условия отражения.
3 Разработаны и исследованы математические модели, учитывающие
влияние конструкционных параметров объектов измерения и характеристик
излучателя на время распространения акустического сигнала.
4 Разработан метод инвариантных акустических измерений геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта, отличающийся зондированием объекта импульсами разной формы и позволяющий компенсировать погрешности от нестабильности среды распространения акустических волн.
5 Разработан метод оптических многоканальных измерений геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта на основе множества разнесенных в пространстве телекамер (фотокамер), представляющих собой геометрически связанную систему,
позволяющий производить измерения независимо от расположения объекта в пространстве.
6 Разработан метод косвенных измерений геометрических параметров
объектов трубопроводного транспорта, позволяющий определять функцию преобразования, связывающую искомый геометрический параметр с измеряемыми сигналами и отличающийся универсальностью и расширенными функциональными возможностями.
7 Получены аналитические выражения и выполнен анализ дополнительных погрешностей разработанных акустических методов и систем измерения
геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта, учитывающих влияние совокупности климатических и физических факторов.
Получены выражения для анализа конструкционных погрешностей и определения порога чувствительности оптоэлектронных, в том числе многоканальных, ИИС.
8 В аналитическом виде определены погрешности косвенного метода
измерения, связывающие между собой погрешности определения калибровочных
коэффициентов и погрешности измерения параметров применяемых сигналов.
Практическую ценность работы составляют:
1 Информационно-измерительные системы и конструкции приборов измерения и контроля геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта.
2 Методики испытаний, аттестации и поверки измерительных систем и приборов измерения геометрических параметров труб, утвержденные государственными службами метрологии РФ.
3 Алгоритмы и программы обработки сигналов датчиков для ИИС определения геометрических параметров труб по параметрам зондирующих сигналов.
4 Методики расчета конструкционных параметров и погрешностей, рекомендации по улучшению эксплуатационных характеристик ИИС и приборов измерения ГПТ.
5 Действующий образец телевизионно-компьютерной многоканальной ИИС для дистанционного измерения ГПТ.
6 Созданные действующие образцы приборов серии «ПИТОН» (Прибор
Измерения Трубы Общего Назначения), включенные в Государственный Реестр средств измерений под № 29726-05, сертификат №21272/1 от 10.08.05.
Реализация результатов работы.
Созданные на основе выполненных исследований приборы серии «ПИТОН» выпускаются серийно в ООО «АПС» (г. Самара) и реализуются по всей территории Российской федерации и ближнего зарубежья. Разработанная телевизионно-компьютерная ИИС используется на научно-техническом предприятии ООО «АПС» для отработки алгоритмов и программ дистанционного группового измерения геометрических параметров труб. По результатам работы изготовлено и внедрено
устройство для автоматического управления процессом нанесения покрытий на внутреннюю поверхность трубы в ОАО «Негаспензапром» (г. Пенза).
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Обобщенная модель процедуры измерений и методика комплексирования,
основанные на использовании различных физических принципов измерения геометрических параметров труб, отличающиеся применением различных зондирующих сигналов.
2 Математическая модель процедуры измерения на основе частного решения акустического уравнения для волновода с излучателем, расположенном на торце трубы, отличающаяся обнаруженной связью информативных параметров геометрии труб с параметрами отраженного акустического сигнала и учитывающая функцию поправки на условия отражения.
3 Математические модели, учитывающие влияние конструкционных
параметров объектов измерения и характеристик излучателя на время распространения акустического сигнала.
4 Метод акустических измерений геометрических параметров объектов
трубопроводного транспорта с компенсацией влияния нестабильности среды
распространения зондирующего сигнала.
5 Метод оптических многоканальных измерений геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта, отличающийся использованием множества разнесенных в пространстве телекамер (фотокамер), составляющих геометрически связанную систему.
6 Метод косвенных измерений геометрических параметров объектов
трубопроводного транспорта, отличающийся возможностью определения функции преобразования системы, связывающей искомые геометрические параметры
труб с измеряемыми параметрами сигналов.
7 Аналитические соотношения для анализа дополнительных погрешностей акустических методов измерений, учитывающие влияние совокупности климатических и физических факторов.
8 Математические соотношения для определения погрешностей и порога чувствительности оптических многоканальных методов измерения геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта и погрешности косвенного метода измерения, учитывающие метрологические параметры конструкционных элементов ИИС.
9 Информационно-измерительные системы, приборы, алгоритмы и
программы, реализующие разработанные методы измерения геометрических
параметров объектов трубопроводного транспорта.
Достоверность результатов работы.
Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы; дипломами и медалями, полученными на различных международных и всероссийских выставках и конференциях; докладами на научно-технических семинарах кафедр («Информационно-измерительная техника», ПГУ, г. Пенза; «Электронные системы и устройства», СГАУ, г. Самара); внедрением разработанных систем; включением прибора «ПИТОН» в Государственный реестр приборов России.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на международных и российских научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», Пенза, 1997, 1998, 2002 г.г.; «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации», Уфа, 1997 г.; «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Гурзуф, 1998, 1999 г.г., Судак, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 г.г.; «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права»,
Сочи, 2002, 2006 г.г.. Разработанные в диссертации приборы экспонировались на
всероссийских и международных выставках в различных городах России: на Международном аэрокосмическом салоне в г. Жуковском в 2000, 2001, 2002, 2003, 2006 г.г., во Всероссийском выставочном центре на выставке «Двигатели-2000, 2006», на всероссийской выставке – ярмарке в г. Нижний Новгород в 2001 г., на различных международных и региональных специализированных выставках по профилю «Машиностроение»,
«Металлургия», «Стройиндустрия», «Топливо, энергетика и химиндустрия» в г.г. Москва, Самара, Калининград, Кириши, Тольятти в 1999 – 2010 г.г., на выставках «Российским инновациям–российский капитал» в г.г. Нижний Новгород, Самара и Саранск в 2004 – 2006 г.г.. В 2000 г. прибор «ПИТОН» экспонировался на Международной выставке изобретений «Эврика – 2000» в г. Брюсселе, где был отмечен серебряной медалью.
Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано
40 работ, в том числе 10 статей в рецензируемых журналах (рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций), 1 монография и учебное пособие, депонирован
научно-технический отчет, получено 6 патентов РФ.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 393 страницах текста, включает 128 рисунков и 19 таблиц. Список литературы состоит из 203 наименований и приложений на 7 страницах.
Личный вклад автора. Cформулирован и решен комплекс задач, изложенных в основных положениях, выносимых на защиту. Разработаны математические модели и проанализированы их решения с позиций практической реализации в методах и
системах измерения, организовано и принято непосредственное участие в
экспериментальных исследованиях, метрологической аттестации и практической
реализации созданных устройств.
