WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

       На правах рукописи

Жиганов  Игорь  Юрьевич

МЕТОДЫ  И  СИСТЕМЫ  ОПЕРАТИВНЫХ

ДИСТАНЦИОННЫХ  ИЗМЕРЕНИЙ

ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ  ПАРАМЕТРОВ  ОБЪЕКТОВ

ТРУБОПРОВОДНОГО  ТРАНСПОРТА

05.11.16. – Информационно-измерительные

и управляющие системы (в машиностроении)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Волгоград – 2010

       Работа выполнена на научно-техническом предприятии ООО «АПС», г. Самара

Научный консультант        доктор технических наук, профессор

       Скворцов Борис Владимирович.

Официальные оппоненты:        доктор технических наук, профессор

       Нестеров Владимир Николаевич;

       доктор технических наук, профессор

       Ясовеев Васих Хаматович;

       доктор технических наук, доцент

       Мелентьев Владимир Сергеевич.

октор технических наук, профессор

       ____________________________

Ведущее предприятие        ФГУП НИИ «Экран», г. Самара.

       

Защита диссертации состоится « 04 »  февраля  2011 г. в  10:00  на заседании диссертационного совета Д 212.028.05  при Волгоградском государственном
техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского
государственного технического университета.

Автореферат разослан «____»______________ 201__ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета        О.А. Авдеюк

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ объектов трубопроводного транспорта с позиций ГОСТа в ракурсе достижения поставленной цели и решения указанных задач.

Рассмотрена широкая номенклатура труб, подразделяющихся по типам,
размерам, профилю, материалу и технологии изготовления. Дана сводная таблица
типов труб 32-х наименований, включающая комплекс геометрических  параметров для каждой позиции. Выдержка из сводной таблицы имеет вид (таблица 1):

Таблица 1 – Выдержка из сводной таблицы геометрических параметров труб

Профиль

Наименование

Предельные размеры,

мм

Примечание


Круглые

D        =        20        ё        820

S        =        2,5        ё        75

ГОСТ 8732-78


Квадратные и

прямоугольные

A        =        10        ё        180

S        =        1        ё        14

П        =        0,443 ё 89,59

R        =        (1,5 ё 3) S

П        –        площадь профиля

ГОСТ 8639-82

и

ГОСТ 8645-68


Восьмигранные

В        =        12±0,3        ё        40±0,3

S        =        1        ё        3,5

П        =        0,365  ё 4,230

ГОСТ 8632-68


Восьмигранные с

круглым отверстием

S        =        25±0,3        ё        500,5

D        =        13        ё        25

П        =        3,85  ё 15,80

ГОСТ 8639-82

Выявлен диапазон геометрических параметров стальных труб, который
составляет: длина – 2,00 11,75 м; диаметр – 10,0 2020,0 мм; толщина стенки –
1,0 75,0 мм; кривизна любого участка трубы с толщиной стенки до 20 мм
не превышает 2,0 мм на длине 1 м; эксцентриситет профиля круглых труб – не менее 0,98; перекос углов фасонных (профильных) труб – ±1,50. 

Это послужило условием для формирования эксплуатационно-метрологических требований к разрабатываемым системам измерения, погрешность которых не должна превышать: при измерении длины – ±0,1 %; при измерении диаметра – ±0,8%; при измерении толщины стенки – +10%; диапазон рабочих температур – (–20; + 40 0С); время измерения – не более 10 сек. Выполнен сравнительный анализ и проведена классификация принципов и средств измерения геометрических параметров.

Анализ объектов трубопроводного транспорта позволил выявить совокупность геометрических параметров, влияющих на качество изделий в целом, связав их с комплексом измеряемых величин. Учитывая многообразие номенклатуры трубопроводных изделий и множество взаимно влияющих на их качество параметров, показана целесообразность системного подхода в решении проблемы обоснования и разработки методов оперативного дистанционного измерения комплекса геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта и создания на их основе информационно-измерительных систем повышенной информативности.

Показано, что наиболее эффективными являются акустический и оптический принципы измерений, которые положены в основу для дальнейших исследований.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы импульсно-волновых методов измерения ГПТ. Сущность измерительного процесса состоит в том, что труба зондируется каким-либо акустическим или оптическим сигналами и по характеристикам отраженных сигналов (путем их специальной обработки) судят о ГПТ. В общем случае предложенные методы измерения иллюстрируются рисунком 1.

В зависимости от используемой частоты и аппаратурной реализации в
качестве излучателя и приемника могут применяться акустический или оптический
приборы, в частности, пьезоэлемент, микрофон, светодиод, лазер, источник белого света, телекамера, фотоприемная матрица. Излучатель и приемник в совокупности образуют датчик и могут быть конструкционно совмещены.

В процессе обоснования и разработки математических моделей методов измерений геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта использованы:

-        для акустических сигналов – уравнение, определяющее звуковое давление в каждой точке поля и связывающее скорость звука, плотность, вязкость, теплопроводность и теплоемкость среды;

-        для оптических сигналов – распределение освещенности в плоскости
формирования изображения измеряемого объекта.

Вся система уравнений связывается общими граничными условиями, определяющимися геометрическими параметрами измеряемого объекта.

Исследуемые геометрические параметры труб будут проявляться через амплитуду, фазу, время распространения, коэффициенты поглощения, преломления, рассеивания, изменение фронта или формы отраженного сигнала.

При этом для каждого определяемого геометрического параметра объекта Q может быть составлена функция преобразования F, получаемая либо эмпирическим, либо теоретическим путями на основе известных сведений о данном показателе:

  ,        (1)

где – геометрический параметр, – совокупность отраженных сигналов, используемых для определения конкретного геометрического параметра . Функция (1) определяет алгоритм измерения, и ее поиск является важнейшей задачей при построении измерительной процедуры.

Учитывая, что любая измерительная процедура, кроме сбора и обработки информации, требует проведения операции калибровки по эталонам, для решения поставленных задач предложен обобщенный способ измерений, защищенный патентом РФ [15], сущность которого состоит в том, что при неизвестной функции F составляется калибровочная модель процедуры измерения. Для этого берутся несколько образцов (эталонов) измеряемого объекта с известными значениями определяемого геометрического параметра , и им ставится в соответствие столько же отсчетов измеряемых косвенных параметров qk , j . При чем количество эталонов Qk  должно быть не меньше количества отраженных параметров qj .

Пусть имеется n калибровочных образцов объекта с известными значениями геометрического параметра : . Каждое из этих значений в общем случае связано с совокупностью отраженных сигналов (косвенных параметров)
q: q1, q2…qj…qn . В дальнейшем предполагается, что измеряемый параметр l выбран, и для упрощения индексации вместо можно использовать , т.е. считать, что . При построении калибровочной модели для произвольных значений измеряемых параметров всегда можно подобрать такие коэффициенты bj, что будут выполняться равенства:

  ,         (2)

здесь f j ( q ) – набор известных функций, индекс k соответствует номеру используемого
эталона, индекс j – параметру используемого сигнала qk , j . Решение этой системы дает совокупность коэффициентов bj , которые определяют искомый геометрический параметр Q X :

       ,        (3)

       ,        (4)

где qX, j – измеренный j – параметр сигнала q, используемого при измерении ГПТ,
и bj – главный и вспомогательный определители системы (2).

В качестве набора функций f j (q ) может применяться общий член любого известного ряда, в частности простого степенного полинома, а также полиномов Чебышева, Лежандра, Лагера, ряда Фурье и многих других. Выражение (4) моделирует нелинейную функцию преобразования, созданную по эталонным трубам и связывающую определяемый геометрический параметр Q с параметрами сигнала qj. Предложенный способ не требует точного знания функции, связывающей искомый геометрический параметр с измеряемыми косвенными параметрами. Он предполагает создание математической модели на основе эталонных образцов изделий с известными геометрическими параметрами.

На основе данного подхода можно провести комплексирование измерений,
которое состоит в том, что один и тот же параметр измеряется разными сигналами
(рисунок 1). Комплексирование позволяет снизить погрешность измерительных систем.

Рассмотрены частные случаи формирования функции преобразования и построения измерительной процедуры для конкретных измерений. В частности, при использовании акустических методов измерений предложено ввести понятие
эталонной трубы, под которой понимается труба из измеряемой партии продукции, на которой проводилась калибровка. Решения классических уравнений для эталонной трубы известны, а конкретные значения геометрических параметров измеряемых труб вычисляются путем введения поправок, определяемых при калибровке, предшествующей любой измерительной процедуре.

Отраженный от измеряемого объекта сигнал qj зависит не только от геометрических параметров, но и от многих других факторов и в общем случае может быть описан выражением:

  ,         (5)

где qj0 –параметр сигнала, отраженного от эталонной трубы, – обобщенная функция, зависящая от следующих факторов: П – Профиль трубы; Ф – Форма (искривленность по длине); М – Материал трубы (чистота обработки внутренней поверхности); О – Относительные размеры трубы; Р – относительные Размеры излучателя; И – характеристики Импульса; Н – диаграмма Направленности излучателя; А – Атмосферные климатические условия (температура, давление, влажность, газовый состав, ветер).

Реальная труба может сильно отличаться от эталонной по размерам и другим
перечисленным параметрам. Если процесс измерения осуществлять в окрестности
калибровочных труб одной производственной партии, то предложенная методика вполне целесообразна и применима. Такая постановка задачи позволяет в процессе разработки ИИС сочетать аналитические, эмпирические и численные методы исследований.

В результате теоретического анализа акустических методов измерений показано, что поле внутри трубы является суперпозицией набегающих и отраженных от открытого конца волн . Коэффициенты позволяют вычислить комплексные амплитуды этих волн.  Для произвольного коэффициента можно записать: , где – амплитуда и фаза коэффициентов отражения. При l = m является коэффициентом отражения набегающей волны от
открытого торца, а при l ≠ m – коэффициентом трансформации набегающей
волны в волну . График изменения коэффициентов отражения, набегающих от открытого торца трубы волн, в зависимости от параметра , характеризующего соотношение между длиной волны и радиусом трубы R,
приведен на рисунке 2;  с – фазовая скорость звука в среде.

Наибольший интерес представляет коэффициент отражения основной волны G00.  График  показывает, что коэффициент отражения максимален при длине волны сигнала много большей радиуса трубы.  С  возрастанием  частоты  и диаметра трубы коэффициент отражения уменьшается до нуля.

Рисунок 2 – График зависимости коэффициента отражения от открытого торца трубы G
для акустической волны А0

Получены выражения, связывающие между собой резонансные частоты wm
акустических волн в трубе и время распространения сигнала D t с длиной L, внутренним диаметром d  трубы и функцией поправки a на условия отражения для случая частичной занятости излучателем и приемником (площадью SИ) одного торца трубы:

       , ,        (6)

где S – площадь сечения трубы. Обозначив a = a'R, можно получить:

       ,        (7)

где        ,         (8)

где - функция, определяемая графиком, показанным на рисунке 3.

Выражение (7) необходимо для организации процесса калибровки при различных условиях отражения. При известной длине оно позволяет определять
диаметр трубы, а при известном диаметре определять длину по времени
распространении импульса в полости трубы. Для учета реальных параметров
среды, в которой распространяется акустический импульс, в формуле (7)
вместо фазовой скорости звука используется групповая скорость распространения сигнала, определяющая скорость распространения энергии по формуле:
,         (9)

Рисунок 3 – Функция относительной поправки  / R на открытый торец трубы
и фаза коэффициентов отражения волн от открытого торца трубы

где ρ – плотность невозмущенной среды; – фазовая скорость звука; – коэффициент, определяющий поглощение сигнала в среде; K – модуль объемной упругости; η, ζ, ξ – динамическая вязкость, вторая
вязкость и коэффициент теплопроводности среды соответственно; СP, CV –
удельные теплоемкости среды.

Наибольшая часть энергии любого импульса переносится на частоте, соответствующей максимуму его спектральной амплитуды, определяемой через преобразование Фурье от функции, описывающей зондирующий сигнал. Поэтому при определении групповой скорости распространения звука в формулу (9) следует подставлять значения частоты , соответствующей максимуму спектральной амплитуды посылаемого акустического импульса. Можно отметить, что для сред
с малой вязкостью (воздух или любой другой газ) Vгр с.

Выполнен анализ влияния конструкционных параметров объекта, а также формы импульсов и параметров излучателя на скорость и время распространения акустических сигналов. В частности показано, что  время распространения акустического импульса в профильной трубе всегда больше, чем в круглой. Время распространения акустического импульса в трубе возрастает с ростом отношения максимального к минимальному размеру профиля. С ростом амплитуды и уменьшением периода неровностей внутренней поверхности трубы время распространения акустического импульса в трубе также увеличивается.

Рассмотрены математические основы оптических методов измерения ГПТ.  Приведены выражения, связывающие распределение интенсивности некогерентного света на поверхности  матрицы с интенсивностью источника излучения и параметрами оптической системы. Даны математические основы оптического многоканального метода измерения ГПТ, сущность которого иллюстрируется рисунками 4 и 5.

Съемка объекта ведется с помощью N телекамер ( А1 … Аi … Аj … АN ),
которые  разнесены  в  пространстве,  причем расстояния между каждой из пар теле-камер di, j  известны, то есть  xi, j ,  yi, j ,  zi, j заданы.

Все телекамеры подключены к одному компьютеру, который транслирует изображение на экран монитора (рисунок 5). Сущность метода состоит в том, что
на измеряемом объекте делается произвольная метка (точка М ), которая от разных телекамер  будет транслироваться в разные точки экрана монитора – от i-ой  камеры это будет точка Мi, от j-ой камеры – точка Мj и т.д. Расстояние между точками Мi и Мj на экране монитора определяется по формуле:

  ,        (10)

где (µ М, i ;  M, i ), (µ М, j ;  M, j ),  координаты точки М, полученные от i-ой и j-ой камеры соответственно. Эта величина будет образом реального расстояния d i, j .Соотнося
ее с реальным размером d i, j ,  всегда можно определить цену деления одного пиксела экрана  монитора  ( масштаб для пары камер i, j ).  Тогда  реальный  размер  отрезка ВС

может быть определен по любой из данной пары камер, например по камере i :

.        (11)

Зная реальные расстояния между всеми камерами в пространстве, можно
определить реальный размер по любой камере. Независимо от расстояния от камеры до объекта и смещения оптической оси камер от объекта автоматически выполняется калибровка измерения для произвольного расположения камеры и объекта.
Очевидно, что измерения будут значительно точнее, если провести вычисления по
каждой телекамере, а результат усреднить, то есть истинную длину L отрезка AB

определить по формуле: .        (12)

Усреднение результата  позволяет также устранить ряд оптических искажений, связанных с удалением изображения от оптической оси объектива (дисторсия, хроматизм положения, кома).

При проецировании измеряемого объекта у разных камер работают различные участки их оптической системы, размещенные по обе стороны от оптической оси, что и приводит к проецированию изображений на разные участки совмещенного экрана. Минимальное число камер – две. Чем больше камер, тем ниже погрешность. Реальное измерительное устройство может содержать не более 3 – 5 телекамер. При ограниченном числе телекамер целесообразно размещать их по определенным правилам: располагать телекамеры в одной плоскости, сделать направление главных оптических осей объективов параллельными, располагать камеры в пространстве таким образом, чтобы суммы расстояний от каждой телекамеры до всех остальных были равны, располагать телекамеры по группам с перпендикулярным направлением оптических осей. Каждый из этих приемов позволяет снизить
погрешность вычислений с учетом дополнительных формул, которые можно
получить на основе геометрических законов оптики. В частности, можно определять масштаб отдельно по координатам  x ,  y  и  z .

Рассмотрены математические основы косвенных методов измерений ГПТ при различных условиях калибровки. В частности, при использовании одного параметра сигнала система уравнений (4) примет вид:

       ,         (13)

здесь f k ( q ) – набор известных функций, индекс k соответствует номеру
используемого эталона. Решение этой системы дает совокупность коэффициентов bk , которые определяют искомый геометрический параметр Q X :

       ,        (14)

,

q X – измеренный параметр сигнала, используемого при измерении ГПТ.

Рассмотрены варианты, когда наряду с измерением косвенного параметра q контролируется текущая температура. Учитывая, что температура влияет на результаты измерения в мультипликативной форме, получены выражения для разных практически важных условий калибровки: на одной трубе при разных температурах; на
разных трубах при одной температуре и на разных трубах при разных температурах.

В третьей главе обоснованы и разработаны методы получения информации
в оперативных дистанционных системах измерения ГПТ, а также алгоритмы
обработки этой информации.

Исследованы методы определения ГПТ по параметрам акустических  сигналов. На рисунке 6 приведены соотношения, используемые в прямых акустических методах измерения длины труб.

ti – время распространения акустических импульсов для конкретных схем измерения;
d0 – расстояние между микрофонами; t0  – время пролета акустическим импульсом фиксированного расстояния d0; Кi – корректирующие коэффициенты; с0, сТ – скорости звука в воздухе при
нормальных условиях и текущей температуре Т; 1 , 2 – частоты максимума спектральных плотностей зондирующих акустических импульсов; Т – температурный коэффициент скорости звука;
' – функция поправки на условия отражения от торца трубы

Рисунок 6 – Акустические методы измерения ГПТ на основе определения реальной скорости звука

В зависимости от аппаратурной реализации предлагаются алгоритмы вычислений скорости звука и конечного результата по различным формулам и структурным схемам. В блоках 3, 5, 7, 9 приведены формулы вычисления реальной скорости звука в трубе при текущих климатических условиях, а в блоках 2, 4, 6, 8, 10, 11, 12, 13 - формулы вычисления длины при различных исходных данных и конструкциях прибора. При этом возможны различные методы вычисления скорости звука и ГПТ, а также комбинация этих методов. Перед измерением каждой новой партии труб  целесообразно проводить калибровку ИИС на трубах эталонной длины из этой
партии, находящихся в тех же климатических условиях, что и измеряемые трубы. Измерение можно осуществлять как с текущим измерением температуры, так и без него, поскольку температура опосредованно входит в калибровочные коэффициенты. Получены аналитические выражения и алгоритмы для вычисления длины труб для девяти различных вариантов калибровки, в частности, при калибровке по одной трубе с контролем температуры в двух точках, калибровке по трем трубам
с контролем температуры в одной точке и компенсацией погрешности
по текущей температуре.

Рассмотрены акустические методы измерения внутреннего диаметра труб, в частности, получено выражение:  ,         (15)

где tX - время распространения акустического сигнала в измеряемой трубе в прямом и обратном направлениях, С – коэффициент, соответствующий реальной скорости звука, который подбирается при калибровке на одной трубе известных длины L и
диаметра d  в реальных условиях измерения методом пошагового приращения.

При измерении ГПТ оптическими методами необходимо выполнить следующие действия: получить изображение трубы или ее части, включающей в себя измеряемый параметр; провести обработку изображения с целью выделения характерных точек объекта с измеряемым геометрическим параметром; провести вычисление требуемого ГПТ по изображению. Разработанный алгоритм обеспечивает определение средних внешнего и внутреннего диаметров трубы, толщины стенки, смещения центра внутренней окружности относительно внешней, коэффициента неровности внутренней и внешней поверхностей, коэффициента эллиптичности внутренней и внешней поверхностей, эксцентриситета для прямоугольных труб.

Аналогично можно получить изображение боковой поверхности трубы и по нему определить длину и внешний диаметр трубы. При известном внутреннем диаметре длину трубы можно вычислить также путем обработки изображения ее
дальнего отверстия по формулам, приведенным в диссертации. Алгоритм реализован программно в виде самостоятельно исполняемого файла.

Важным этапом вычисления является определение цены деления координат изображения в миллиметрах. Это делается следующими способами:

1        Введением в память ЭВМ реальных значений геометрических параметров схемы измерений: коэффициента преобразования оптической системы К, расстояния от камеры до объекта b, угла обзора камеры , разрешающей способности телекамеры, параметров монитора и других.

2        Калибровкой, сущность которой состоит в том, чтобы измерить объект известного размера R и соотнести реальный размер с его размером на экране монитора R'. Вычислить масштаб по формуле: M = R / R', запомнить его и далее использовать для вычисления реальных размеров по изображению. Это можно делать в реальных климатических условиях каждый раз перед процедурой измерения, или периодически, в соответствии с требованиями метрологических служб.

3        Автоматической калибровкой, заключающейся в том, что измерение проводится одновременно двумя или несколькими камерами, разнесенными друг от друга в пространстве на фиксированное расстояние, или с помощью одной телекамеры, поворачивающейся в пространстве на фиксированный угол. Метод позволяет независимо от расстояния между камерой и объектом  проводить измерения ГП ОТТ, только требует специальных алгоритмов совмещения изображений.

В четвертой главе представлены разработанные информационно-измерительные системы определения геометрических параметров труб, основанные на различных физических принципах и методах измерений. Рассмотрены структурные, конструкторские и схемотехнические решения.  Приведены схемы оптоэлектронных систем измерения, в том числе защищенные патентами РФ. Показано, что недостатком оптоэлектронных систем, использующих одну телекамеру, является зависимость результата от расстояния и ориентации объекта относительно
оптической оси. На основании изложенного в главе 2 метода многоканальных
измерений разработаны двухканальная [14] и четырехканальная ИИС с
ортогональным разнесением телекамер [16] (рис. 7).

Последняя состоит из четырех телекамер, в которой две телекамеры А1 и А 2  разнесены по координате z на расстояние d z и имеют главные оптические оси, параллельные оси х. Две другие камеры А3 и А 4 разнесены в пространстве на фиксированное расстояние d x по координате х и имеют оптические оси, параллельные оси z. Таким образом, отрезки расстояний между телекамерами d z и d x взаимно перпендикулярны, что позволяет
вычислять масштаб изображения по ортогональным координатам, а геометрические
параметры – независимо от расстояния до объекта и его ориентации в пространстве.

Приведено телевизионное сканирующее устройство с поворотом телекамеры на фиксированные углы, что также позволяет обеспечить инвариантность измерений
к изменениям расположения объекта.

В основу работы электронно-акустических ИИС положено явление отражения акустического импульса от открытого или закрытого торца трубы с последующим измерением времени его прохождения в полости трубы, коррекцией по температуре и другим климатическим факторам. Время прохождения отраженного сигнала
в полости трубы зависит от геометрических параметров, в том числе от длины,
диаметра и кривизны трубы. Базовая схема электронно-акустической ИИС 
показана на рисунке 8.

 

1 – генератор; 2 – усилитель; 3 – акустический излучатель; 4 – приемник; 5 – труба; 6 – блок управления; 7 – усилитель; 8 – блок обработки; 9 – датчик температуры

Рисунок 8 – Электронно-акустическая система измерения ГПТ

Акустический излучатель и приемник могут быть конструкционно
совмещены. Длина трубы L определяется по формуле:

       ,         (16)

где c(Т) – скорость звука в трубе при температуре Т. Функция с(Т) для конкретной среды закладывается в память устройства обработки 8; Δ t – время распространения акустического импульса в прямом и обратном направлениях. При соответствующей калибровке схема также позволяет определять внутренний диаметр и оценивать
кривизну трубы (по длине), изменение формы профиля и шероховатость внутренней поверхности при других известных геометрических параметрах.

Разработаны другие оригинальные схемы, способы и системы, защищенные патентами, позволяющие вычислять реальную скорость акустического сигнала, основанные на использовании дополнительных микрофонов и разных по форме акустических импульсов (рисунок 9) [24]. В процессе измерения генератор по сигналу блока управления формирует два различных по форме импульса, каждый из которых имеет максимум  спектральной амплитуды при разных частотах и , значения которых вычисляются спектральным анализатором 8. Отраженные сигналы обрабатываются устройством обработки 9, в котором фиксируются интервалы времени D t1 и D t2 между посланными и отраженными импульсами, а искомая длина трубы определяется по формуле: 

       ,  i= 1, 2  ,        (17)

где – параметр, учитывающий реальные свойства среды распространения акустического импульса.  Через физические характеристики среды он определяется по формуле:  ,  где ρ , c, b – ранее определены для выражения (9).

1 – генератор; 2 – ключ; 3 – акустический излучатель; 4 – приемник отраженного акустического сигнала; 5 – труба; 6 – блок управления; 7 – усилитель; 8 – анализатор спектров;
9 – блок обработки и вычисления; 10 – индикатор

Рисунок 9 – ИИС для измерения длины трубы с акустическим зондированием свойств среды

Сформулированы требования и обоснован выбор элементной базы ИСС,
которые, кроме заданных метрологических параметров, в соответствующих
климатических условиях должны обладать также необходимыми потребительскими качествами, такими как мобильность, автономность, суммирование текущих
результатов, возможность передачи данных в стационарную ЭВМ, текстовая
индикация режимов работы, ударозащищенность, эргономичность и дизайн.

Приведены обобщенные структурные схемы портативных электронно-акустических и стационарных оптоэлектронных ИСС. Дан обзор по акустическим излучателям, приемникам, преобразователям, элементам автономного питания, индикаторам, электронным компонентам схемы, в том числе однокристальным микро-ЭВМ. Показано, что применение пьезокерамических излучателей эффективно только при измерении длины труб малого диаметра (до 80 мм). Для больших диаметров необходимы портативные электродинамические низкочастотные излучатели. Проведен анализ датчикового обеспечения разрабатываемых систем измерения, который показал возможность и целесообразность применения стандартного серийно выпускаемого оборудования. Даны рекомендации по его выбору.  Подробно рассмотрены принципиальные схемы отдельных блоков, среди которых особое внимание уделено комплексным схемам, совмещающим функции приема и излучения акустического сигнала.

Проведен анализ оптоэлектронных систем измерения. Рассмотрены все виды оптических искажений, связанных с дифракцией и аберрациями объектива: cферическая
абберация, кома, астигматизм, кривизна поля, дисторсия, хроматизм увеличения и хроматизм положения.  Приведены выражения для их вычисления. Определены параметры оптики, тесно связанные с погрешностями системы измерения.

В пятой главе рассмотрены метрологические характеристики разработанных
методов и средств измерения ГПТ, в том числе основные и дополнительные погрешности.

Для электронно-акустических приборов и систем, учитывая их специфику, под нормальными условиями понимается воздушная среда с постоянными и равномерно распределенными параметрами температуры, плотности, влажности и давления, в которой скорость распространения акустической волны равна: с = 331,46 м/c.
Абсолютная погрешность измерений Δ L целиком определяется погрешностью фиксации времени распространения импульса в прямом и обратном направлениях. Показано, что для достижения требуемой  точности Δ L=1,8 см в диапазоне
длин L = 6,0 ё 12,0 м необходимо измерять временной интервал с абсолютной
погрешностью 108,0 мкс,  в диапазоне Δ t = 0,072 – 0,144 с.

Важнейшим фактором, определяющим дополнительную погрешность электронно-акустического прибора измерения длины, является зависимость скорости звука от климатических и физических факторов – температуры, влажности, давления, плотности, теплопроводности среды, примесей газов, ветра, внешнего акустического шума,
нестабильности параметров источника питания и электронных компонентов схемы,
а также грязи и посторонних предметов в трубах. Дополнительная погрешность
определяется формулой: 

        ,         (18)

где Δ с – суммарное изменение скорости звука в воздухе от различных факторов, t0,с0 – время распространения импульса и скорость звука в трубе при нормальных условиях. Относительная погрешность определится: . Зависимость скорости звука от температуры имеет вид: , где Т – температура в градусах К. Это приводит к погрешности измерений длины, определяемой графиком на рисунке 11.

Рисунок 11 – Зависимость относительной погрешности измерений длины от температуры

Обобщающим фактором, влияющим на скорость звука в среде, является
коэффициент поглощения . Модуль групповой скорости в воздухе в зависимости от коэффициента поглощения для частот w до 10 кГц в диапазоне изменения
влажности от 20 до 100 % определяется по формуле:

  .        (19)

Погрешность, вызванная изменением коэффициента поглощения воздуха
определяется по формуле: 

                (20)
и проиллюстрирована на рисунке 12. Коэффициент поглощения просто измеряется и является комплексным параметром, отражающим все свойства среды (температуру, влажность, давление, вязкость и теплопроводность). Поэтому корректирование результатов измерения по коэффициенту поглощения следует признать перспективным: .

Рисунок 12 – Зависимость относительной погрешности измерения длины e
от коэффициента поглощения среды a для диапазона низких частот

Количественные оценки влияния различных факторов, определяющих дополнительную погрешность, приведены в таблице 2. Общая  относительная дополнительная погрешность, вызванная влиянием климатических факторов 1 – 5, определяется по формуле:

.        (21)

Максимальная дополнительная погрешность в ожидаемых условиях эксплуатации без применения корректирующих приемов, вычисленная по формуле (21), составит
ε ДОП = 4,68 %. Можно отметить, что коэффициент поглощения в неявной форме включает в себя все климатические факторы 1 – 5.

Таблица 2 – Количественная оценка влияния различных факторов

Факторы

Максимальная погрешность в ожидаемых условиях

эксплуатации, %

Обозна-

чение

Диапазон

1 Температура

4,20

240  – 320 град К

2 Влажность

2,00

eВЛ

       40  – 100 %

3 Давление

0,07

700  – 800 тор.

4 Примесь СО2

0,06

eСО

0,03 – 0,06 % объема

5 Ветер

0,40

       0 – 2,0 м/с

6 Поглощение

6,50

0,4 – 1,0

7 Шумы, грязь, предметы

Сбой показаний


Случайная

Это подтверждается экспериментально и доказывает достоверность проведенных исследований. При этом для типовых труб длиною, например, 11,75 м максимальная абсолютная погрешность равна 0,56 м, что неприемлемо для коммерческого прибора. Поэтому дополнительные погрешности требуют корректирования.

Рассмотрены методы коррекции дополнительных погрешностей электронно-акустических устройств измерения длины, связанные с применением термодатчиков, дополнительного приемника и использования зондирующих импульсов разной формы, в том числе и модулированных.

Аналогичные выводы справедливы и для измерения диаметра трубы.

Рассмотрены погрешности оптоэлектронных методов и систем измерения ГП ОТТ, основными источниками погрешностей в которых являются искажения оптической
системы, связанные с дифракцией света, аберрациями объектива, особенно дисторсией, а также дискретизация и шумы фотоприемной матрицы. Все виды оптических искажений увеличиваются с ростом угла поля зрения и относительного отверстия объектива D / f . Количественный анализ показал, что суммарная погрешность изменения размеров объекта от всех видов аберраций для объективов c параметрами D / f  = 0,2 и   = 15 0 не превышает 0,08 %, что на фоне других видов погрешностей незначительно. Другое дело –
дисторсия, которая заключается в том, что линии, не проходящие через центр поля зрения изображаются кривыми. Это вызывает погрешность при измерении геометрического
параметра и при анализе его формы. В большинстве телеобъективов дисторсия для угла обзора  = 15 0 составляет от 3 до 6 %, причем возрастает с ростом угла . Чем тоньше линзы и больше фокусные расстояния f, тем меньше искажения от дисторсии. Способами борьбы с дисторсией является центрирование объектива  относительно трубы, калибровка прибора, если известно, что объект будет находиться вне центра поля зрения
с последующим учетом искажения формы при математической  обработке  изображения.

Другими факторами возникновения погрешностей являются нестабильность расстояния до объекта, а также перекос камеры по отношению к линии измеряемого размера. Если расстояние до объекта b изменяется на величину b, то относительная погрешность от нестабильности расстояния до объекта, определится как: 

  .        (22)

С удалением объекта от телекамеры, при b  , погрешность уменьшается. Если же объект находится близко к фокусу объектива, при b  f, то погрешность от нестабильности расстояния может быть очень большой. Выражение (22) позволяет найти такие значения  b и  f  при которых погрешность становится допустимой.

Для оценки погрешности от угла перекоса камеры при измерении ГПТ L  получено:

  ,         (23)

где .  Принципиальным условием формирования изображения при наличии перекосов камеры является условие или . В этом случае знаменатель в выражении  (23) не может стать равным нулю. График зависимости относительной погрешности от параметров и показан на рисунке 13.

Из графика следует, что существуют оптимальные соотношения между углом перекоса и параметром Qпер. , при которых указанная погрешность минимальна.

Рассмотрены искажения профиля трубы при его проецировании на фотоматрицу.

При непараллельности главной плоскости объектива и плоскости профиля окружность превращается в эллипс, оси которого зависят от углов перекоса, что нужно учитывать при анализе профиля трубы.

Для оптоэлектронных многоканальных ИИС с коэффициентом преобразования оптической системы КОС  погрешность измерения зависит от погрешности определения расстояний между оптическими осями телекамер  di, j = i, j и погрешностью дискретизации фотоматрицы a. Относительная погрешность, вызванная сочетанием этих параметров для произвольной группы камер (i, j), определяется по формуле:  .        (24)

Рисунок 13 – Относительная погрешность измерения размеров e
при перекосе телекамеры на угол g

Например, при

Для уменьшения погрешности измерений необходимо увеличивать базовое расстояние между камерами di, j. При заданной погрешности ε0 и известных значениях KОС, i, j и a, определяемых применяемым оборудованием, можно определить базовое расстояние между камерами di, j , при котором будет обеспечена требуемая погрешность измерений. Погрешность измерений Li может иметь знакопеременный характер, поэтому при усреднении результатов измерений от каждой телекамеры общая погрешность определится как:

       (25)

где dср, ср – средние значения расстояний между камерами и погрешности их
установки. Формула (25) показывает принципиальную возможность
уменьшения погрешности измерения при увеличении dср.

Определен порог чувствительности, являющийся минимальным размером, который может измерить рассматриваемая система измерения: 

  .         (26)

Для рассмотренных выше исходных данных: Lпор = 2,95 мм, при этом
относительная погрешность измерения составит ε = 0,43. В отличие от погрешности
измерения порог чувствительности практически не зависит от базового расстояния между камерами di, j и определяется в основном шагом дискретизации матрицы a.

Для результирующей абсолютной погрешности косвенных измерений можно записать:  .        (27)

Из формулы (27) следует, что общая абсолютная погрешность определения геометрического параметра QX складывается из погрешности измерения параметра qX  и погрешности определения калибровочных коэффициентов bk (погрешность калибровочной модели). Важным фактором достижения требуемой погрешности является уменьшение погрешности калибровочной модели, которая зависит от
погрешности эталонов Δ Qi и погрешности датчиков qk. В работе дан подробный анализ и приведены формулы для вычисления указанных погрешностей.

Рассмотрены методы уменьшения погрешности рассматриваемых систем
измерения ГПТ, которые подразделяются на конструкторские, программные и
комбинированные. Разработаны методики аттестации и поверки для включения
рассматриваемых устройств в Госреестр приборов России.

В шестой главе дано описание экспериментальных исследований
электронно-акустических и оптоэлектронных систем измерения ГПТ. Для акустических методов экспериментально подтверждены основные теоретические выводы по оценке влияния на результаты измерений относительных геометрических размеров трубы, ее профиля, искривленности, материала изготовления и климатических факторов.

Разработанные в результате проведенных исследований приборы «УИДТ-2» и «ПИТОН» прошли всесторонние испытания в лабораторных и производственных условиях, в результате которых выявлены их технические характеристики,
представленные в таблице 3.

Таблица 3 – Технические характеристики разработанных устройств        

Технические характеристики

УИДТ-2

ПИТОН

ТУ ИГПТ

Диапазон измерения длины,  м

       6 – 12

       2 –        15

       0,4 –        15

Диаметр измеряемых труб,  мм

20 – 80

20 – 200

       20        – 220

Основная погрешность,  %

0,5

0,05

0,2

Диапазон рабочих температур,  град С

- 20 ÷ + 40

- 30 ÷ +40

- 30 ÷ +40

Напряжение питания,  В

4,5 ± 0,5

4,5 ± 0,5

220 ± 1,0

Индикация

ЖКИ, 4 знака

ЖКИ, 16 знаков

Монитор

Потребляемая мощность,  Вт

0,5

0,5

100,0

Для экспериментального исследования оптических методов измерений ГПТ создана установка, состоящая из телекамеры cо встроенной платой ввода
изображения, собственным программным обеспечением и компьютером класса
P-IV. Целью экспериментальных исследований было изучение особенностей формирования изображения профиля трубы в зависимости от расстояния до объекта, перекосов камеры в различных плоскостях, изучение искажений изображений на соответствие их математическому описанию, проведенному в главе 5 диссертации. В результате экспериментально показано, что при перекосах камеры в пределах γ = ± 40
погрешность измерения размера (диаметра) не превышает 0,8 %, что удовлетворяет требованиям ГОСТа. Удельное изменение размера при смещении объекта от
оптической оси составляет х = 0,00047  1/мм и y = 0,00022  1/мм, при этом
эллипсность, вычисленная как отношение размеров по осям, составляет Э = 0,975. Удельная погрешность при изменении расстояния до трубы: . Результаты измерений, полученные после обработки изображения, удовлетворяют
требованиям по погрешностям, изложенным в главе 1.

Испытана телевизионно-компьютерная двухканальная установка для измерения ГПТ с передачей данных от телекамер по радиоканалу. Установка имеет
возможности оперативно монтироваться на монтажных площадках, в т.ч. в полевых условиях и использоваться для измерения геометрических параметров любых крупногабаритных объектов без механического доступа к ним.

Рисунок 14 – Одна из модификаций прибора марки "ПИТОН"

В работе приведена схема установки для нанесения шликерного покрытия на внутреннюю поверхность трубы, в которой используется прибор «ПИТОН», управляющий процессом таким образом, чтобы толщина покрытия была равномерной по всей длине трубы. Установка внедрена в ОАО «Негаспензапром» (г. Пенза).

Оптоэлектронная система для измерения, учета и подбора труб необходимой длины, поступивших в производственные цеха для очистки и подготовки
ко вторичной эксплуатации, находится на стадии внедрения в компании "Татнефть"
(г. Альметьевск, Татарстан).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1        Сформирован и проанализирован информативный комплекс величин,
определяемый геометрией ОТТ и характеризующий их количественные и качественные характеристики. Показана перспективность акустических и оптических принципов
измерения с позиций мобильности и организации оперативных дистанционных
измерений в условиях ограниченного доступа к объекту.

2        Разработаны математические модели, связывающие ГП объектов измерения с информативным комплексом величин, обусловленных различными физическими
принципами измерения: акустическим и оптическим.

3        Выполнены теоретические исследования, базирующиеся на частном решении акустического уравнения для волновода с излучателем, размещенном на торце трубы, которые выявили связь ГП объектов с параметрами отраженного зондирующего акустического сигнала, учитывающую функцию поправки на условия отражения. Математическая модель распространения акустического сигнала в волноводе послужила основой для исследования влияния различных конструкционных параметров на результаты измерений.

4        Разработаны метод и системы инвариантных электронно-акустических измерений ГП объектов (длины, внутреннего диаметра), основанные на последовательном излучении в полость трубы акустических импульсов разной формы и вычислении групповой скорости их распространения. Скорость распространения сигнала определяется по модулю групповой скорости, вычисленной на частоте, соответствующей максимуму спектральной амплитуды посылаемого импульса. Метод реализован в структурной схеме ИИС определения ГП объектов, отличающейся конструкторскими решениями.

5        Разработан метод косвенных измерений ГП объекта, основанный на
использовании в процессе формирования функции преобразования измерительных систем эталонных объектов и последующей оценке отклонения измеряемых сигналов от эталонных значений. Данный метод использован для создания портативных приборов оперативного измерения длины труб и не требует точного знания функции, связывающей искомый ГП объекта с измеряемыми косвенными параметрами.

6        Разработан метод оптических многоканальных измерений ГП объектов, основанный на использовании нескольких разнесенных в пространстве телекамер
(фотокамер), составляющих геометрически связанную систему, позволяющий с
высокой точностью осуществлять измерения независимо от расстояния до объекта и его ориентации в пространстве. Данный метод реализован в структуре ИИС. Разработанные алгоритмы и программа для ЭВМ позволяют определять длину и геометрию профиля (радиусы окружностей, смещение центра внутренней окружности относительно
внешней, коэффициенты неровности и эллиптичности трубы, толщину стенки и др.).

7        Разработана методика комплексирования измерений ГП ОТТ, позволяющая повысить точность и информативность ИИС на основе использования различных
зондирующих сигналов.

8        Основные погрешности косвенных методов измерения определяются
погрешностями эталонов и датчиков. Увеличение количества эталонов приводит
к уменьшению погрешности измерения. Проведенные расчеты показали,
что общая погрешность измерения может быть меньше погрешности эталона. Основная погрешность электронно-акустических ИИС определяется суммарной погрешностью измерения временного интервала между посланным и отраженным импульсами,
которая не должна превышать 60 мкс. Дополнительные погрешности определяются
климатическими и физическими факторами: температурой, давлением, влажностью, ветром, примесями газов в воздухе и внешними акустическими шумами. Максимальная дополнительная погрешность в ожидаемых условиях эксплуатации, без применения разработанных корректирующих ее устройств, составляет 4,68 %. Предложенные
схемотехнические решения позволяют снизить ее до 0,05% и превзойти требования ГОСТа для измерения длины трубы.

9        Основные погрешности оптоэлектронных систем измерения ГП объектов, вычисленные на основе полученных математических соотношений, связаны с аберрациями оптической системы, дискретизацией изображения и шумами фотоприемной матрицы.
Из дополнительных погрешностей главными являются нестабильность расстояния до телекамеры и ее перекос относительно измеряемого объекта. В ожидаемых условиях измерения перекос телекамеры в 4 0 позволяет определять ГП в рамках требований ГОСТа. Получены математические модели, графики и соотношения, определяющие условия минимизации указанных погрешностей. Увеличение количества камер и расстояний между ними
приводит к уменьшению погрешности измерения. Порог чувствительности оптических многоканальных методов измерений для средних по разрешающей способности оптики и фотоматрицы составляет 2,95 мм.

10        Государственная метрологическая аттестация разработанных систем
измерения ГП объектов возможна на основе создания новых методик измерений, испытаний и поверки. Прибор «ПИТОН» прошел всесторонние государственные испытания, метрологическую аттестацию и включен в Госреестр приборов России под № 29726-05 от 10.08.05. Официальные документы, разработанные для прибора измерения длины «ПИТОН», являются образцом для создания методик аттестации дистанционных систем измерения и контроля ГП объектов.

11        Проведено свыше 10 000 испытаний электронно-акустических и
оптоэлектронных ИИС ГП объектов, которые подтвердили правильность основных
теоретических положений, используемых при их разработке, и показали их высокие
метрологические характеристики и возможность коммерческого использования.

Прибор измерения длины «ПИТОН» экспонировался на различных выставках и конкурсах, в том числе на Международном аэрокосмическом салоне в г. Жуковском в 2000-2003 г.г., на ВВЦ (г. Москва), на региональных выставках-ярмарках и отраслевых конференциях Российского союза поставщиков металлопродукции (РСПМ) в 1999 – 2010 г.г.; награжден серебряной медалью на всемирной выставке изобретений
в г. Брюсселе в 2000 г. Прибор «ПИТОН» выпускается серийно, внедрен на многих предприятиях (в г.г. Белгород, Волгоград, Воронеж, Ижевск, Москва, Нижний Новгород, Новосибирск, Самара, Смоленск, Тольятти и др.).

Система автоматического управления процессом нанесения шликерного покрытия на внутреннюю поверхность трубы внедрена в ОАО  «Негаспензапром»  (г.Пенза), а также отмечена звездой конкурса "Инновации в энергетике".

Оптоэлектронная система дистанционных групповых измерений ГП объектов находится на стадии внедрения в компании «Татнефть» (г. Альметьевск, Татарстан).

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК  РФ

1        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В., Синников С.Г. Электронно-акустические приборы измерения длины труб // Измерительная техника. – 2002. – № 7. – С. 60-62.

2        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Теоретические основы импульсно-волновых методов измерений геометрических параметров труб // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2002. – Т. 5. – № 1. – С. 64-68.

3        Жиганов И.Ю. Развитие телевизионных методов измерения геометрических параметров труб // Известия вузов. Приборостроение. – 2008. – Т. 51. – № 10. – С. 42-46.

4        Жиганов И.Ю. Теоретические основы многоканальных телевизионных методов измерения геометрических параметров объектов // Метрология: ежемесячное  приложение к журналу «Измерительная техника». – 2008. – № 1. – С. 13-18.

5        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Способ совокупно-косвенных измерений показателей качества объектов // Измерительная техника. – 2008. – № 8. – С. 13-16.

6        Жиганов И.Ю. Многоканальный телевизионный способ дистанционного измерения геометрических параметров // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2009. – № 2. – С. 110-114.

7        Жиганов И.Ю. Метрологические основы дистанционных телевизионных
методов измерения геометрических параметров объектов // Известия Самарского
научного центра Российской академии наук. – 2009. – Т.11. - № 3. – С. 117-121.

8        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Метрологический анализ многоканальных
телевизионных методов измерений геометрических параметров объектов //
Измерительная техника. – 2009. – № 9. – С. 5-8.

9        Жиганов И.Ю. Метрологические основы дистанционных методов измерения
геометрических параметров объектов // Физика волновых процессов и радиотехнические
системы. – 2009. – Т. 12. - № 4. – С. 83-87.

10        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В., Борминский С.А. Установка для дистанционных групповых измерений геометрических параметров труб // Вестник самарского государственного технического университета. – 2010. – № 4(27). – С. 148-152.

Патенты

11        Свидетельство на полезную модель 7492 РФ, МПК6 G01B17/00. Электронно-акустическое устройство измерения длины труб / Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю., Скоробогатов Е.Г. – Опубл. 16.08.1998, Бюл. № 8. – С. 62.

12        Свидетельство на полезную модель 24550 РФ, МПК7 G01B17/00, G01F23/28. Электронно-акустическое измерительное устройство / Жиганов И.Ю, Скворцов Б.В., Синников С.Г. – Опубл. 10. 08. 2002, Бюл. № 22. – С. 420.

13        Пат. на полезную модель 31441 РФ, МПК7 G01B21/28, G06K9/52. Телевизионное устройство измерения геометрических параметров объектов / Жиганов И.Ю, Скворцов Б.В. – Опубл. 10.08. 2003, Бюл. № 22. – С. 740.

14        Пат. на полезную модель 32261 РФ, МПК7 G01B21/28, G06K9/52. Двухканальное телевизионное устройство измерения геометрических параметров объектов / Жиганов И.Ю, Скворцов Б.В. – Опубл. 10.09.2003, Бюл. № 25. – С. 261.

15        Пат. на изобретение 2227320 РФ, МПК7 G06F17/12, G01N33/22. Способ измерения показателей качества / Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю., Синников С.Г., Васильев И.Р. – Опубл. 20.04.2004, Бюл. № 11. – С. 223.

16        Пат. на полезную модель 73069 РФ, МПК G01B21/28, G06K9/52. Телевизионное устройство измерения геометрических параметров объектов / Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. – Опубл. 10.05.2008, Бюл. № 13. – С. 1258.

Монография

17        Жиганов И.Ю. Бесконтактные устройства измерения геометрических
параметров труб. – М.: Вузовская книга, 2004. – 220 с.

Публикации в других изданиях

18        Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю., Скоробогатов Е.Г. Акустический прибор для измерения длины труб // Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации: тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции, г. Уфа. – Уфа, 1997. – С. 65-68.

19        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Математические основы акустических методов измерения длины труб // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник докладов международной научно-технической конференции, г. Пенза. – Пенза, 1997. – С. 46-47.

20        Жиганов И.Ю. Исследование распространения акустических сигналов в трубах
// Сборник научных трудов НИИ «Приборостроения». – Самара: СГАУ, 1997. – С. 89-90.

21        Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Электронно-акустические приборы измерения длины труб // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: тезисы доклада Х научно-технической конференции,
г. Гурзуф. – Гурзуф, 1998. – С. 87-89.

22        Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Методы повышения точности электронно-акустических приборов измерения длины труб // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник докладов международной научно-технической конференции, г. Пенза. – Пенза, 1998. – С. 59.

23        Конюхов Н.Е., Жиганов И.Ю. Организационно-производственные основы использования бесконтактных приборов контроля геометрических параметров труб // Сборник научных трудов Международного института рынка: РАН. – Самара, 1998. – С. 33.

24        Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Электронно-акустические приборы
измерения длины и расстояний с автоматическим зондированием свойств среды // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: тезисы доклада ХI международной научно-технической конференции, г. Гурзуф. – Гурзуф, 1999. – С. 124.

25        Жиганов И.Ю., Скворцов Д.Б. Исследование дополнительных погрешностей электронно-акустических приборов измерения длины труб // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Серия: Актуальные проблемы радиоэлектроники. – 2001. – № 6. – С. 84-89.

26        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В., Афанасьев А.А. Исследование погрешностей электронно-акустического прибора измерения длины и уровня // Вестник
Самарского государственного аэрокосмического университета. Серия: Актуальные проблемы радиоэлектроники. – 2001. – № 6. – С. 90-94.

27        Жиганов И.Ю. Метод совокупно-косвенных измерений геометрических параметров труб // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: сборник докладов международной конференции, г. Пенза. – Пенза, 2002. – С. 88.

28        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Исследование методических погрешностей электронно-акустического прибора измерения длины и уровня // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: сборник докладов ХIV научно-технической конференции, г. Судак. – Судак, 2002. – С. 46-47.

29        Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Электротехнические и электронно-акустические преобразовательные устройства. – Самара: СГАУ, 2002. – 120 с.

30        Жиганов И.Ю. Оптические методы измерения геометрических параметров труб // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета.
Серия: Актуальные проблемы радиоэлектроники. – 2002. – № 7. – С. 22-27.

31        Жиганов. И.Ю. Метод совокупно-косвенных измерений геометрических параметров труб // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: сборник докладов международной научно-технической конференции, г. Пенза. – Пенза, 2002. – С. 21.

32        Жиганов И.Ю., Жвачкин А.И. Универсальная модель для металлоторговли // Ресурсы, информация, снабжение, конкуренция. – 2002. – №2. – С. 41-48.

33        Жиганов И.Ю., Жвачкин А.И. Мал золотник, да дорог // Металлоснабжение и сбыт. – 2002. – № 7-8. – С. 90-105.

34        Жиганов И.Ю., Жвачкин А.И. Ценовая пружина металлоторговца. Экономические основы «пружинной» модели ценообразования в металлоторговых компаниях // Металлоснабжение и сбыт. – 2002. – №5. – С. 82.

35        Жиганов И.Ю., Жвачкин А.И. Расчет конкурентоспособности // Ресурсы, информация, снабжение, конкуренция. – 2002. – № 4. – С. 64-70.

36        Жиганов И.Ю, Скворцов Б.В. Бесконтактные приборы контроля геометрических параметров труб // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права: сборник докладов международной научно-практической конференции, г. Сочи. – Сочи, 2002. – С. 153.

37        Жиганов И.Ю. Телевизионное устройство измерения площади плоских фигур // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: сборник докладов ХV научно-технической конференции, г. Судак. – Судак, 2003. – С. 56.

38        Жиганов И.Ю. Телевизионные устройства измерения геометрических параметров труб // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: сборник докладов ХVI научно-технической конференции,
г. Судак. – Судак, 2004. – С. 50-53.

39        Жиганов И.Ю., Борминский С.А., Скворцов Б.В. Система для дистанционных групповых измерений геометрических параметров труб // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации. К 60-летию
кафедры ИИТ. Шляндинские чтения-2010: труды международной научно-технической конференции, г. Пенза. – Пенза, 2010. – С. 71-73.

40        Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю., Борминский С.А. Акустические методы и алгоритмы измерения длины труб и уровня жидкости // Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий: Материалы международной научно-технической конференции, г. Сочи. – Сочи, 2004. – С. 58-59

41        Жиганов И.Ю. Телевизионно-компьютерная установка измерения  параметров труб // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: материалы Всероссийской научно-технической конференции, г. Самара. – Самара, 2005. – С. 33-35.

42        Борминский С.А., Жиганов И.Ю. Алгоритмы микропроцессорных устройств в электронно-акустических измерителях уровня жидкости и длины труб // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. Серия:
Актуальные проблемы радиоэлектроники. – 2006. – № 10. – С. 8-16.

43        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Метрологические основы и экспериментальные исследования телевизионных методов измерения геометрических параметров труб // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронный технологий: сборник докладов международной научно-технической конференции, г. Сочи. – Сочи, 2006. – С. 34-36.

44        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Метрологические основы и экспериментальные исследования телевизионных методов измерения геометрических параметров труб // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики: сборник научных трудов IX международной научно-практической конференции. – М.: МГУПИ, 2006. – С. 62-66.

45        Борминский С.А., Жиганов И.Ю. Установка для дистанционных групповых
измерений геометрических параметров труб // Неделя металлов в Москве 10-13 ноября 2009 г.: сборник трудов конференций, г. Москва. – Москва, 2009. – С. 564-567.

46        Жиганов И.Ю., Скворцов Б.В. Методы и системы дистанционных измерений геометрических параметров объектов трубопроводного транспорта // Неделя металлов в Москве 10-13 ноября 2009 г.: сборник трудов конференций,
г. Москва. – Москва, 2010. – С. 568-577.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.