Анализ факторов, влияющих на погрешности измерения угла пересечения планирующего зонда c нефтепроводом.

Для инспекции подводных распределенных объектов, к которым относятся магистральные нефтегазопроводы (МНГП), кабели связи и электрические кабели, располагающихся на морском дне на глубине до 200 метров, целесообразно использовать подводные планирующие зонды (ППЗ).

Использование ППЗ является высокоэффективным и экономически выгодным, т.к. ППЗ передвигается на большие расстояния только за счет изменения своей плавучести и положения центра тяжести, потребляя при этом минимальное количество энергии. Планирующие зонды используются как носители измерительной аппаратуры различного назначения и аппаратуры связи. Зонд всплывает только в том случае, когда необходимо передать данные во внешнюю среду или при возникновении аварийной ситуации [2].

При использовании ППЗ для контроля состояния нефтегазопровода важными задачами является:

- поиск нефтегазопровода под водой;

- определение его положения по отношению к нефтепроводу. Это необходимо, что бы сориентировать в дальнейшем траекторию движения ППЗ с осью МНГП;

Параметром, с помощью которого возможно определить положение планирующего зонда по отношению к нефтепроводу, является угол α (рис. 1) между траекторией движения ППЗ и МНГП.

Для обнаружения МНГП и определения положения зонда по отношению к его оси используется информационно – измерительная и управляющая система (ИИУС). Один из каналов измерительного блока ИИУС, основан на использовании электромагнитного метода, который путем возбуждения электромагнитных импульсов в воде и приеме отраженного сигнала от металлической поверхности, позволяет определить время встречи ППЗ с нефтегазопроводом[4]. Кроме того измерительный блок ИИУС позволяет определить и скорость движения ППЗ.

Для определения угла α рассмотрим рисунок 2. В ИИУС используются два электромагнитных преобразователя ЭП_a и ЭП_b, расположенных на крыльях зонда вдоль оси a-b в точках a и b симметрично относительно этой оси. Каждый из преобразователей попеременно выступает в роли источника электромагнитной волны и приемника отраженного сигнала[3]. Обозначим точку, которая является серединой оси a-b через e.

Определим место пересечения оси магистрали нефтепровода с осью ППЗ точкой f. В итоге получим треугольник с вершинами a-e-f. Из рисунка 2 видно, что в зависимости от курса движения ППЗ угол траектории его движения с осью МНГП меняется в диапазоне от +/-90° до 0°. На основании анализа треугольника легко получить выражение для искомого угла α:

,

где есть постоянная величина для данного типа ППЗ, а , при этом Δt – промежуток времени между пересечениями датчиком b и датчиком a оси МНГП.

Тогда выражение для угла примет вид α:

Так как скорость зонда меняется во времени, нам необходимо ее измерять в момент пересечения подводным планирующим зондом оси МНГП. Скорость может быть получена путем использования математической модели, обеспечивающей траекторию движения ППЗ [4]. Однако для более точного определения скорости можно воспользоваться применением третьего датчика, который будет располагаться в точке c (рис. 3). В момент времени t_b поступления первого сигнала на датчик, таймер начинает отсчет до момента времени t_a поступления сигнала на второй электромагнитный преобразователь, затем таймер продолжает отсчет времени t_c до появления сигнала третьем датчике. Таким образом, определяются интервалы времени Δt₁ = t_a - t_b и Δt₂ = t_c – t_a . Длина ce известна из характеристик ППЗ. В итоге выражение для скорости движения ППЗ примет вид:

Если при движении планирующего зонда электромагнитные импульсы посылаемые одновременно ЭП_a и ЭП_b возвращаются так же одновременно в точки a и b на преобразователи, работающие в режиме приема, то это значит что ППЗ двигается перпендикулярно оси нефтепровода. В случае движения зонда под углом α к МНГП сигналы приходят со сдвигом во времени. Необходимо так же определить в каком квадранте движется зонд. По оси МНГП или против оси. Это является очень важным для коррекции траектории движения ППЗ в заданном направлении.

После определения величины угла α, данные поступают в блок обработки информации ИИУС, который на его основании формирует соответствующее управляющее воздействие для изменения траектории движения ППЗ.

Однако при определении угла α могут возникнуть погрешности связанные с измерением интервалов времени, с измерением высоты движения зонда, измерением значения скорости движения ППЗ над МНГП, погрешности отличия месторасположения источников-приемников a и b и их чувствительности и т.д. Например, время Δt₁ измеряется на высоте h_1, при этом время Δt₂ измеряется на высоте h₂. В связи с погрешностью фактически появится новое время Δt_факт1 и Δt_факт2. Все эти погрешности необходимо учитывать при разработке той или иной конструкции подводного планирующего зонда и алгоритмов обработки информации.

Во время инспекции нефтепровода датчики ИИУС, в зависимости от своей чувствительности могут принимать отраженный сигнал на различном расстоянии. Например, датчик может почувствовать сигнал, когда планирующий зонд находится у самого края нефтепровода. Либо сигнал может определиться в момент нахождения зонда на расстоянии от МНГП. В связи с этим возникает множество вопросов, как оценить результирующую погрешность, возникающую при измерениях угла пересечения ППЗ с нефтепроводом. Под погрешностью в данном случае понимается расхождение между реальным значением угла пересечения ППЗ с осью МНГП и значением, измеренным с помощью ИИУС. С точки зрения погрешности мы должны максимально приблизиться к реальной модели движения планирующего зонда.

Вычисление погрешности угла курса осуществляется по разности значений измеренного угла и фактического (рис. 4). Намеченный курс соответствует оси A, фактический оси B. В случае отклонения угла пересечения более 10 градусов от намеченного курса необходимо произвести коррекцию. Воспользуемся выражением для определения погрешности угла:

Где α_факт:

, где

Во время инспекции трубопровода на предмет утечек, ошибка в смещении аппарата вправо или влево по отношению к оси МНГП не должна превышать +/- 10 метров. При погрешности измерения угла α, превышающей +/- 15% МНГП может выйти из зоны уверенного приема данных о состоянии нефтепровода.

В момент приближения планирующего зонда к нефтепроводу в зависимости от порога чувствительности излучателя, на расстоянии L₁ возникнет сигнал на приемнике. На вершине МНГП когда расстояние равно L₂ сигнал будет максимальным. При отдалении от вершины нефтепровода сигнал будет рассеиваться (рис. 5).

Для повышения точности измерения угла α, ЭП должен быть выполнен в форме полусферы, состоящей из четырех излучающих и приемных датчиков, каждый в своем секторе (Рис.6). Данное решение позволяет определить, в каком именно месте по отношению к нефтепроводу находится планирующий зонд. Если отраженный сигнал появляется в секторе1, значит ПЗ находится на расстоянии от МНГП. В момент появления сигнала на секторе3 можно считать, что зонд находится у края трубопровода. Соответственно таймер начинает отсчет времени Δt. Когда сигнал в секторе 2 исчезнет можно считать, что ППЗ прошел весь нефтепровод. Таймер прекращает отсчет.

Для определенных конструкций подводных планирующих зондов и их конкретных траекторий движения, геометрических размеров нефтегазопроводов, а также чувствительности, используемых электромагнитных приемо-передающих устройств необходимо оценивать перечисленные выше составляющие погрешности для данной конкретной конструкции ППЗ и ИИУС.

Литература.

1. Куликовский К.Л., Ванчин Е.А. Способы построения информационно измерительных систем для подводных планирующих зондов// Современный научный вестник. 2012 №14.

2. Куликовский К.Л., Ванчин Е.А. Определение положения планирующего зонда с помощью измерительной аппаратуры на базе магнитометров//Новости передовой науки. 2013 Том 55.

3. Ивлиев Е. А. Обнаружение, отслеживание и обследование подводных трубопроводов и кабелей электромагнитными методами// Подводные исследования и робототехника. 2009. №2(8)

4. Ванчин Е.А., Куликовский К.Л. Информационно измерительная и управляющая система для поиска утечек в магистральных нефтепроводах и формирования траектории движения планирующего зонда//Восточное партнерство. 2013 Том 30.