Разработка малогабаритного видеокроулера для телеинспекции трубопроводов

Современные изделия металлургической промышленности отличаются многообразием размеров, форм, материалов, конструктивного исполнения, технологий и другими особенностями. Производство стальных и чугунных корпусных изделий и труб, алюминиевой и медно-сплавной арматуры, жаропрочных стальных лопаток и титановых изделий, изделий из пластмасс и драгоценных металлов и много других наименований — все они требуют визуального контроля.

Визуальная оценка состояния обследуемой поверхности объекта предполагает зрительное восприятие ее изображения на некотором удалении от самого участка. Оптическое изображение у объекта дистанцируется потребителю (оператору) посредством технологических операций и технических устройств, объединенных в единую систему визуально-оптической дефектоскопии. Важными составными частями такой системы являются техника и технологии оптического обзора предметной поверхности.

При всех различиях в технике и технологиях, все виды контроля, в том числе и оптический, являются весьма ответственными и трудоемкими, требующими значительного психо-эмоционального и физического напряжения. Значимость и объемы работ (например, все изделия литейного производства подвергаются стопроцентному осмотру) предъявляют повышенные эксплуатационные и эргономические требования к технике и технологиям визуального осмотра. Они для оператора должны быть сравнительно простыми, легко воспринимаемыми и производительными.

Наиболее прогрессивным направлением в оптическом виде контроля на сегодняшний день является эндоскопия, которая возникла в результате сближения и частичного слияния волоконно-линзовой оптики, с одной стороны и визуального контроля, с другой. Эта быстро развивающаяся область визуально-оптического контроля представлена большим количеством теоретических работ и многочисленными образцами оригинальных и высокотемпературных оптических систем, устройств и приборов различного назначения. Многие из этих оптических средств выпускаются промышленностью серийно.

1. Общая часть (обзор и сравнительный анализ)

1.1 Анализ характеристик объекта контроля

Основным объектом контроля в рамках данного дипломного проекта являются стальные трубы внутренним диаметром от 100 до 180 мм. Согласно [2], трубы по наружному диаметру можно разделить на 3 группы:

— малого диаметра (от 10 до 114 мм);

— среднего диаметра (от 114 до 530 мм);

— большого диаметра (от 530 до 1620 мм).

Контролируемые объекты, попадают под категорию труб малых и средних диаметров. Толщина стенок, область применения, а также материал изготовления указан в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Некоторые характеристики стальных труб

Основные дефекты, подлежащие выявлению проектируемым устройством при визуальном контроле состояния основного материала и сварных соединений трубопроводов:

— механические повреждения внутренних поверхностей;

— формоизменения изделий (деформированные участки типа выбоин и вмятин);

— поверхностные дефекты в корне сварного шва;

— выход трубы из ряда и других отклонений от первоначального расположения;

— коррозионный и эрозионный износ поверхностей.

Кроме того с помощью проектируемого устройства, в трубах можно производить поиск засоров и утерянных деталей.

К выявляемым дефектам корня сварного шва относятся следующие дефекты.

Вогнутость корня шва. Неглубокая канавка со стороны корня одностороннего сварного шва (рисунок 1.1 а).

Местное превышение проплава. Местный избыточный проплав сверх установленного значения (рисунок 1.1 б).

Наплыв. Избыток наплавленного металла сварного шва, натекший на поверхность основного металла, но не сплавленный с ним (рисунок 1.1 в).

Натёк. Металл шва осевший от тяжести и не сплавленный с соединяемой поверхностью, нижнем или потолочном положении сварки (рисунок 1.1 г.).

Непровар в корне шва. Несплошность по всей длине шва или на его отдельном участке, возникающая из-за неспособности расплавленного металла проникнуть внутрь соединения (рисунок 1.1 д).

Превышение проплава. Избыток наплавленного металла на обратной стороне стыкового шва (рисунок 1.1 е).

а — вогнутость корня шва; б — местное превышение проплава; в-наплыв;

г — натёк; д — непровар в корне шва; е — превышение проплава;

Рисунок 1.1 — Основные дефекты в корне сварного шва

1.2 Технология визуального осмотра

Простейшим видом визуального контроля является традиционно выполняемый осмотр. В соответствии с нормативно-технологическими требованиями оператор (контролер) визуально оценивает фактическое состояние поверхности, отдельных ее участков и наиболее склонных к отклонениям элементов, зон и других областей. Для повышения восприимчивости потенциальных отклонений применяются оптические приборы увеличения изображений (лупы, микроскопы, бинокли).

В линзовых приборах визуального осмотра воспринимаемое изображение осматриваемого участка (зоны) формируется и передается оптической системой, построенной на элементах геометрической оптики. Посредством линзовых объективов, длиннофокусных цилиндрических световодов, оптических дефлекторов и других устройств осуществляется целенаправленное преобразование и передача всех элементов структуры осматриваемого предмета с их переносом к адекватному отображению у оператора. С помощью такой техники контролер больше и лучше видит и воспринимает увиденное и с учетом своего опыта и знаний по концептуальной модели делает заключение о дальнейшей пригодности изготовленного предмета. Такие действия осуществляются как при оценке готовой продукции, так и при определении объемов работ и его ремонтопригодности при восстановлении в процессе ремонта.

В каждом конкретном случае характер визуального осмотра определяется видом контроля. Например, при приемочном контроле осматривается состояние исходных комплектующих, материалов, сборочных единиц и других объектов. В операционном контроле визуально оценивается состояние изделия или полуфабриката на той или иной операции производственного процесса. При сдаточном контроле визуальный осмотр может быть некоторой составной частью всего комплекса контрольно-измерительных операций, предназначенных для установления полного соответствия фактического состояния изделия его стандартным требованиям. Т. е. сдаточный контроль для некоторого этапа производства является заключительным.

В зависимости от характера пространственного и технологического сосредоточения потенциально значимых аномальных отклонений и источников информации используются различные виды осмотра.

При случайном осмотре пространственно-временное положение участка может быть ограничено только имеющимися статистическими данными; как пространственные характеристики, так и качественные характеристики возможных дефектов не определены и не предсказуемы. Такая ситуация имеет место при отработке технологических режимов, выборе материалов, испытаниях и доводке конструктивных схем различных отливок и форм. Достоверность результатов определяется только статистическими данными и комбинированным применением разрушающих и неразрушающих методов контроля.

За счет ориентирования наблюдатель ведет целенаправленный осмотр технологически и конструктивно означенных мест (участков, зон). Такое ориентирование задается заранее предусмотренными технологическими точками (в авиационно-космической отрасли) или с помощью специальной технологической оснастки.

В дефектоскопии объектов со случайно распределенными по длине или в пространстве источниками информации эффективно применение сканирования предметной поверхности. Особо важное значение имеет сканирование внутренних поверхностей протяженных длинномеров с изменяющейся формой поверхности.

Выбор схемы сканирования преимущественно определяется конструктивными и габаритными особенностями объектов. Для длинномеров используются:

— сканирование вращательно-поступательным движением предметной поверхности со статически фиксированными неподвижными приемниками изображений;

— сканирование перемещающимся (вращательное, прямолинейное или совместное) приемником изображения при статически фиксированном положении предметной поверхности (рисунок 1.2).

(а) с сосредоточенными приемниками 1 на поверхности 2 объекта 3; (б) передвижной приемник 1, поверхность 2; (в) сканирование программное. 1 — сканер, 2 — преобразователь, 3 — канал передачи, 4 — устройство ОС, 5 — органы управления и регулирования.

Рисунок 1.2 — Схемы сканирования предметной поверхности На контрольной позиции n-приемников 1 располагаются в соответствии с алгоритмом контроля и числом аппроксимированных участков по развертке предметной поверхности 2 (рисунок 1.2, а). Информация с поступательно перемещающегося и вращающегося объекта 3 считывается приемниками. Для протяженных длиномеров рациональнее схема сканирования подвижным приемником 1, перемещающимся относительно предметной поверхности объекта 2 (рисунок 1.2, б).

Посредством сканирующего устройства 1 производится непрерывное восприятие изображения предметной поверхности объекта О (рисунок

3.9, в) в различных его участках. Сканируемое оптическое изображение одновременно передается на преобразователь 2, согласующий его параметры с соответствующими параметрами канала передачи 3. Вся координация операций сканирования на первичном уровне осуществляется органами регулирования 5 и управления 4 с необходимыми механическими а, электрическими b и оптическими c связями. При необходимости наблюдатель может производить повторный (неоднократный) просмотр сомнительных мест за счет реверсивного привода.

Осмотр динамических объектов на основе метода наложения первичного изображения обследуемого места (элемента конструкции) и изображения эталона (образца) реализуется по схеме стробирования. Для обеспечения стробоскопического эффекта наблюдаемый элемент освещается частотно-фазовым регулируемым светом, передаваемым по осветительному световоду. Фиксируемое изображение по информационному световоду передается в устройство регистрации и для зрительного восприятия наблюдателем.

Посредством сканирования и стробирования значительно улучшается качество дефектоскопии, особенно труднодоступных, сложнопрофильных и динамических объектов.

1.3 Технические средства визуально-оптической дефектоскопии

В технологическом контроле объектами дефектоскопии выступают как отдельные детали, узлы и целые конструкции, так и машины и аппараты. Выбор методов дефектоскопии и их применимость определяется результатами анализа конструкторско-технологической документации, условиями ремонтопригодности, технико-экономическими и другими показателями. Особенно для сложных объектов литейного производства эффективно применение визуально-оптических методов и технологий, позволяющих наблюдать и оценивать реальное состояние труднодоступных участков без разрушения и демонтажа.

Визуальный контроль внутренних поверхностей является весьма трудоемкой и ответственной операцией и используемые технические средства и технологии контроля должны быть сравнительно просты в пользовании. При всей своей специфичности они должны быть хорошо и быстро осваиваемыми и не требовать высокой квалификации.

Массо-габаритные параметры изделий, производственная структура производственных цехов и участков зачастую ограничивают применение стационарных контрольно-измерительных комплексов. Более употребительными являются переносные, малогабаритные и эргономически удобные волоконно-оптические или жесткие эндоскопы с автономными и стационарными осветителями.

Эндоскопы или бороскопы — это смотровые приборы, построенные на базе волоконной и линзовой оптики и механических устройств.

Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта контроля с помощью специальной оптической системы (часто типа микроскоп, телескоп), позволяющей передавать изображение на значительные расстояния (до нескольких десятков метров) с отношением эффективной длины эндоскопа L к его наружному диаметру d: L/d >> 1.

Современный серийный эндоскоп является универсальным оптико-механическим прибором, обеспечивающим любой вид визуальной диагностики и контроля внутри закрытого пространства на значительную глубину (практически до 30 м).

Использование в эндоскопах холодных источников света высокой яркости открыло безопасный метод контроля поверхностей в полостях, содержащих взрывчатые материалы, жидкости или газы, а также обеспечило качественное фотографирование, киносъемку и телевизионную передачу изображения указанных поверхностей при малых размерах входного отверстия контролируемой полости.

Эффективные методы жидкого и газового охлаждения позволяют использовать эндоскопы в горячих местах ядерных реакторов, ракетных установок и металлургических печах при температуре до 2000 °C.

Существуют линзовые, волоконно-оптические и комбинированные эндоскопы.

Линзовые (жесткие) эндоскопы.

Оптическая схема современного типичного линзового эндоскопа показана на рисунке 1.3.

1 — объектив; 2 — металлическая трубка; 3 — система оборачивающих линз; 4 — световод, передающий световую энергию от источника в металлическую трубку для освещения ОК;

5 — окуляр.

Рисунок 1.3 — Структурная схема линзового (жесткого) эндоскопа:

Освещенное, с использованием световода, изображение участка объекта контроля (ОК) передается наблюдателю по цепочке, содержащей линзы объектива, иногда и призм, систему поворачивающих линз, служащих для увеличения эффективности рабочей длины прибора, и линз окуляра. Эндоскопы этого типа снабжаются системой фокусировки, позволяющей получать резкое изображение анализируемого участка ОК как в ближней, так и в дальней зоне. Управляя поворотной ручкой, можно поворачивать трубку на угол более 360° и легко изменять анализируемый участок ОК.

Вводимые в ОК элементы линзового эндоскопа работоспособны при температурах от -40 до +150°С и под давлением 4 атм. Водонепроницаемая конструкция трубки эндоскопа позволяет вести контроль в воде и масле. Линзовыми эндоскопами можно контролировать стены зданий, поверхности разнообразных трубопроводов, авиационные двигатели, автомобильные литые детали и т. п. и обнаруживать царапины, трещины, коррозионные пятна, выбоины и другие дефекты размерами 0,03… 0,08 мм в изделиях длиной 10 м и диаметром 5… 100 мм и более.

Линзовые эндоскопы обычно представляют собой жесткую конструкцию. Но уже созданы приборы, имеющие участки корпуса с гибкой оболочкой, изгибающиеся в пределах 5… 10°.

Волоконно-оптические эндоскопы.

Возможности технической эндоскопии существенно расширены, благодаря созданию волоконно-оптических элементов.

Волоконные световоды представляют собой набор тонких стеклянных светопроводящих волокон диаметром 9… 30 мкм, собранных в жгут. Каждый элементарный световод (волокно с большим показателем преломления) покрыт снаружи тонким слоем (1… 2 мкм) стекла с более низким показателем преломления.

На границе волокно-покрытие происходит полное внутреннее отражение света, входящего в основное волокно, что обеспечивает его прохождение по световоду с минимальным ослаблением (рисунок 1.4). При значительных размерах световода число отражений бывает более 10. Это приводит к ослаблению сигнала, которое связано с длиной световода экспоненциальной зависимостью.

а — с прямыми торцами; б — с косыми торцами; в-изогнутые; г — фокен (уменьшает размеры передаваемого изображения); д — афокен (увеличивает размеры передаваемого зображения).

Рисунок 1.4 — Структурные схемы волоконных световодов

Для работы в ультрафиолетовой области используют кварцевые волокна, прозрачные в диапазоне 0,2… 4 мкм.

В инфракрасном диапазоне (0,9… 10 мкм и более) применяют волокна из специальных халькогенидных бескислородных стекол.

Световоды для передачи световой энергии изготовляют из беспорядочно уложенных волокон диаметром около 30 мкм.

Для передачи изображения используют пучок волоконно-оптических элементов с упорядоченной структурой. При этом число элементарных волокон может превышать 10⁶ на 1 см² при диаметре волокон 9 мкм. Торцы световодов полируют. При использовании световодов следует иметь в виду, что они могут сильно деполяризировать проходящий свет.

Разрешающая способность серийных световодов составляет в среднем 15…20 ммП?. Лучшие образцы могут иметь разрешающую способность до 50 ммП¹.

В целом волоконные световоды, используемые в эндоскопах, пока уступают по качеству изображения линзовым системам. Однако разрабатываются меры по устранению мозаичной структуры изображения в световодах и повышению их разрешающей способности.

Волоконные световоды обладают преимуществами, делающими их незаменимыми при решении многих задач. Так, они позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю. Высокая световая эффективность световодов используется при создании осветительных систем эндоскопов. При этом источник света располагается вне прибора, что позволяет исключить нагрев изделия.

Волоконные осветители «холодного» света могут иметь торцы любой формы, например кольцевой, что обеспечивает высокую равномерность освещения объекта.

Особенности оптических схем эндоскопов.

Технический прогресс в промышленной эндоскопии неразрывно связан с решением таких важных задач, как большое поле зрения, отсутствие искажений изображения, точная передача цветов и необходимая яркость.

Самые яркие изображения получают эндоскопами малой длины и большого диаметра. При увеличении длины эндоскопа изображение становится менее ярким из-за потерь света в дополнительных оптических элементах, устанавливаемых для передачи изображения на достаточно большие расстояния. Для минимизации таких потерь оптические элементы просветляют.

В зависимости от длины телескопического участка изображение требует горизонтального, вертикального, либо двойного перевертывания (инверсии). Такое преобразование осуществляется в окулярном устройстве с помощью корректирующих линз в эндоскопах малого диаметра или оборачивающих линз в эндоскопах большого диаметра. Часто окулярные устройства бывают сменной конструкции на различные увеличения.

Рабочее расстояние, при котором может быть надежно визуально проконтролирован ОК при достаточной яркости изображения его поверхности, зависит от коэффициента отражения поверхности, длины эндоскопа, типа и увеличения окулярного устройства, углового поля зрения, а также типа наблюдения (обзора его поверхности). Поэтому далее коротко рассмотрим особенности эндоскопов с различными типами обзора поверхностей ОК.

Прямонаправленный (прямой) обзор. Тип I, дающий прямое (торцовое) наблюдение на угол визирования, применяется для контроля торца или дна канала, или штуцера (рис. 4.21). Эндоскопы с таким типом обзора имеют типичное угловое поле зрения около 45° (линейное поле зрения 20 мм на расстоянии 25 мм от линзы до поверхности ОК). Для освещения поверхности ОК в таких эндоскопах могут быть применены малогабаритные лампочки, расположенные по окружности, в центре которой имеется отверстие для прохождения отраженного от ОК света. Такая объективная часть не используется при малых рабочих расстояниях и при контроле небольшого участка в глухих отверстиях.

Косоприцеленный вперед обзор. Тип II, дающий наблюдение, наклонное вперед на угол визирования 25 и 45°, применяется для контроля, например, сварных швов в торце. В таких эндоскопах источники света обычно монтируются на дистальном конце эндоскопа. Размер поля контроля можно увеличивать при вращении направления визирования относительно оптической оси эндоскопа.

Боковой обзор. Тип III, обеспечивающий боковой контроль с углом визирования 90°, используется при детальном контроле стенок ОК с достаточно большим увеличением. Это эффективный прибор для визуального контроля стволов ружей, пистолетов, цилиндрических стенок или углубленных отверстий. Эндоскопы этого типа обычно снабжаются источником света, размещенным перед линзой объектива.

Ретроспективный обзор. Тип IV, обеспечивающий наклонные наблюдения назад на угол 135°, используется для контроля задних торцовых стенок, отверстий с внутренними уступами и т. п.

Панорамный (кольцевой обзор). Тип V обеспечивает высокопроизводительный осмотр цилиндрической полости сразу по всей кольцевой поверхности ОК. Объектив такого эндоскопа может обозревать цилиндрическую полосу с угловой шириной 30? по всей окружности отверстий.

Несмотря на свои преимущества перед жёсткими эндоскопами, гибкие волоконно-оптические эндоскопы тоже обладают некоторыми недостатками, которые особенно проявляются при контроле внутренней поверхности труб.

Во-первых, это длина гибких эндоскопов. В большинстве случаев, она составляет от 0,5 до 3 метров и этого, естественно, не достаточно для контроля объектов большой длины. С увеличением длины эндоскопа многократно возрастает его стоимость, т.к. качественное оптоволокно на сегодняшний день стоит не дёшево. К примеру, качественный эндоскоп ЭТГ 10−2,7 Российского производства с диной кабеля 2,7 м и диаметром рабочей части 10 мм, по состоянию на февраль 2010 года стоит 102 000 российских рублей (? 3200 у.е.).

I — прямонаправленный; II и III — косоприцельный и боковой;

IV — ретроспективный; V — панорамный.

Рисунок 1.5 — Конструкции дистальных концов эндоскопов для различных типов направлений визирования

Во-вторых, это качество изображения. В результате многократных отражений в оптоволокне, световой сигнал испытывает ослабление, что приводит к ухудшению видимого изображения на окуляре. Для увеличения разрешающей способности изображения, требуется увеличить количество оптических волокон в кабеле, что в свою очередь ведёт к увеличению диаметра кабеля и как следствие, к удорожанию эндоскопа.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что для контроля внутренних поверхностей достаточно длинных объектов, необходимо создание иного устройства. Одним из таких устройств является видеокроулер. Кроулеры — это устройства, предназначенные для самостоятельного перемещения по ОК и несущие на своём борту аппаратуру для его контроля. Кроулеры, как правило, делаются на колёсном ходу, но существуют также модели и для перемещения на плаву.

Круг задач, решаемых с помощью видеокроулеров, следующий:

— контроль коррозионного состояния внутренних поверхностей ОК.

— контроль задымлённости и затуманенности ОК.

— визуальный осмотр сварных швов.

— поиск засоров и утерянных деталей.

Области применения видеокроулеров:

— воздушные каналы и кабелепроводы.

— маслои паропроводы.

— сосуды высокого и низкого давления, а также резервуары.

— паросборники.

— газои водопроводы.

Анализ готовых решений, имеющихся на рынке.

Низкопрофильный робот ROVVER 400 оценен во всем мире за его широкую универсальность. Система ROVVER 400 имеет модульную конструкцию, и максимальную адаптируемость. Обеспечивает широкий обзор в горизонтальной трубе или туннеле с помощью обзорной телевизионной камеры. Камера имеет дистанционно-регулируемый фокус и всегда даёт четкую картинку.

Рисунок 1.5 — Видеокроулер Rovver 400

Таблица 1.2 — Технические характеристики видеокроулера Rovver 400

ROVVER 600 низкопрофильный робот — мобильный и универсальный способ инспекции трубопроводов. Идеально подходит для различных применений благодаря его модульной конструкции и его способности осматривать внутренности труб с диаметрами в пределах от 150 мм до 900 мм. Это малый колёсный робот в своем классе, что дает ему способность пройти через замусоренные трубы, большие выступы, и выдающиеся трубные швы. Дистанционное управление робота ROVVER дает способность контролировать фокус и освещение, а также направлять ход, когда есть препятствия, типа мусора или ответвлений.

Рисунок 1.6 — Видеокроулер Rovver 600

Таблица 1.3 — Технические характеристики видеокроулера Rovver 600

ROVVER 900 несет курсовую и обзорную цветные видео камеры, с которыми может осуществлять поиск и осмотр на расстоянии до 200 м. Эти характеристики идеально удовлетворяют многие потребности из-за его модульной конструкции и способности осмотреть внутренние трубы с диаметрами, большими чем 225 мм. Управляемая платформа системы ROVVER позволяет оператору поднимать и опускать камеру, управлять фокусировкой и освещением, управлять сцеплением и направлением движения транспортера, когда на пути его движения встречаются препятствия.

Рисунок 1.7 — Видеокроулер Rovver 900

Таблица 1.4 — Технические характеристики видеокроулера Rovver 900

P-200 — это комплекс на базе колёсного самоходного робота с цветной видеокамерой, имеющей функцию увеличения (10х оптическое и 4х цифровое). Робот заполняется сухим азотом для предотвращения конденсации влаги внутри корпуса и на стекле видеокамеры при работе в условиях перепада температур. Предназначен для телеинспекции трубопроводов диаметром от 250 до 1200 мм. Определяет профиль залегания трубопровода на основе показаний датчика тангажа. Наличие системы бортового поворота для маневрирования в трубах. Пантографический механизм подъёма видеокамеры обеспечивает расположение видеокамеры по оси трубопровода в трубах диаметром до 1200 мм.

Рисунок 1.8 — Видеокроулер Р-200

Видеокроулер SUPERVISION модель для инспекций трубопроводов диаметром от 250 до 1000 мм длиной до 300 м. 4 ведущих колеса, водонепроницаемость до 10 бар.

Рисунок 1.9 — Видеокроулер SuperVision

1.4 Постановка задачи проектирования

Из вышеприведённого анализа видно, что на сегодняшний день на рынке видеокроулеров присутствует немало качественных разработок. Однако подавляющее большинство моделей не предназначено для контроля труб диаметром порядка 100 мм. Кроме того, все разработки имеют импортное происхождение, что ведёт к увеличению их стоимости для конечного потребителя в РБ. К примеру, цена некоторых кроулеров в полной комплектации, может доходить до 10 000 у.е.

Поэтому возникает вопрос о целесообразности создания малогабаритного видеокроулера, предназначенного для контроля труб относительно небольших диаметров (от 100 до 180 мм). Готовое решение предполагается быть более простым, по сравнению со своими аналогами, однако и более доступным по цене.

Сформулируем основные задачи дипломного проекта:

— выбор и обоснование метода контроля;

— расчёт параметров контроля;

— оценка чувствительности контроля;

— разработка структурной схемы установки контроля;

— моделирование и расчет механической части устройства;

— моделирование и расчет электронной части устройства;

— разработка метрологического обеспечения;

— обеспечение безопасности и экологичности проекта;

— экономическое обоснование проекта.

2. Выбор метода контроля и теоретическое моделирование

2.1 Выбор и обоснование метода контроля

Основной метод оптического вида контроля, который реализуют видеокроулеры — это визуально-оптический метод. Его характеристики даны в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Характеристики визуально-оптического метода НК

Видеокроулеры так же могут оснащаться дополнительной измерительной аппаратурой, которая расширяет возможности устройства по контролю или диагностике заданного ОК. Это могут быть, например, акустические или вихретоковые датчики. В рамках данного дипломного проекта, на устройство планируется установка датчика горючих газов (пропан, бутан, метан) или датчика паров жидких углеводородов (бензин, ацетон). Эти датчики позволят производить предремонтную диагностику объектов нефтегазового комплекса (газопроводы, бензопроводы, резервуары для ГСМ), для принятия решения о возможности дальнейшего проведения ремонтных работ.

Существует множество различных типов газоаналитических датчиков. Рассмотрим три наиболее распространенных типа.

Оптико-абсорбционные. В основу принципа действия газоанализаторов заложен оптико-абсорбционный метод анализа газа, основанный на измерении поглощения инфракрасной (ИК) энергии анализируемым компонентом. Степень поглощения ИК-энергии излучения зависит от концентрации анализируемого компонента в газовой смеси. Каждому газу присуща своя область длин волн поглощения, это обуславливает возможность проведения избирательного анализа газов. Функциональная схема работы этих датчиков изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Функциональная схема оптико-абсорбционных датчиков.

К преимуществам датчиков данного типа следует отнести крайне малую погрешность выходного сигнала от температуры окружающей среды, а также возможность работы в широком диапазоне измерений.

К недостаткам, датчиков данного типа относятся зависимость выходного сигнала от наличия в среде пыли или дыма, а также относительно большие габариты из-за наличия газовой кюветы с множеством световых призм для увеличения проходимого ИК-лучом пути. Этот недостаток не позволяет применять данные датчики в малогабаритных устройствах, таких как проектируемый видеокроулер.

Термокаталитические. Принцип действия датчика основан на каталитическом сгорании углеводородных газов и паров на чувствительном элементе датчика. Датчик состоит из двух элементов (чувствительного и опорного), установленных в одном корпусе и разделенных экраном (рисунок 2.2). Элементы представляют собой платиновые терморезисторы, покрытые керамикой оксида алюминия (чувствительный элемент — активирован Pt — Pd катализатором). Выходной сигнал датчика обусловлен разностью температур чувствительного и опорного элемента в присутствии горючих газов.

Рисунок 2.2 — Устройство термокаталитического датчика Преимуществом этих датчиков является их малые габариты и вес, а недостатком — возможность измерять лишь довзрывные концентрации горючих газов. Однако, даже в этом случае применение данного датчика возможно в рамках проектируемого устройства.

Полупроводниковые. Принцип действия датчика основан на увеличении проводимости полупроводниковой керамики, находящейся при температуре 400 — 450 ^оС в присутствии восстанавливающих газов (рисунок 2.3). При питании датчика стабилизированным током выходной сигнал (U_вых) образуется за счет разницы падения напряжения на чувствительном элементе в чистом воздухе (Uв) и газовой среде (Ur).

Рисунок 2.3 — Устройство полупроводникового датчика Преимущества и недостатки у полупроводникового датчика практически те же, что и у термокаталитического. Однако из-за отсутствия опорного элемента в датчике, кол-во проводов для работы с ним сокращено с 3 до 2. Это позволит применить кабель с меньшим числом жил, что более приемлемо для проектируемого устройства.

После анализа наиболее распространённых типов газоаналитических датчиков, для применения выбран полупроводниковый датчик.

2.2 Расчёт параметров контроля

В качестве измерительного оборудования на видеокроулер установлен полупроводниковый датчик горючих газов ПГС-1Ех. Более подробное описание этого датчика будет дано в пункте 3. Здесь же остановимся на параметрах измерения данным устройством горючих газов (паров жидких углеводородов). Значения основных параметров датчика, для каждого измеряемого компонента, даны в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Параметры датчика для измеряемых компонентов

НКПР — минимальное содержание горючего газа или пара в воздухе, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника.

Например, для метана НКПР равен 5% объемной доли в воздухе, для пропана — 2,1%, для бензина — 4%.

Газоанализатор обеспечивает выдачу сигнала, пропорционального значению концентрации определяемого компонента. Значение концентрации определяемого компонента по выходному сигналу вычисляется по формуле:

(2.1)

где U_вых — выходной сигнал датчика в мВ;

Un — нижняя граница выходного сигнала, равная 2 мВ;

Кn — номинальный коэффициент преобразования, согласно таблице 2.2;

Следовательно, номинальная функция преобразования датчика по выходному токовому сигналу имеет вид:

(2.2)

где С — значение концентрации определяемого компонента;

График зависимости выходного сигнала в мВ от процентного содержания исследуемого компонента в единицах НКПР, представлен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Значение выходного сигнала от концентрации измеряемого компонента для датчика ПГС-1Ех

2.3 Оценка чувствительности контроля

Для газоаналитических датчиков чувствительность к измеряемым компонентам обычно выражается в специальных единицах — PPM.

PPM (сокращение от англ. parts per million — «частей на миллион») — единица измерения концентраций и других относительно малых величин.

1 ppm = 0,001 ‰ = 0,0001%

Для датчика ПГС-1Ех чувствительность к метану и пропану составляет 10 ppm, а для бензина — 100 ppm. В пересчёте на объёмную долю в воздухе, это составит 0,001% и 0,01% соответственно.

Более подробные характеристики чувствительности датчика приведены в таблице 2.3.

Стоит отметить, что данная чувствительность, а также прочие технические характеристики датчика обеспечиваются только при полном соблюдении условий эксплуатации, которые подробно оговорены в пункте 3.5.

Таблица 2.3 — Параметры чувствительности датчика ПГС-1Ех

Применяемая в разрабатываемом устройстве видеокамера, обладает светочувствительностью 0,5 лк. Более подробные характеристики видеокамеры, приведены в пункте 3.4.

3. Разработка технических средств контроля

3.1 Разработка структурной схемы установки контроля

На начальном этапе проектирования любой установки необходимо разработать и составить структурную схему установки контроля.

Схемы структурные и функциональные предназначены для общего ознакомления с изделием и для изучения общих принципов работы изделия.

Данные схемы разрабатывают на этапах эскизного и технического проектирования. Они определяются сложностью изделия и необходимостью обеспечить исходными данными последующий этап проектирования.

На структурной схеме в виде прямоугольников должны быть изображены все основные функциональные части изделия. Допускается изображать элементы, устройства, функциональные части в виде условных графических обозначений (УГО). Основные составные части изделия изображаются, как правило, без учета их действительного расположения и подробностей. Однако графическое построение схемы должно наглядно показывать взаимодействие функциональных частей в изделии.

На схеме должны быть показаны взаимосвязи электрические и, при необходимости, механические, существующие между функциональными частями. На линиях взаимосвязи можно стрелками показывать направление хода процессов, происходящих в изделии. Графическое построение структурной схемы должно наглядно показывать взаимодействие функциональных частей в изделии.

Структурная схема применяется для изучения принципов работы при наладке, регулировке, контроле и ремонте. Структурная схема состоит из следующих блоков:

— объект контроля;

— датчик горючих газов;

— осветительное устройство;

— видеокамера;

— передвижная платформа;

— многожильный соединительный кабель;

— газоанализатор;

— блок управления;

— видеорегистратор;

— блок питания.

Структурная схема установки контроля представлена на чертеже 20.01.02 00.00.000 C1.

3.2 Выбор структурных элементов и основные требования к ним

Опишем требования и назначение для каждого блока структурной схемы и определим выбор или его дальнейшую разработку.

Датчик горючих газов предназначен для измерения объёмной концентрации углеводородов, которые находятся (метан, пропан) или могут находится в газообразном состоянии (бензин) при нормальных условиях внутри ОК.

Осветительное устройство должно обеспечивать освещённость ОК, достаточное для его визуально-оптического осмотра.

Видеокамера выполняет роль первичного приёмника в электронно-оптической схеме. С помощью неё и осуществляется визуально-оптический осмотр внутренних поверхностей ОК.

Передвижная платформа предназначена для перемещения по ОК осветительного, измерительного, регистрирующего, и другого оборудования. Для передвижения по ОК, кроулер оснащается электроприводом, который передаёт вращение на рабочий орган (колесо или гребной винт).

Многожильный соединительный кабель служит для передачи информационных сигналов от видеокамеры и датчика горючих газов к видео регистратору и газоанализатору соответственно. От блока управления сигнал может подаваться на управление электроприводом, осветительным устройством, видеокамерой. Также через кабель происходит снабжение всех систем видеокроулера электроэнергией.

В качестве газоанализатора может применяться любой переносной прибор, способный работать с полупроводниковыми датчиками горючих газов. Прибор должен быть согласован с датчиком как по типу определяемого газа, так и по диапазонам измерения.

Блок управления служит для манипуляции различными системами кроулера. Например, интенсивностью осветительных устройств, скоростью и направлением вращения электропривода.

В качестве видеорегистратора может быть использован портативный ЖК-монитор. Однако, наиболее приемлемым вариантом будет использование ноутбука с наличием видео входа. Это позволит записывать результаты контроля в видео или графический файл, для их последующего просмотра и вывода на печать.

Блок питания обеспечивает все электрические системы видеокроулера энергией. Он должен выдавать постоянный ток требуемого напряжения, а его мощности должно хватать для обеспечения работы видеокроулера в течении достаточно продолжительного времени.

3.3 Моделирование и расчёт механической части кроулера

По техническому заданию максимальная длина обследуемой части трубы должна составлять 50 м. Для этого необходимо использовать многожильный кабель соответствующей длины. Для решения этой задачи был выбран 10-ти жильный кабель КСПВ производства фирмы «Паритет» (РФ). Данный тип кабеля предназначен для использования в системах сигнализации и телекоммуникации. Технические характеристики кабелей данного типа представлены ниже.

Таблица 3.1 — Технические характеристики кабелей КСПВ

Из таблицы видно, что удельная масса 10-ти жильного кабеля составляет 26,1 г/м. Следовательно масса кабеля длинной 50 м составит:

(3.1)

Кроме того, изначально предполагалось, что масса самого кроулера не превысит 1,8 килограмма. Следовательно, максимальная масса груза, которую необходимо перемещать не превысит 3,1 кг.

После предварительного эскизирования положения кроулера в трубе диаметром 100 мм, было выяснено, что для эффективного использования всего свободного пространства трубы такого диаметра, угол скоса колёс должен составлять 50°, а ширина колес 10 мм. Скос колёс нужен для того, чтобы во время продвижения по трубам с малым радиусом кривизны, кроулер всё время сохранял прямой курс. Диаметр колёс был конструктивно выбран равным 60 мм, а зазор между колесом и корпусом кроулера 3 мм.

Ширина платформы кроулера составила при этом 50 мм. Из этого следовало, что двигатель, необходимый для передвижения кроулера с общей массой 2,8 кг, нужно располагать вдоль платформы, а для передачи вращательного движения на колёса, потребуется конический редуктор.

Основные характеристики передач:

— мощность Р₁ на входе и Р₂ на выходе, Вт;

— быстроходность, которая выражается частотой вращения n₁ на входе и n₂ на выходе, мин^-1, или угловыми скоростями щ₁ и щ₂, с^-1.

Эти характеристики минимально необходимы и достаточны для проектного расчёта любой передачи.

Проведём энергетический и кинематический расчёт привода. Исходными данными для этого расчёта являются:

— максимальная масса кроулера (вместе с проводом): m = 3,1 кг;

— диаметр колес: d = 0.06 м;

— максимальная скорость кроулера: v = 0,1 м/с;

— ускорение свободного падения: g = 9.8 м/с²;

— коэффициент сопротивления перекатыванию: f_k = 0.08 (приближённо);

— коэффициент сопротивления качению: Х = 10 (приближённо);

— КПД всего привода: з₀ = 0.7 (конструктивно).

Вес тележки G:

. (3.2)

Сила сопротивления качению F:

. (3.3)

Сила сопротивления движению кроулера Fc:

. (3.4)

Мощность, потребляемая рабочим органом Рс:

(3.5)

Мощность, потребляемая электродвигателем Рэд:

. (3.6)

Угловая скорость вращения колеса щ_КОЛ:

. (3.7)

Частота вращения колеса n_КОЛ:

. (3.8)

В качестве силовой установки было принято решение использовать бесколлекторный микродвигатель постоянного тока. Эти двигатели находят широкое применение в системах автоматики, телемеханики, в вычислительной технике, выполняя различные, порой уникальные функции. Электрические микромашины отличаются от машин средней и большой мощности не только малыми размерами. Для них характерны очень широкие диапазоны частоты вращения (от одного оборота в сутки для двигателя с редуктором, до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту), относительно большое значение тока холостого хода (до 90%), мало или практически совсем не насыщенные магнитные цепи, значительно меньшие потери в стали, по сравнению с потерями в обмотках, большие плотности тока в обмотках. Кроме того, в отличие от коллекторных двигателей, отсутствие трущихся частей, таких, как щётка и коллектор, делает двигатель гораздо менее требовательным к обслуживанию и ремонту.

Недостатком данных двигателей по сравнению с шаговыми приводами, является невозможность точного позиционирования вала. Вместе с тем, когда не требуется точное позиционирование, а только управление скоростью, бесколлекторный двигатель постоянного тока с редуктором является наиболее экономичным решением, поскольку, в отличие от шаговых двигателей, не требует сложных схем управления. Это очень важно, так как стоимость схемы управления шаговым двигателем сопоставима со стоимостью самого двигателя. Кроме того проблема позиционирования вала, может частично решаться установкой оптических и магнитных энкодеров (датчиков Холла). Несмотря на скромные габариты уровень вращающего момента и допустимые скорости вращения достаточно высоки.

Исходя из расчётной мощности двигателя и ширины платформы, был выбран мотор-редуктор серии IG-32GM фирмы KING RIGHT MOTOR (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Мотор-редуктор IG-32GM

Мотор-редуктор серии IG-32GM состоит из реверсивного бесколлекторного двигателя постоянного тока и планетарного редуктора. Электродвигатель необслуживаемый. Передаточные числа прилагаемых редукторов 5~721. Количество ступеней 1~4. Температурный диапазон эксплуатации от -10°С до +50°С. Модуль зубчатых колес 0,5 мм. Радиальное биение выходного вала редуктора не более 0,05 мм, осевое биение не более 0,3 мм. Габаритные и присоединительные размеры двигателя приведены на рисунке 3.2.