实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置及方法

技术领域

该发明属于管道检测技术领域，具体涉及一种实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置及方法。

背景技术

随着能源需求的增加，作为油气能源主要输送方式的管道运输以其不可取代的突出优势，在全世界范围内得到了广泛的应用，与此同时，管道运输的安全性问题也越来越受到各国政府的重视，由于所运输介质的危险性和污染性，一旦发生事故会造成巨大的生命财产损失和环境污染。管道事故检测是石油、化工、天然气等领域中需要解决的重要问题之一，而管道内检测是管道事故检测的一种重要的方法。应用管道内检测这种方法，管道内检测器在管道内部移动，有必要知道管道内检测器当前时刻在管道中的位置，而且当内检测器在管道内部发生卡堵时，需要及时确定其具体位置，并将其取出。如果长时间卡在管道中，使得流体不能正常运输，将会造成巨额的经济损失和环境的污染。

现有的技术方法有：基于检测脉冲电磁信号的追踪系统，其在管道内检测器中装载信号发射机，不断发射电磁信号，在监测点设有接收天线用于接收信号发射机发射的电磁信号。此方法的缺点是：只有当信号发射机处在一定监测范围内时，才能接收到信号发射机发射的电磁信号，不能实时监测内检测器在管道中的位置，而且当内检测器在管道中发生卡堵的位置不在监测点附近时，此方法也不能精确的确定内检测器在管道中的位置。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置及方法，采用瞬时压力波定位与超低频电磁波定位相结合的方法，以实现对内检测器在管道中位置的实时跟踪和精确定位。

一种实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置，该装置包括：内检测器、超低频电磁波发生器、压力传感器、电磁信号检测装置、压力数据采集装置、GPS校时装置、内检测器位置监控平台，压力波发生器，其中压力波发生器由1号压力波发生器和2号压力波发生器组成，其连接方式为：管道内超低频电磁波发生器一端连接内检测器一端，1号压力波发生器连接超低频电磁波发生器另一端，2号压力波发生器连接内检测器另一端，管道内始端与末端分别设有压力传感器；管道外设有电磁信号检测装置，管道外始端与末端分别设有压力数据采集装置、GPS校时装置和内检测器位置监控平台，其中压力传感器输出端、GPS校时装置输出端分别连接压力数据采集装置第一输入端和第二输入端，压力数据采集装置与内检测器位置监控平台通过网络进行通讯，管道始端与末端的监控平台通过网络进行通讯，超低频电磁波发生器与电磁信号检测装置通过电磁信号通讯。

实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置，所述的1号压力波发生器，包括有小挡板、侧壁、移动圆盘、弹簧、固定圆盘、钢丝、转盘固定轴、主控制单元、电路电源、橡胶塞、转盘、大齿轮、小齿轮、电动机、电动机电源、后壁；压力波发生器外形为圆柱状；其连接方式为：压力波发生器的侧壁一端连接圆形后壁，另一端沿侧壁圆周连接小挡板，上述三部分形成圆柱形腔体，构成压力波发生器的外壳，且在所述的后壁上含有一个通孔，在所述的腔体内左侧设置有移动圆盘，在移动圆盘和后壁之间设置有固定圆盘，在移动圆盘和固定圆盘之间，有四根完全相同的弹簧均匀安装在移动圆盘和固定圆盘圆周上，固定圆盘圆心有一个通孔，通孔上安装一个橡胶塞，钢丝的一端穿过固定圆盘上的通孔后固定在移动圆盘的圆心，另外一端缠绕在转盘上，转盘安装于转盘固定轴，所述的转盘固定轴位于固定圆盘与圆形后壁之间，转盘一侧安装大齿轮，大齿轮啮合小齿轮，小齿轮安装于电动机转轴上，所述的电动机转轴位于转盘固定轴与圆形后壁之间，其一端连接小齿轮，另一端连接电动机，在转盘固定轴与圆形后壁之间还设置有电动机、主控制单元、电动机电源、电路电源，所述的主控制单元连接电路电源，所述的电动机连接电动机电源。

实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置，所述的2号压力波发生器包括有小挡板、侧壁、移动圆盘、弹簧、固定圆盘、钢丝、转盘固定轴、电路板、橡胶塞、转盘、大齿轮、小齿轮、电动机、电动机电源、后壁，其各部分连接方式与1号压力波发生器相同。

实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置，所述的主控制单元与内检测器、超低频电磁波发生器、1号压力波发生器内部电动机、2号压力波发生器内部电路板相连接，其连接方式为：内检测器输出端连接主控制单元脉冲信号输入端，主控制单元第一控制信号输出端连接超低频电磁波发生器输入端，第二控制信号输出端连接1号压力波发生器内部电动机输入端，第三控制信号输出端连接2号压力波发生器内部电路板输入端。

实时跟踪与精确定位管道内检测器的方法，利用瞬时压力波定位与超低频电磁波定位相结合，实现对内检测器在管道中位置的实时跟踪和精确定位,步骤如下：

步骤1、在管道的始端投放带有定位装置的内检测器到管道中，管道的始端是流体注入管道的一端，内检测器在流体的推动下开始在管道中移动；

步骤2、单片机检测捕获内检测器里程轮上霍尔传感器发出的脉冲信号，并记录两个脉冲信号间的时间宽度；

步骤3、如果两个脉冲信号间的时间宽度达到1～10秒内的设定值，说明内检测器停止移动，则超低频电磁波发生器产生电磁波，即转到步骤9，与此同时延时20～50秒后，压力波发生器产生压力波，即转到步骤4；如果时间宽度小于1～10秒内的设定值，说明内检测器在移动，返回步骤2，与此同时延时5～15分钟后，压力波发生器产生压力波，即转到步骤4；

步骤4、对1号和2号压力波发生器中的电动机同时供电一次，移动圆盘随着弹簧的伸缩而前后移动，产生的压力波向管道始端和末端传播；

步骤5、安装在管道始端和末端的两个压力传感器检测管道两端的压力；

步骤6、ARM处理器控制模数转换单元对压力传感器输出的模拟信号进行模拟数字转换，将转换后的压力数据连同从GSP获取的时间信息打包后，通过网络以TCP/IP方式传送给内检测器位置监控平台；

步骤7、在内检测器位置监控平台，利用瞬态压力波定位方法计算出内检测器在管道中的位置后，在监控界面实时显示内检测器在管道中的位置，并将压力、时间和位置数据存储到数据库中；

步骤8、根据计算出的内检测器在管道中的位置，判断内检测器是否到达管道的末端，如果到达末端则转到步骤9，否则返回步骤2；

步骤9、超低频电磁波发生器产生电磁波，并用电磁信号检测装置探测出超低频电磁信号发出位置，从而确定内检测器的精确位置；

步骤10、从管道中取出带有定位装置的内检测器。

步骤7所述的在内检测器位置监控平台，利用瞬态压力波定位方法计算出内检测器在管道中的位置后，在监控界面实时显示内检测器在管道中的位置，并将压力、时间和位置数据存储到数据库中，步骤如下：

步骤7-1、内检测器位置监控平台通过网络以TCP/IP方式接受压力数据采集装置发送的压力数据和时间信息；

步骤7-2、内检测器位置监控平台与管道另外一端的内检测器位置监控平台通过网络相互传送压力数据和时间信息；

步骤7-3、利用小波变换从噪声中准确提取出压力波信号序列的对应特征点；

步骤7-4、根据压力波发生器引发的压力波传播到管道始端和末端的时间差，采用瞬态压力波定位方法计算内检测器在管道中的位置；

步骤7-5、将管道始端和末端的压力数据、时间信息和内检测器在管道中的位置信息存储到数据库；

步骤7-6、在监控界面实时显示管道始端和末端的压力数据、时间信息和内检测器在管道中的位置。

本发明的技术方案提供的实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置及方法的特点是体积小，功耗低，实时跟踪定位，定位精度高，并且适用于输油管道内部这种高温、高压、强腐蚀的恶劣环境，可以对100公里范围以内的管道中的内检测器进行实时跟踪与精确定位。

附图说明

图1是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置结构图；

图2是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器装置的1号压力波发生器结构图；

图3是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器装置的压力波、电磁波发生电路原理图；

图4是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器装置的电磁信号接受示意图；

图5是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器装置的精确定位方法示意图；

图6是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器装置的模拟数字转换电路原理图；

图7是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器装置的压力数据采集与GPS和与位置监控平台的接口电路原理图；

图8是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器的方法流程图；

图9是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器方法的监控平台软件流程图；

其中，在图1中，1— 1号压力波发生器，2— 2号压力波发生器， 3—内检测器，4—超低频电磁波发生器，5—电磁信号检测装置，6—压力传感器，7—压力数据采集装置，8—GPS校时装置，9—内检测器位置监控平台。

其中，在图2中，1-1—小挡板，1-2—侧壁，1-3—移动圆盘，1-4—弹簧，1-5—通孔，1-6—固定圆盘，1-7—钢丝，1-8—转盘固定轴，1-9—主控制单元，1-10—电路电源，1-11—橡胶塞，1-12—转盘，1-13—大齿轮，1-14—小齿轮，1-15—电动机，1-16—电动机电源，1-17—后壁。

具体实施方式

本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置及方法结合具体实例和说明书附图加以详细的说明。

图1是本发明实时跟踪与精确定位管道内检测器的装置结构图，该装置包括：1号压力波发生器1、2号压力波发生器2、内检测器3、超低频电磁波发生器4、电磁信号检测装置5、压力传感器6、压力数据采集装置7、GPS校时装置8、内检测器位置监控平台9，其中，1号压力波发生器结构如图2所示，包括小挡板1-1、侧壁1-2、移动圆盘1-3、弹簧1-4、通孔1-5、固定圆盘1-6、钢丝1-7、转盘固定轴1-8、主控制单元1-9、电路电源1-10、橡胶塞1-11、转盘1-12、大齿轮1-13、小齿轮1-14、电动机1-15、电动机电源1-16、后壁1-17。

本实施例中压力波发生器1的侧壁1-2一端连接圆形后壁1-17，另一端沿侧壁1-2圆周连接小挡板1-1，上述三部分形成圆柱形腔体，构成压力波发生器1的外壳，且在所述的后壁1-17上含有一个通孔1-5，在所述的腔体内左侧设置有移动圆盘1-3，在移动圆盘1-3和后壁1-17之间设置有固定圆盘1-6，在移动圆盘1-3和固定圆盘1-6之间，有四根完全相同的弹簧1-4均匀安装在移动圆盘1-3和固定圆盘1-6圆周上，固定圆盘1-6圆心有一个通孔1-5，通孔上安装一个橡胶塞1-11，钢丝的一端穿过固定圆盘1-6上的通孔后固定在移动圆盘1-3的圆心，另外一端缠绕在转盘1-12上，转盘1-12安装于转盘固定轴1-8，所述的转盘固定轴1-8位于固定圆盘1-6与圆形后壁1-17之间，转盘一侧安装大齿轮1-13，大齿轮1-13啮合小齿轮1-14，小齿轮1-14安装于电动机转轴上，所述的电动机转轴位于转盘固定轴1-8与圆形后壁1-17之间，其一端连接小齿轮1-14，另一端连接电动机1-15，在转盘固定轴1-8与圆形后壁1-17之间还设置有电动机1-15、主控制单元1-9、电动机电源1-16、电路电源1-10，所述的主控制单元1-9连接电路电源1-10，所述的电动机1-15连接电动机电源1-16。压力波发生器为圆柱状，长15cm，移动圆盘1-3移动距离7cm。弹簧1-4劲度系数10⁷N/m，以保证强大压强（10Mpa）下弹簧仍然可伸缩。利用大小齿轮啮合，将旋转的速度降低，同时将扭矩放大，来拉动弹簧。

本实施例中1号压力波发生器1内部主控制单元1-9，包括单片机，选用型号AT89S52-24AU，TQFP贴片封装，减小主控制单元的面积。单片机AT89S52采用上电复位，选用12M晶振，时钟周期T为1/12微秒。AT89S52自带三个16位定时器，定时器工作在方式1时，最大定时时间是65.536毫秒，所以只有采用定时器定时和软件计数相结合的方法实现30秒钟和10分钟定时，定时结束后定时器产生中断，通知单片机定时时间已到。其中的软件部分，设定定时器的定时时间，捕获霍尔元件产生的脉冲信号，计算出两个相邻脉冲间的时间宽度，根据此时间宽度是否达到定时器的定时时间5s，决定是否给压力波发生器中的电动机和超低频电磁波发生器供电。压力波、电磁波发生电路原理图如图3所示。单片机的P1.3口用来捕获霍尔传感器发出的脉冲信号；P1.0口控制超低频电磁波发生器4发射30Hz超低频电磁波，即谐振频率f=30Hz；P1.1口控制1号压力波发生器1中电动机1-15的转动；P1.2口控制2号压力波发生器2中电动机的转动。图中反相器74F04的作用是增加单片机的驱动能力。

1号和2号压力波发生器内部电路开关管选用功率MOSFET。电路电源和电动机电源都使用两节高温锂电池，型号DD1520，容量29Ah，开路电压3.67V，工作温度-40℃～+150℃。电动机选用微型永磁稀土直流电动机，这种电动机体积小，重量轻，耐高温，结构简单且效率高。

本实施例中内检测器采用德国ROSEN公司的内检测器3是圆柱状，在内检测器的每一端都均匀分布有三个里程轮，里程轮臂上带有一个开关型霍尔元件，里程轮本身每隔一段距离均匀设有一个小磁块，随着里程轮的转动，霍尔元件产生脉冲信号，此脉冲信号输出端连接单片机的P1.3口，开关型霍尔传感器选用型号A1104LU-T。内检测器在管道中运行的速度大约是1m/s至5m/s，5秒钟之后，内检测器移动了5m至25m，若移动此段距离，单片机仍未捕获到霍尔元件产生的脉冲信号，则证明里程轮未转动一周，即可判断内检测器已停止移动。

超低频电磁波对原油、金属壁、海水有很强的穿透能力。变化着的电场和磁场相互激发，形成在空间中传播的电磁波。本实施例中超低频电磁波发射天线可以等效为一个有限长度的致密螺线圈，电磁波的辐射过程通过发射线圈的磁场变化来完成。发射的天线阻抗成感性，进行阻抗变换使电路串联谐振在谐振频率f的谐振点上，从而使功放效率达到最大。根据公式（1）确定匹配电容C和发射天线的电感L大小：

                                                                                              （1）

其中：

f— 频率值，Hz；

L— 电感值，H；

C— 电容值，F。

本实施例中电磁信号检测装置5接收超低频电磁波发生器4天线发射的超低频电磁信号，经过初步放大、带通滤波、调整放大、AD采集后确定电磁信号的大小并显示，电磁信号接受示意图如图4所示。对于多级放大电路，初步放大电路的噪声系数起决定性的作用，所以选用差分运算放大器AD620作初步放大。带通滤波电路选用V22521。由两级运放OP2337构成同相比例放大电路，选用数字电位器作为反馈电阻，使得可以根据信号强弱的变化相应地调整放大器增益。电磁信号检测装置的软件主要是控制对检测到的模拟信号进行模数转换，根据数字电位器的大小确定放大增益，计算并显示电磁信号的大小。

精确定位示意图如图5所示，电磁信号检测装置5在超低频电磁波发生器4正上方时距离为L2，电磁信号检测装置在超低频电磁波发生器斜上方时距离为L1、L3，很明显L2小于L1，L2也小于L3。电磁信号的取得最大值点也就是电磁信号检测装置与超低频电磁波发生器距离最近的点，此时电磁信号检测装置正下方就是电磁波发出的位置，从而确定内检测器在管道中精确的位置。

本实施例中管道始端和末端安装两个高精度压力传感器6，选用美国罗斯蒙特的3051T压力变送器，输出4～20mA标准电流信号，经过250Ω精密电阻转换为1～5V标准电压信号，经过电压跟随器U1和RC滤波后，接到AD7656的V6脚。

本实施例中压力数据采集装置7包括模拟数字转换电路和数据采集部分：

模拟数字转换电路原理图如图6所示，压力传感器6输出4～20mA标准电流信号，经过250Ω精密电阻转换为1～5V标准电压信号，经过电压跟随器U1和RC滤波后，接到AD7656的V6脚，进行模数转换，将转换后的16位数字信号处理后，经过总线驱动器74HC245，送给ARM处理器的DATA0—DATA15。ARM处理器的EINT8、GPG5、GPG6、GPG7分别连接到AD7656的BUSY、CS、/RD、CON，实现对AD7656的控制。

数据采集部分的处理器选用ARM处理器，在ARM处理器中运行微软公司的Windows CE 6.0嵌入式操作系统，可以方便的实现TCP/IP网络通信。数据采集与GPS和与上位机监控平台的接口电路原理图如图7所示，ARM处理器连接以太网控制器DM9000、以太网连接器HR901103A，通过网络以TCP/IP方式传送信息给内检测器位置监控平台。74LVH162245的作用是做3.3—5V电平转换。数据采集部分的软件主要是控制对检测到的模拟信号进行模数转换，获取GPS的时间信息，将模数转换后的压力值和时间信息打包，控制以太网控制器DM9000将数据包传送给内检测器位置监控平台。

本实施例中GPS校时装置8的型号是GSU－36，GPS的串口经过MAX232与ARM处理器的串口相连接。GPS校时装置8对管道始端和末端的压力数据采集装置进行时间同步，来确保对管道内检测器跟踪定位的准确性。

本实施例中内检测器位置监控平台通过网络接收管道始端和末端传送上来的数据，进行分析计算，实现跟踪定位，在监控界面实时显示内检测器在管道中的位置，并且将压力、时间和位置数据存储到数据库中，方便以后对内检测在管道中的运动状况进行总结分析。监控界面使用美国国家仪器公司的LabVIEW8.6开发，界面简洁美观，开发难度低。

本实施例实时跟踪与精确定位管道内检测器的方法流程图如图8所示，步骤如下：

步骤1、在管道的始端投放带有定位装置的内检测器到管道中，管道的始端是流体注入管道的一端，内检测器在流体的推动下开始在管道中移动；

步骤2、单片机检测捕获内检测器里程轮上霍尔传感器发出的脉冲信号，并记录两个脉冲信号间的时间宽度；

步骤3、如果两个脉冲信号间的时间宽度达到5秒钟，说明内检测器停止移动，则超低频电磁波发生器产生电磁波，即转到步骤9，与此同时延时30秒钟后，压力波发生器产生压力波，即转到步骤4；如果时间宽度小于5秒钟，说明内检测器在移动，返回步骤2，与此同时延时10分钟后，压力波发生器产生压力波，即转到步骤4；

步骤4、对1号和2号压力波发生器中的电动机同时供电一次，移动圆盘随着弹簧的伸缩而前后移动，产生的压力波向管道始端和末端传播；

步骤5、安装在管道始端和末端的两个压力传感器检测管道两端的压力；

步骤6、ARM处理器控制模数转换单元对压力传感器输出的模拟信号进行模拟数字转换，将转换后的压力数据连同从GSP获取的时间信息打包后，通过网络以TCP/IP方式传送给内检测器位置监控平台；

步骤7、在内检测器位置监控平台，利用瞬态压力波定位方法计算出内检测器在管道中的位置后，在监控界面实时显示内检测器在管道中的位置，并将压力、时间和位置数据存储到数据库中；

监控平台软件流程图如图9所示，步骤如下：

步骤7-1、内检测器位置监控平台通过网络以TCP/IP方式接受压力数据采集装置发送的压力数据和时间信息；

步骤7-2、内检测器位置监控平台与管道另外一端的位置监控平台通过网络相互传送压力数据和时间信息；

步骤7-3、利用小波变换从噪声中准确提取出压力波信号序列的对应特征点；

步骤7-4、根据压力波震荡发生器引发的压力波传播到管道始端和末端的时间差，采用瞬态压力波定位方法计算内检测器在管道中的位置；

管道内检测器定位原理：利用小波变换从噪声中准确提取出压力波信号序列的对应特征点，获得压力波震荡发生器引发的压力波传播到管道始端和末端压力传感器的时间差。采用瞬态压力波定位方法，计算内检测器在管道中的位置，定位公式为：

                                               （2）

其中：

Z— 内检测器到管道始端压力传感器的距离，m；

L— 管道始端和末端压力传感器之间的距离，m；

— 压力波传到管道始端和末端压力传感器的时间差，s；

v— 压力波在管道内的传播速度，m/s；

压力波的传播过程类似于声波在介质中的传播，传播速度是声波在管道输送流体中的传播速度，原油管道中负压力波的传播速度约在1000～1200 m/s之间，要远远大于流体在管道中的流速，而且压力波具有超远距离传输特性。

步骤7-5、将管道始端和末端的压力数据、时间信息和内检测器在管道中的位置信息存储到数据库；

步骤7-6、在监控界面实时显示管道始端和末端的压力数据、时间信息和内检测器在管道中的位置。

步骤8、根据计算出的内检测器在管道中的位置，判断内检测器是否到达管道的末端，如果到达末端则转到步骤9，否则返回步骤2；

步骤9、超低频电磁波发生器产生30Hz电磁波，并用电磁信号检测装置探测出超低频电磁信号发出位置，从而确定内检测器的精确位置；

步骤10、从管道中取出带有定位装置的内检测器。