CN102132170A - 定位管道内物体的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于定位管道内物体的装置,其包括:发送站,所述发送站具有用于在管道内发送频率在20kHz至200kHz 范围内的声发射的设备;接收站,所述接收站具有能够接收由发送站发送的声发射的接收器;接收站与发送站中的一个定位在管道上的已知位置,并且接收站与发送站中的另一个定位在物体上;以及计时器设备,所述计时器设备用以确定声发射在发送站与接收站之间传送所用的时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位管道内物体的装置和方法。尤其涉及一种用于定位已经被引入管道中的可移动物体的装置和方法。在其优选的实施例中,本发明涉及定位探测器单元的位置,所述探测器单元用于探测携载液体的管道内的异常,所述液体例如油或水、或者是气体,例如天然气。
背景技术
通常,获知已经被引入管道内的物体的位置是有用的,例如用于维修或探测泄漏的目的。例如,有时需要获知已经被引入管道并用以清洁管道的管道清管器的位置。获知该位置能够使操作人员预测清管器何时将到达清管器站,或在清管器塞住时执行释放清管器的步骤。
对于特定类型的物体,上述方法可能在特定的时间获知所述特定类型的物体在管道内的位置是有用的,所述特定类型的物体是探测器单元,所述探测器单元感应管道内的状态。
无线探测器单元在很多年前就已经被人们所熟知,所述无线探测器单元在管道中移动,随着它们的移动感应管道内的状态。例如,石油工业很久以前就开始使用无线“清管器”,所述无线“清管器”填充管道的横截面,并且被流动的油推动前进。在输油管道和输水管道中,已经开始使用无线球状探测器单元,例如,全技术有限公司(Pure Technology Ltd.)的已公开的PCT申请WO 2006/081671中所述设备。在该已公开的申请中,其探测器单元采用目前优选的形式,所述单元沿着填充流体的管道的底部滚动,被流体流推动前进。其中还提供了无线驱动探测器单元,所述无线驱动探测器单元靠自身动力穿过管道。
探测器单元通常放置在管道中以探测异常状态,例如泄漏、腐蚀或管壁破损,利用适当的已知的传感器来感应特定的异常状态。显然,尽可能准确地确定异常状态的位置是必需的,因此才能进一步地做出补救或监测。为了确定该位置,通常获知探测器单元在异常状态被捕获时的定位是重要的。在多数情况中,采用卫星(例如GPS定位设备)的方法并不可用,因为对于此类方法来说,管道被埋入地下太深以致难以展开工作。
已经有很多方法用于确定探测器单元在管道中的位置。探测器单元由流体流携载,所述流体流在管道中流动的平均速度是已知的,记录从所述单元被释放以穿过管道直至其达到异常点所用的时间,能够做出对该探测器单元的粗略测定。这种方法有时可以通过沿管道设置(例如在检验孔)间隔地发出特定声音特征的信标,并利用探测器单元经过该信标的时间来帮助校准管道中的特定截面的平均流速的方式来改进。如果探测器设计为沿着管道的底部滚动,那么能够计算旋转的数量以提供传送距离的指示。如果探测器单元配备有磁力计,所述磁力计能够感应管路结构要素,例如金属管道中的焊接处或混凝土绕丝制成的管道中的承插式接头。类似地,探测器单元上的压力和温度传感器通常能够感应管路结构要素,例如其它线路接合的位置、或离开被监测管道的位置,因为液体离开或进入被监测管道会影响管道中的压力或温度。
尽管这些确定探测器单元的位置的方法是有用的,但是它们不能提供探测器单元的精确定位。在管道中的流体流可能并不恒定,尤其是在管道部分地填充有液体或在流体在管道中上行或下行的情况中。对探测器单元滚动所产生的旋转数量的测量有时是不正确的,例如该单元夹带在流体中而不与管道底部接触的情况。对管路结构的感应可能并不可行,例如只存在对结构特征定位的不完整或不精确的记录的情况。
因此,用于确定已经被引入管道的物体、尤其是探测器单元在管道中的位置的准确并且精确的方法是有用的,并且执行该方法的装置也是有用的。
发明内容
已经发现,高频率的声发射穿过管道传输时几乎没有振幅损失。这就允许在远方位置(例如几千米远)接收所述发射,而不会过分减弱。
如果所述声发射从第一位置穿过管道发送的精确时间确定,并且该发射在第二远方位置处被接收的精确时间确定,那么就能够根据本发明获得发送位置与接收位置之间的管道长度的非常精确的测量值。为了获得两个位置之间的距离,首先确定声发射在两个位置之间传送所用的时间,并将该值乘以管道内液体类型中的特定频率的声音的速度。其中,第一位置与第二位置中的一个是管道中的可移动物体,而另一个是沿管道的已知位置,这就提供了一种用于找出可移动物体的位置的方法。
附图说明
下面将参照附图描述本发明,其中:
图1为根据本发明的探测器单元的示意图(未按比例),所述探测器单元配备有发送站并且定位在管道内,其中探测器单元为无线清管器,所述无线清管器沿管道的底部滚动。管道以截面示出以示出探测器单元。
图2为根据本发明的配备有发送站的探测器单元的示意图(未按比例),并且所述探测器单元定位在管道内,其中所述探测器单元为管道清管器。所述管道以截面示出以示出探测器单元。
图3为根据本发明的接收站以及其它相关设备的示意图(未按比例),所述接收站定位在管道上的已知位置。管道和周围地层以截面示出以示出所述接收站。
图4为本发明的替代实施例的示意图(未按比例),其示出管道上的发送站以及配备有接收站的探测器单元。管道和周围地层以截面示出以示出接收站和探测器单元。
具体实施方式
根据本发明,发送站具有高精度计时器以及用于发出高频率声发射的设备。至少一个接收站具有声接收器、高精度计时器和记录设备,所述声接收器放置用以接收管道内产生的声音。两个计时器在相同的绝对时间的读数之间的差值(如果存在)是已知的,因此能够在计算发射在它们之间传送所用的时间时做出校正。优选地,发送站在可移动探测器单元中,并且接收设备设置在管道内的固定位置或附接至管道。这样做的原因是比起依赖电池或类似物的可移动设备,在固定位置(可从输电网供应)通常更容易获得电能。足够的电能供应至接收站允许该站设有放大器以放大接收的信号。
在优选的实施例中,发送站定位在无线探测器单元上,并且接收站定位在管道中的已知的固定点处,例如,将探测器单元投射入管道的点或通过检验孔能够进入管道的点。
在一般优选的实施例中,发送站处于管道内的已知的固定点处,并且接收站处于无线探测器单元上。
在另一个实施例中,当绘制未知构造的管道时,其中声音在管道内的流体中的速度是已知的,发送站和接收站沿管道定位在固定的点处,本发明是有用的,并且本发明用于确定所述固定点之间的精确的距离。
在另一个实施例中,当校准该系统时,并且两个站彼此之间间隔已知距离地处于沿管道的固定点处时,本发明是有用的,并且本发明用于确定在管道内流体类型中使用的频率的声音的精确速度。
当发送站定位在可移动探测器单元上时,尤其优选地,在使用时将多个接收站设置在沿管道的不同位置处。可移动探测器设备上的发送单元发送其高频率声发射。基于可移动探测器单元在任意特定时间所处的位置,所述发射能够在不同的接收站被接收,或同时在多个接收站被接收。在任意一个站接收的发射用于计算可移动探测器单元与该站之间的距离。
发送站和接收站中的计时器被不时地同步,因此能够对它们的读数中的任何误差做出补偿。便利地,上述过程是通过确定在相同的绝对时间,计时器的读数之间的差值来实现的,因此它们的读数之间的差值(误差)是已知的。上述过程能够通过例如比较每个计时器与GPS时间信号(为此作为绝对“准确的”时间),并记录GPS时间读数与计时器读数之间的差值来实现。该过程能够在可移动传感器单元沿管路向下传送并发出由接收单元接收的声发射之前或之后完成。如果采用高精度商构计时器,将存在少量偏差,并且不必在每次可移动传感器单元被促使沿管路向下传送时做出同步。本领域技术人员能够知道,应该多长时间一次同步是与所使用的计时器的精确度以及所需准确度有关的。
根据本发明,在操作过程中,高频率声发射在精确的已知的时间在发送站处产生。所述声发射在接收站被接收,并且接收时间被记录。通过这些观测值,声发射从发送站向接收站穿过管道内液体所用时间的长度能够确定。如果确定用于管道内液体类型的频率的声音的速度还未知,那么在发射时两个站之间的距离,将通过将声发射穿过管道内的液体所用时间的长度乘以用于管道内液体类型的频率的声音的速度来确定。
用于在精确的已知时间发出声发射的设备优选地为定时器,所述定时器以精确定时的间隔产生发射。如果存在定时器,则并不一定需要具有相关的记录设备,因为假设用于任一个发射的计时器读数是已知的,那么用于其它发射的计时器读数能够由此推导得出。但是,优选地具有记录设备,所述记录设备示出由相关计时器记录的每次发射的时间。
替代地,如果发送站连同记录设备都在探测器单元上,用于发出声发射的设备可以是报警器,当探测器单元上的传感器感应到某一读数超过预设限度或其它预定警报状态时,所述报警器产生发射,并且,所述记录设备记录由相关计时器记录的发出所述声发射的精确时间。
如上文所述,本发明使用高频率声发射。可用频率基于管道内流体的性质以及管道的直径。通常,对于沿管道的相当长距离的传输可采用低频率(低于大约500Hz)传输,但是所述低频率传输并不用于本发明,因为所述低频率既穿过液体传输又穿过管壁传输,所以接收站接收的信号为穿过液体和壁传送的发射的组合。
随管道内流体类型变化的频率范围内大于大约500Hz的发射被吸收或由管道内的流体所减弱。该减弱或吸收随着频率的增大而减小,并且随着流体类型而变化。对于多数液体,所述减弱在大约500-18000Hz的频率范围内尤为明显,因此应该避开这些频率。对于气体,所述减弱基于气体的压力及其构成,但是通常频率低于18000Hz会发生减弱,尤其是当气体被加压时。对于特殊流体,大于那些减弱或吸收很明显的频率是可用的。
为了避免任何可能的减弱或吸收,优选地采用大于20KHz的频率,优选地在20-100KHz的范围内,并且更优选地在30-80KHz范围内。通常,在40KHz-80KHz范围内的频率尤其优选地用于包含水的管道,在30KHz-80KHz范围内的频率尤其优选地用于包含油的管道。大于100KHz,上至例如200KHz的频率也可以使用,但通常不是优选的,因为接收这些频率所需的高抽样率通常需要比低频率所需的更复杂的设备。
基于发送站的大小和结构,当探测器单元携载发送站时,这些范围内的一些频率可在探测器单元中产生共振。因为比起其它附近的频率,更容易产生具有共振频率的高振幅声音,所以优选地,当探测器单元具有发送站时,采用共振频率(如果可能)。
适当地,声发射应具有至少1ms的持续时间。但是,为了将其与管道内可能的短暂的高频率噪声相区分,20ms至200ms的更长的发射是优选的。如果需要还能够使用更长的发射。
所述发射彼此之间由比所述发射的持续时间长得多的一段时间相间隔,使得相继的发射不会在接收站处彼此重叠或干预。但是,所述发射足够频繁,使得它们以移动物体传送的速度,用于以所需的准确度定位物体。对于在管道内流体流中夹带着的以标准的管道流速传送的物体,对于多数情况,如果每1秒至15秒重复发射,则能够获得定位的足够准确度。
尽管在多数情况中,使用一个特定频率的发射是适当的,但是也能够发出预设音频组,所述预设音频组包括采用预设顺序的多个频率。因此,例如,音频组可以是四个长度为6ms的发射序列,分别为42KHz、40.5KHz、39.0KHz以及38KHz。像这样的音频组能够被用于管道内预计存在来自其它源的短暂的高频率噪声的情况中。接收站能够被设计为仅识别具有采用该顺序的这些频率的信号。跨越几千米的距离,可能存在来自管道壁或结构(例如阀门)的信号的反射所产生的不同频率信号的部分重叠,但是所述信号序列仍能够识别。
意外的是,高频率用于穿过管道的长距离传输,即使通常认为所述频率在液体介质中迅速减弱。而发明人不希望受限于任何理论上的解释,可以认为,管壁以类似于波导的方式作用,以传播高频率声发射。
本发明能够在所有常规的管道压力下工作,从低于大气压到高压。本发明还能够在填充气体的管道和填充液体的管道中工作。在液体上面存在气体的管道中(例如水上存在空气的管道),从发送站至接收站应该在至少一个单独的相(液体或气体)中存在连续路径。经过液体的连续路径是优选的。
在尤其优选的实施例中,发送站设置在探测器单元上,并且接收站设置在将探测器单元投射入管道的点、或在沿管道的检验孔、或在从管道回收探测器单元的预期位置。如果需要,可以设有多个接收站。在使用该装置的一种方法中,发送单元以固定的间隔发送声发射。所述间隔基于探测器单元穿过管道传送的预期速度而选定,使得预计探测器单元已经传送了大约所需距离时将产生声发射。探测器单元设有足够的电池容量,使得发射在沿着探测器单元检验的管道的整个长度传送期间,能够以所需的时间间隔产生。并且,发射被间隔地足够大以使得有足够的间隔时间以避免在接收站重叠。例如,在多数情况中设置声发射以大约1/2秒至2分钟或更久的间隔产生是适宜的。优选的间隔范围为1秒至10秒。
探测器单元被投射至管道并且被允许向下行进至回收点,在投射点与回收点之间的管道长度被检验。探测器单元设有常规的传感器,例如水听器、磁力计、温度传感器以及类似用于探测异常的设备。当穿过被检验区域时,探测器单元以预设间隔发出声发射,并且同时传感器在探测器单元上采集有关管道内环境的数据。
在一般优选的实施例中,替代以规定时间间隔发出声发射,而是在传感器感应到某些异常时产生发射,例如超出预设范围或在特殊状态下。这就确保了对应于异常的传感器读数的距离接收站的精确距离能够被记录,以允许在记录异常的位置处的进一步工作。在该实施例中,为了适当地工作,发送发射的精确时间必须被记录。该过程能够通过随着显示计时器记录的时间的时间轨迹记录传感器结果来完成。发送发射的精确时间能够通过检查轨迹以查看传感器记录异常结果的时间来确定。便利地,还能够将发射记录在时间轨迹上。
在回收点,通过已知方式将探测器单元从管道中取出,并从其下载数据。发送每个发射的时间与在接收站接收该发射的记录相比较。通过校正计时器之间的任何误差(由必须完成的同步确定)将发送和接收时间规范化,并且液体中的具有发射频率的声音的传输速度或者是已知的或者是以经验为主地确定的。通过该信息,每个发射所传送的距离能通过乘以该发射在发送站与接收站之间传送所用的时间来计算。这就提供了在每个声发射被发送出去(如果探测器单元携载发送站)或被接收(如果探测器单元携载接收站)时显示探测器单元的位置的数据组。可移动探测器单元上的传感器所做出的观测值的记录,以及这些记录做出的时间,都与该信息相关。这就允许在产生任何异常的传感器读数时,探测器单元的位置被确定在探测器单元在声发射(紧接着间隔之前和紧接着间隔之后的)之间的间隔内所传送的距离之内。通过将数据在间隔内插值能够获得更高的精确度。当然,在探测器单元携载发送站的实施例中,如果传感器设置为在产生异常的传感器读数时精确地触发一发射,则能够获得更高的精确度。
通过在以时间间隔分隔的相继的发射时测绘探测器单元的位置,并且记录在发射之间的间隔内传送的距离,该信息还能够用于确定探测器单元在管道内的速度。该信息能够用于校正其它常规测量技术得到的距离测量值。并且,当探测器单元接近接收单元并且随后从接收单元收回时,为探测器单元确定的速度能够被插值,以精确地找出探测器单元经过接收单元的时间。
如果需要,能够以预设时间间隔发送发射,并且额外的发射(采用的频率或音频组不同于以规定时间间隔的发射采用的频率或音频组)能够在传感器感应到某些异常结果时被发送。这就允许对探测器单元传送的距离的追踪、以及该信息与来自传感器的结果的相互关联,同时在遇到异常状况时还给出额外的定位信息。
在一般优选的实施例中,在沿管道的投射点、回收点、或一些其它点(例如在穿过检验孔进入管道的两个点之间的位置)从发送站以预设时间间隔发送声发射。接收站在探测器单元上。数据回收和处理基本相同。这种设置不允许在探测器单元探测到异常传感器读数时发送发射。
通常对于液体,通过使用穿过管道内液体类型的频率的声音的速度的手册值,能够获得声音的速度的足够准确度。但是,该速度随温度和压力改变,所以通过校准能够获得更好的准确度。对于气体,手册值可靠度较低,因为管道内压力随气体的输送而波动,所以建议校准。
为了执行所述校准,发送站放置在管道中的已知位置处,例如检验孔或清管器释放站,如图4中500所示。接收站放置在沿管道的第二位置处,例如另一个检验孔或清管器接收站,如图4中400所示,该位置在沿管道的距离发送站的已知距离处。当执行校准时并不使用探测器单元。优选地,这两个位置距离彼此小于1km,并且在它们之间的管道中没有陡弯处。随后,至少一个所需频率的声发射在已知时间从发送站发送至接收站。所述声发射被接收的时间随后被记录。通过接收时间减去发出时间,结合任何必要的校准校正,随后得出发射从发送站至接收站传送所用的时间。因为两个站之间传送的距离是已知的,通过利用所述所用时间划分所述距离,得到声音在液体或气体中的速度。
本发明还能够用于测量长度,该长度为从地平面可到达的两个位置之间的管道的未知长度。地下管道可能从地平面看并不明显,因此其长度从地平面可能不能确定。为了测量其长度,发送站(如图4中500所示)被建立在一个位置,以及接收单元(如图3中400所示)被建立在第二位置。优选地,就可用的地面位置而言,这两个位置便利地尽可能接近,并且管道填充有液体,所述液体具有选定频率的声音的已知速度。至少一个选定频率的声发射随后在已知时间从发送站发送至接收站。所述声发射被接收的时间随后被记录。通过接收时间减去发送时间,结合任何必需的校准校正,发射从发送站至接收站传送所用的时间随后得出。因为声音在液体中的速度是已知的,所以通过将声音速度乘以所述所用时间能够得出距离。
参照附图,图1示出管道10,所述管道10包含液体11,所述液体可以是例如油、水或天然气。管道被埋入地下12。管道内存在泄漏处14,流体13从泄漏处溢出进入地面,如标记13示出。
在该实施例中,发送站包含在探测器单元100中,探测器单元100在该示意性实施例中为球形传感器单元,其类似于全技术有限公司(Pure Technologies Ltd.)的已公开的PCT申请WO 2006/081671所示的设备。探测器单元包括在保护性外层聚氨酯泡沫罩104中的球形传感器单元101。箭头19示出流体流动的方向。由于探测器单元比流体密度大,受流体流19推动,探测器单元沿着管道的底部滚动。
在传感器单元101内为常规的传感器203和204,例如磁力计203和水听器(声传感器)204。在保护性泡沫罩104中具有孔103以允许水听器204与液体11直接接触。
在传感器单元101内还有精确计时器202。精确计时器202连接至声发射器201,所述声发射器201能够发出频率在20-100KHz范围内的预选定频率的声信号。声发射器可以是例如3/4”直径×1”厚度的压电晶体。所述声发射器设置为以规定时间间隔发出声信号,例如每3秒一次。
替代地或额外地,声发射器201可以是音频发生器,所述音频发生器能够发出频率在20-100KHz范围内的预选定声信号序列。优选地,在保护性泡沫罩104中具有孔102,使得声发射器直接向流体11中发送。
存储设备205(可以是常规的商构SD存储卡或闪存)通过适当的电路206连接以记录由传感器203和204产生的数据。适当地,存储设备205还记录来自计时器的连续的时间轨迹,使得由传感器203和204记录的每段数据的精确时间被记录。存储设备还能够将每个声发射的时间记录在相同的轨迹上,但这对于以计时器控制的规定时间间隔产生的声发射来说并不是必不可少的。在某些情况中(例如一个传感器为感应高频率的水听器的情况),传感器记录的数据将在其记录的数据中包括周期的声发射。
在优选的实施例中,声发射器201为音频发生器,并且连接至传感器203和204中的一个或多个,因此当传感器感应到超过预设范围的值时,声发射器将发出声发射,所述声发射为特定的音频组。
电池207通过电路206为元件201-205提供能量。
在图1中,探测器单元邻近泄漏处13经过。水听器204探测从管道泄漏的流体的声音,并且该声音的记录被记录在存储设备205中。示出每个声信号的时间的数据也被记录在存储设备205中。
图2示出替代实施例。在图2中,相同的元件标记为与图1相同的附图标记。
在图2中,探测器单元为管道清管器300,所述管道清管器300由密封翼片301在管道10中固定就位并且由管道中的流体流(标记为箭头19)沿着管道推动。在该实施例中,流体11可以是例如油或精炼油产品,用于此类产品的管道通常使用管道清管器用于检验,并且管道设有清管器站,清管器在所述清管器站能够被插入管道或从管道中取出。清管器中为常规的传感器203和204,例如磁力计203和水听器(声传感器)204。水听器204的感应部分在清管器的外部表面上,因此其能够探测周围流体11中的声故障。
如图1所示实施例,图2中的探测器单元包含精确计时器202,所述精确计时器连接至声发射器201,所述声发射器201能够发出在20-100KHz范围内的预选定频率的声信号,或者如果需要,所述声发射器201能够发出频率在20-100KHz范围内的预选定声信号序列。存储设备205(可以是常规的闪存或SD卡)由适当的电路206连接以记录由传感器203和204产生的数据。存储设备205还记录来自计时器的连续的时间轨迹,使得传感器203和204记录的每段数据的精确时间被记录。电池207通过电路206为元件201-205提供能量。声发射器设置为以规定时间间隔发出声信号,例如每5秒一次。
图2中的探测器单元邻近泄漏处13经过。水听器204探测从管道泄漏的流体的声音,并且该声音的记录被记录在存储设备205中。显示每个声信号的时间的数据也被记录在存储设备205中。
图3示出接收站400。同样,相同的附图标记用于标识相同的事物。通常,接收站处于探测器单元将在此被插入管道的存取孔处、或者接收站处于探测器单元将在此被取出的存取孔处、或者接收站处于两者之间的中间的检验孔处。优选地,沿被检查管道的长度(如果可能的话,以大约每千米的间隔)设有多个中间的接收站,例如在检验孔处。在图3中,接收站定位在用于插入的存取孔与用于取出的存取孔之间的中间的检验孔413处。存取孔13的精确的地理定位是已知的,或者通过管道绘图和地图将其定位、或者通过GPS读数将其定位。
在检验孔413,能够接收由图1或图2中的声发射器201产生的频率的声接收器401定位在与流体11接触的位置或与部分管壁或其它设备(工作频率的声音能够穿过所述设备而不会明显减弱)接触的位置。在图3中,声接收器401的替代位置在管路的外侧,标记为401a,其通过电路402a连接至其它部件。如果接收器401与液体11接触,就能够获得更好的声音的接收,通常将接收器与管路(例如在401a)或附接的附件(例如检验孔)接触对于维修是更便利的,这通常提供了足够的声音采集。当然,如果声接收器与流体接触放置,如401所示,就不需要在替代位置401a处的接收器以及电路402a。
放大器402、存储设备403以及精确的计时器404连接至接收器401。用于计时器、存储设备以及接收器的能量由电源提供,这里标记为电池405,它们均由电路406连接。为了便于操作,计时器、存储设备和电池定位在地平面17处或其上方。在探测器单元释放入管道之前,计时器404已经与计时器202同步,因此当同时测量时它们之间的误差是已知的。
在操作过程中,图1中的球形传感器单元或者图2中的管道清管器中任一个的声发射器201以预设间隔发出预设频率的信号。如果需要,替代预设频率的信号,声发射器201能够以该预设间隔发出预设顺序的预设频率的信号组。传感器203和204感应的故障,伴随计时器202显示的时间的连续记录,被记录在存储设备205中。不必将声发射的时间记录在存储设备中(但是如果需要,也能够实现),因为所述发射是以预设间隔产生的,并且由于声发射器201在已知时间(当探测器单元被释放入管道中时)被激活,所以第一发射的时间是已知的。此外,如果水听器204采集信号发出的频率,该频率的记录将提供该信号的记录。
离开管道泄漏处14的流体13随着流体离开管道发出噪声。该噪声标记为波阵面16并被水听器204采集并连同传感器204感应的其它故障被记录在存储设备205中。
可选地,存储设备可具有相关软件,所述相关软件识别到异常数据段已经被记录并且促使声发射器201立即发出音频序列。该序列不同于以预设间隔发出的任何音频或频率,并且该序列提供信息,所述信息将提供获取异常数据的精确定位。但是通常我们发现没有必要这样做,因为通过在以预设间隔发出的信号之间插入异常数据能够获得足够精确的定位。
声发射215穿过管道内的流体,并且被声接收器401或401a接收(图3)。在一个优选的实施例中,声接收器具有相关软件,所述相关软件将发送每个声发射的已知时间(由于接收站的计时器和发送站的计时器是同步的,所以发送声发射的时间的已知的)与该发射的到达时间进行比较,并将差值乘以该频率的声音的速度,以实时地提供探测器单元在管道中的位置。这在接收站处于将探测器单元从管道回收的位置的情况中尤为实用,因为其允许操作者在该位置观察探测器单元的实时位置并对探测器单元的到达做出准备。
如果使用该优选的实施例,探测器单元的实时位置被直接记录。否则,由计时器404显示的接收每个发射的精确时间被记录在存储设备403中。
在所需的检验已经做出后,存储设备403和205中的内容被检查。其中异常读数或指示感兴趣状态的读数已经由传感器做出,已经观测到的这些读数被记录在存储设备中的时间被记录。以周期的间隔(接近观测的时间)发出的声发射(以及如果存在,当观测到异常结果时做出的任何特定的声发射)随后将与那些在接收站接收的发射的记录进行比较。发出与接收每个发射之间的时间间隔,乘以管道内液体中那种频率的声音的速度,给出在发送该发射时探测器单元与接收站之间距离的非常精确的测量值。探测器单元的位置因此被精确定位,由此当传感器感应到异常信号时也被精确定位,所以进一步的检测或管道维修能够实施。当然,定位的准确度随探测器单元距离接收所述结果的接收单元的距离而减小。因此,优选地,将接收站沿管道间隔地设置,并检查由至少两个接收站接收的相关发射。
通过与共同标准例如GPS时间信号进行比较,接收站上的计时器与发送站上的计时器之间的误差优选地在探测器单元经过管道的始端或末端(或两端)处时确定。如果探测器单元沿管道发送用于几个小时的检验,基于使用的计时器的准确度可能存在一些偏差。通常,商构计时器准确度在大约每小时1毫秒的范围内。更准确的计时器能够商构获得,但是会更昂贵一些。在不会过分地影响结果的准确度的基础上,每小时几毫秒的偏差是能够允许的,因为在探测器单元每次经过已知位置(例如信标或接收站)时,能够采用用于偏差的校正因数。
图4示出替代实施例,其中发送站定位在存取孔,接收站定位在探测器单元上。与之前的附图中使用的相同的附图标记表示相同的元件。该图未按比例,并且锯齿形线600指示图中锯齿形线两侧示出的部分之间的几百米的管道长度被省略。
图4示出定位在存取孔513处的发送站500。所述发送站具有精确计时器502。所述精确计时器502通过电路504连接至声发射器501,所述声发射器501能够发出在20-100KHz范围内的预选定频率的声信号。所述声发射器可以是例如3/4”直径×1”厚度的压电晶体。声发射器设置为以规定时间间隔(例如每3秒一次)发出声信号。优选地,存储设备507记录所述声信号以及每个所述信号的发射的时间。
替代地或者额外地,声发射器501可以是音频发生器,所述音频发生器能够发出频率在20-100KHz范围内的预选定声信号序列。
示出所述声发射器与流体11接触。但是,如果需要,所述声发射器能够被放置在替代位置501a处,与管道声接触(此处示出其处于存取孔513的罩上)并且通过电路504a连接至计时器502。
电源503通过电源电路505为计时器和声发射器供能。
在该实施例中,接收站安装在探测器单元上,此处标记为类似于图2所示清管器300的清管器540。如图2所示,探测器单元540包括精确计时器202以及传感器203和204。如之前所述,传感器204为水听器。存储设备205可以是常规的闪存或SD卡,并且由适当的电路206连接以记录由传感器203和204产生的数据。存储设备205还记录来自计时器的连续的时间轨迹,因此,传感器203和204记录的每段数据的精确时间被记录。电池207通过电路206为这些元件提供能量。
但是,与图2中的清管器不同,清管器540没有声发射器。替代地,设有声接收器550,所述声接收器550能够接收发送站500的声发射器501产生的发射。如果需要,接收的声音被放大器551放大,并且连同来自计时器202和传感器203和204的轨迹被记录在存储设备205中。如果水听器204设计为使得其能够采集声发射器501发出的一种频率或多种频率,那么接收器550和放大器551能够省略,并且水听器既能用作用于泄漏的声传感器及类似设备、又能用作本发明的接收站。
在操作过程中,声发射器501或501a发出彼此间距预设间隔的预设频率的信号。如果需要,替代预设频率的信号,声发射器501或501a能够以该预设间隔发出预设顺序的预设频率的信号组。
在清管器上,接收器550(或水听器204,如果其能够采集适当的频率)接收由声发射器501或501a发出的发射。该发射(如果需要,可被放大器551放大)、传感器203和水听器204感应的故障、连同计时器202显示的时间的连续记录全部被记录在存储设备205中。
离开管道泄漏处14的流体13因流体离开管道而发出噪声。该噪声标记为波阵面16并被水听器204采集并连同传感器204感应的其它故障被记录在存储设备205中。
在做出所需的检验后,存储设备205和存储设备507中的内容被检查,并且计时器轨迹被调整以补偿计时器读数之间的误差(如果存在)。其中传感器示出异常读数或指示感兴趣状态的读数,将已经观测到的这些读数记录在存储设备205时的时间被记录。以接近观测时间接收的声发射随后与发送站发出的那些发射的时间的记录进行比较。从清管器经过管道传送开始,通过计算发送站发出的发射的数量以及接收站接收的发射的数量,匹配发出的发射与接收的发射。发出与接收每个发射的时间间隔,乘以管道内液体中那种频率的声音的速度,给出在发送该发射时探测器单元与接收站之间距离的测量值。探测器单元的位置因此被精确定位,由此当传感器感应到异常信号时也被精确定位,所以进一步的检测或管道维修能够实施。
示例
示例1-输水管道
在36英寸直径的管道中,填充有饮用水,水压大约在200psi(磅/平方英寸),来自探测器单元上的发送站的发射穿过管道中的水进行传输,并且由管道检验孔800m远处的接收站成功地接收。探测器单元为已公开的PCT申请WO 2006/081671中所示类型的球型传感器单元,其沿着管道底部滚动。该发射长度为25ms,频率为40000Hz。
示例2-输油管道
在10英寸直径的管道中,填充有原油,油压大约在200psi,来自探测器单元上的发送站的发射穿过管道中的油进行传输,并且由清管器投射站200m远处的接收站成功地接收。探测器单元为已公开的PCT申请WO 2006/081671中所示类型的球型传感器单元,其沿着管道底部滚动。该发射长度为25ms,频率为30000Hz。
示例3-天然气管道
在200mm直径的天然气管道中,填充有压力大约在103kPa与270kPa之间变化的气体,来自探测器单元上的发送站的发射穿过管道中的气体进行传输,并且由检验孔50m远处的接收站成功地接收。探测器单元为已公开的PCT申请WO 2006/081671中所示类型的球型传感器单元,其沿着管道底部滚动。该发射长度为25ms,频率为65000Hz。
可以理解,本发明是参照特定的实施例进行描述的,并且其它实施例对于本领域技术人员是明显的。本发明的整个范围因此并不由特定实施例限制,而是将所附权利要求解释为给出要求保护的本发明的整个保护范围。
Claims (31)
1.一种用于定位管道内物体的装置,包括:
发送站,所述发送站具有用于在管道内发送频率在20KHz至200KHz范围内的声发射的设备;
接收站,所述接收站具有接收器,所述接收器能够接收由所述发送站发送的声发射;
所述接收站与所述发送站中的一个定位在管道上的已知位置,并且所述接收站与所述发送站中的另一个定位在所述物体上;以及
计时器设备,所述计时器设备用以确定所述声发射在所述发送站与所述接收站之间传送所用的时间。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置还包括记录设备,所述记录设备与所述接收站相关以记录从所述发送站接收的声发射。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述计时器设备包括与所述接收站相关的计时器,所述计时器适于在记录由所述接收站接收的发射时,在与所述接收站相关的记录设备上记录时间轨迹。
4.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,所述装置还包括记录设备,所述记录设备与所述发送站相关以记录由所述发送站发送的声发射。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述计时器设备包括计时器,所述计时器与所述发送站相关,所述计时器适于在记录接收的由所述发送站发送的发射时,在与所述发送站相关的记录设备上记录时间轨迹。
6.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,相关于所述发送站的计时器的读数与相关于所述接收站的计时器的读数之间的误差如果存在,则所述误差是已知的。
7.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,所述物体是能够在管道中移动的物体。
8.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,所述物体是探测器单元,所述探测器单元配备有至少一个传感器以探测管道中的至少一个异常状态。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于,所述传感器的输出记录在记录设备上。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,所述记录设备与权利要求2所述的记录设备是相同的。
11.一种用于定位管道内移动物体的装置,包括:
发送站,所述发送站置于所述物体上,并具有用于在管道内发送频率在20KHz至200KHz范围内的声发射的设备;
第一计时器设备,所述第一计时器设备相关于所述发送站用于在已知时间或以预设间隔发送所述声发射;
接收站,所述接收站置于管道上的已知位置并具有声接收器,所述声接收器能够接收由所述发送站发送的声发射;
第二计时器设备,所述第二计时器设备相关于所述接收站以确定所述声发射由所述接收站接收的时间。
12.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,所述装置包括记录设备,所述记录设备相关于所述发送站以记录由所述发送站发送的声发射。
13.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,所述装置还包括记录设备,所述记录设备相关于所述接收站以记录由所述接收站接收的声发射。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的装置,其特征在于,相关于所述发送站的计时器的读数与相关于所述接收站的计时器的读数之间的误差如果存在,则所述误差是已知的。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的装置,其特征在于,所述物体为探测器单元,所述探测器单元配备有至少一个传感器以探测管道内的至少一个异常状态。
16.根据权利要求15所述的装置,其特征在于,所述传感器的输出记录在权利要求12所述的记录设备上。
17.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,用于发送声发射的设备发送频率在20KHz至100KHz范围内的发射。
18.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,用于发送声发射的设备发送频率在30KHz至80KHz范围内的发射。
19.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,用于发送声发射的设备发送具有持续时间在1毫秒至200毫秒范围内的发射。
20.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,用于发送声发射的设备发送具有持续时间在20毫秒至200毫秒范围内的发射。
21.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,每个所述声发射为不同频率的预设音频序列。
22.根据上述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,所述声发射彼此之间间隔1秒至15秒的时间段。
23.根据权利要求15或16中任一项所述的装置,其特征在于,所述传感器装备为使得传感器对异常状态的探测促使所述发送站发送声发射。
24.一种用于确定包含流体的管道内物体的位置的方法,包括:
在管道内发送来自管道内物体的频率在20KHz至200KHz范围内的声发射,
在管道上或管道内的已知位置处接收所述声发射,
确定所述声发射在所述物体与所述已知位置之间传送所用的时间,以及
确定声音在管道内流体中的速度。
25.一种用于确定在包含流体的管道内物体的位置的方法,包括:
在管道内发送来自管道上或管道中的已知位置的频率在20KHz至200KHz范围内的声发射,
在所述物体处接收所述声发射,
确定所述声发射在所述已知位置与所述物体之间传送所用的时间,以及
确定声音在管道内流体中的速度。
26.根据权利要求24或25中任一项所述的方法,其特征在于,所述声发射具有在20KHz至100KHz范围内的频率。
27.根据权利要求24-26中任一项所述的方法,其特征在于,所述声发射具有在30KHz至80KHz范围内的频率。
28.根据权利要求24-27中任一项所述的方法,其特征在于,所述声发射具有在1毫秒至200毫秒范围内的持续时间。
29.根据权利要求24-28中任一项所述的方法,其特征在于,所述声发射具有在20毫秒至200毫秒范围内的持续时间。
30.根据权利要求24-29中任一项所述的方法,其特征在于,每个所述声发射为不同频率的预设音频序列。
31.根据权利要求24-30中任一项所述的方法,其特征在于,所述声发射彼此之间间隔1秒至15秒的时间段。
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