CN105319570B - 一种管道检测器跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道检测器跟踪装置，属于管道维护领域，包括第一磁传感器，第二磁传感器，模拟信号处理模块，数字信号处理模块、GPS收发模块、主控模块和电源管理模块；通过两路正交布置的磁传感器实现对管道检测器发射的低频示踪信号的全向接收，将接收到的信号通过模拟信号处理模块上进行滤波、放大、消噪以及模数转换处理，并通过增益自动控制扩大信号的有效接收范围，再通过数字信号处理模块进行信号特征提取，根据信号特性变化判断管道检测器经过的时间和位置变化，结合接收到的GPS时间和位置信息，获取管道检测器的经过时间和位置信息；本发明提供的这种装置，克服了现有的管道检测器跟踪装置布放的局限性，有效地扩展了跟踪装置的使用范围。

Description

一种管道检测器跟踪装置

技术领域

本发明属于石油管道维护技术领域，更具体地，涉及一种管道检测器跟踪装置。

背景技术

为保证石油管道的正常运行，防止管道因腐蚀等原因造成环境灾害，必须定期对管道进行清理和检测。目前主要采用管道内检测器进行管道检测，该类检测器在管道内运行，利用漏磁检测等技术来检测管道缺陷和管道特征。由于管道普遍较长(数百公里以上)，因此需要在管道设备工作的过程确定管道检测设备的位置，作为管道缺陷位置的定位参考点。

现有技术中的管道跟踪设备利用单轴磁性传感器对管道检测器发射的低频信号进行检测，每隔一段距离放置一台管道检测器跟踪装置。跟踪装置利用磁性传感器接收管道检测器发射的示踪信号，通过对信号变化特性的判断，确认检测器是否通过设定位置；这种方式受限于传感器设计以及设备工作原理，跟踪设备在工作时必须限定其放置距离以及放置角度，才能保证设备的正常工作；这一缺陷对深埋管道、海洋环境或是复杂地形条件下的管道检测定位作业带来实际操作上的困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种管道检测器跟踪装置，采用两个相互正交的磁传感器全向接收示踪信号，克服现有技术里的跟踪设备在应用时对其布放距离与放置角度的局限。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种管道检测器跟踪装置，包括第一磁传感器、第二磁传感器、模拟信号处理模块、数字信号处理模块、GPS收发模块、主控模块和电源管理模块；

模拟信号处理模块的第一输入端连接第一磁传感器的输出端，第二输入端连接第二磁感器的输出端，第三输入端连接数字信号处理模块的第六端，第四输入端连接数字信号处理模块的第七输出端，电源端连接电源管理模块的第一输出端；

数字信号处理模块的第一端连接模拟信号处理模块的第一输出端，第二端连接模拟信号处理模块的第二输出端，第三端通过SPI总线连接主控模块的第一端，第四端连接GPS收发模块的第一端，收发位置信息，第五端连接GPS收发模块的第二端，接收秒脉冲，电源端连接电源管理模块的第二输出端；

主控模块的第二端连接电源管理模块的电源控制端，电源端连接电源管理模块的第三输出端；主控模块还具有一个与外部设备进行通信的接口，用于接收外部控制指令和设置参数，发送跟踪信息数据以及工作状态信息；GPS收发模块的电源端连接电源管理模块的第四输出端。

其中，第一磁传感器与第二磁传感器分别用于接收示踪信号在两个正交方向上的信号分量，实现对示踪信号在不同方向上的差异化接收；

模拟信号处理模块具有两个模拟信号处理通道，分别用于独立处理来自两路磁传感器的示踪信号分量，对两路磁传感器接收到的示踪信号分量进行放大、滤去带外噪声和工频干扰；模拟信号处理模块对示踪信号进行放大的增益可调，以适应不同距离和环境下的示踪信号接收；

数字信号处理模块用于处理接收到的数字信号；并对模拟信号处理模块的增益进行动态调整；具体的，判断模拟信号处理模块输出信号的幅度是否处于预设的区间，若大于该区间的最大值，则减小模拟信号处理模块的放大增益；若小于该区间的最小值，则增大模拟信号处理模块的放大增益，使数字信号处理模块接收到的数字信号的幅度处于预设的区间，以适于信号处理；

数字信号处理模块还用于根据示踪信号的场强大小及变化幅度，调整示踪信号过站的判断阈值，以适应各种环境条件下,对不同距离上的强度不一的管道检测器发射信号的跟踪判断；根据示踪信号变化规律，判断示踪信号发射源的运动及位置变化，实现对管道检测器的跟踪标定；

数字信号处理模块具有两路数字信号处理通道，可同时处理两路独立的数字信号；第一路信号处理通道处理的是来自第一磁传感器接收的并经模拟信号处理模块处理后的信号，第二路信号处理通道处理的是来自第二磁传感器接收的并经模拟信号处理模块处理后的信号；而两路磁传感器分别接收到的是管道检测器发射的示踪信号在两个正交方向上信号分量；通过对数字信号处理模块中提取的示踪信号分量变化的特性，判断管道检测器的通过时间，通过两路示踪信号分量在方向上的不同覆盖范围，实现信号的全向接收，并利用两路信号变化的差异性进行联合判决，提高示踪信号过站的判定准确度；结合GPS收发模块提供的定位信息和时间基准，实现对管道检测器的跟踪标定；

主控模块用于监控信息记录与传输、实现设备电源管理以及内部模块的控制；电源管理模块在主控模块的作用下，控制GPS收发模块、数字信号处理模块与模拟信号处理模块的上电与断电，实现设备在正常工作状态与休眠状态之间的转换，降低跟踪装置的功耗，延长其工作时间；

主控模块通过SPI总线与数字信号处理模块进行信息交互，发送控制指令和工作参数，接收模块状态和跟踪信息数据；主控模块通过UART接口与外部设备进行通信，接收外部控制指令和设置参数，发送跟踪信息数据以及工作状态信息；

GPS收发模块用于校时以及对管道检测器跟踪装置的定位，为管道检测器的位置标定及时间记录提供参照基准。

优选地，上述第一磁传感器与第二磁传感器在机械结构上正交设置，以实现对示踪信号的全向接收，提高示踪信号过站的判定准确度。

优选的，电源管理模块包括电池、DC/DC转换电路和负载开关；DC/DC转换电路用于将电池提供的电压转换为各模块工作所需要的电压，其输入端与电池的第一输出端连接；DC/DC转换电路的第一输出端作为电源管理模块的第三输出端，连接主控模块；负载开关的第一端与DC/DC转换电路的第二输出端连接；电池的第二输出端作为电源管理模块的第一输出端，连接模拟信号处理模块的电源端；负载开关的第一输出端作为电源管理模块的第二输出端，用于连接数字信号处理模块的电源端；负载开关的第二输出端作为电源管理模块的第四输出端，用于连接GPS收发模块的电源端。

优选的，上述模拟信号处理模块包括依次串联的输入保护电路、第一低通滤波电路、放大电路、第二低通滤波电路、陷波电路和可调增益放大电路；

其中，输入保护电路用于保护放大电路免受磁传感器接口输入的过大信号冲击而损坏；第一低通滤波电路用于初步滤除示踪信号带外的干扰，避免输入信号饱和；放大电路则对第一低通滤波电路输出的信号进行放大处理；第二低通滤波电路对放大电路输出的信号进行滤波处理，消除噪声干扰；陷波电路用于消除第二低通滤波电路输出信号里的工频干扰；可调增益放大电路则用于调整信号放大倍数，使输出到数字信号处理模块的信号大小地满足数字信号处理要求；

其中，可调增益放大电路的增益由数字信号处理模块根据模拟信号处理模块输出的信号大小进行控制。

优选的，上述管道检测跟踪装置，还包括底座和仪器舱；其中，模拟信号处理模块、数字信号处理模块、主控模块和电源管理模块集成在一块电路板上；仪器舱用于容纳电路板，仪器舱固定于底座上，两路磁传感器正交固定在仪器舱上；GPS收发模块固定在仪器舱上。

优选的，上述仪器舱具有水密性。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的管道检测器跟踪装置，利用两路相互正交的磁传感器接收示踪信号，通过接收信号方向彼此正交的两路磁传感器，实现了对接收信号角度的全方向覆盖，克服了单路传感器因自身的信号有效接收方向对设备布放的限制，实现对示踪信号的全方向接收；与现有的管跟踪设备相比，极大降低了检测器跟踪装置在使用中对传感器布放角度上的要求，增强了设备对水下环境以及其他复杂地形的适应性，提高了信号接收能力和系统布放成功率，从而提高了系统工作可靠性和工作效率；

(2)本发明提供的管道检测器跟踪装置，在模拟信号处理模块使用了可调信号增益放大电路；通过数字信号处理模块判断信号幅度来控制并实现自动增益控制；利用两路正交信号进行分集处理和特征提取，通过数据联合判决，判断示踪信号源的发生方位和通过时刻，实现探测距离1米～8米距离内的全方位自适应信号跟踪；

现有的跟踪设备在布放时需要根据现场管道及管道内信号发射源情况，及时调整示踪设备布放方向和布放距离；与之相比，本发明具备的全方位自适应信号跟踪功能扩展了跟踪器的信号有效探测范围，提高了信号接收能力，增强了设备对管道设备和水下等复杂环境的适应性，进一步提高了系统工作可靠性和工作效率；

(3)本发明提供的管道检测器跟踪装置，当其处于待机状态时，由主控模块关闭模拟信号处理模块和数字信号处理模块的输入电压；当GPS校时完成，由主控模块关闭GPS收发模块的输入电压；实现设备在正常工作状态与休眠状态之间的转换，具有低功耗的特点，达到延长装置工作时间的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的管道检测器跟踪装置的原理示意图；

图2是本发明实施例提供的管道检测器跟踪装置的外观布置示意图；

图3是本发明实施例提供的管道检测器跟踪装置的模拟信号处理模块功能框图；

图4是本发明实施例提供的管道检测器跟踪装置电源管理模块功能示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一磁传感器，2-第二磁传感器，3-底座，4-仪器舱，5-GPS天线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的管道检测器跟踪装置包括第一磁传感器、第二磁传感器、模拟信号处理模块、数字信号处理模块、GPS收发模块、主控模块和电源管理模块；

其中，模拟信号处理模块的第一输入端连接第一磁传感器的输出端，第二输入端连接第二磁感器的输出端，第三输入端连接数字信号处理模块的第六端，第四输入端连接数字信号处理模块的第七输出端，电源端连接电源管理模块的第一输出端；

数字信号处理模块的第一端连接模拟信号处理模块的第一输出端，第二端连接模拟信号处理模块的第二输出端，第三端通过SPI总线连接主控模块的第一端，第四端连接GPS收发模块的第一端，收发位置信息，第五端连接GPS收发模块的第二端，接收秒脉冲，电源端连接电源管理模块的第二输出端；

主控模块的第二端连接电源管理模块的电源控制端，电源端连接电源管理模块的第三输出端；主控模块还具有一个与外部设备进行通信的接口，用于接收外部控制指令和设置参数，发送跟踪信息数据以及工作状态信息；GPS收发模块的电源端连接电源管理模块的第四输出端。

以下结合实施例具体阐述本发明提供的管道检测器跟踪装置；实施例中，模拟信号处理模块、数字信号处理模块、主控模块和电源管理模块集成与一块电路板上，封装于仪器舱内；磁传感器采用具有磁芯的绕制线圈结构，磁传感器外部具有不锈钢材质的水密外壳，以适应各种自然环境；第一磁传感器与第二磁传感器如图2中所示意的相互正交设置，固定在仪器舱上；

实施例里，模拟信号处理模块用于对磁传感器接收到的示踪信号进行放大、滤去带外噪声和工频干扰、进行模数转换，并根据环境噪声及信号大小对放大倍数进行动态调整，以适应不同距离和环境下的示踪信号接收；其组成框图如图3所示，包括依次串联的输入保护电路、一阶低通滤波器、20db放大电路、低通滤波器组、50Hz陷波电路和可调增益放大电路；

实施例里，数字信号处理模块用于示踪信号特征提取检测、信号变化分析及判断、跟踪位置标定及时间校时；包括模数转换器件、数字信号处理器件DSP、可编程逻辑器件CPLD及外围电路；实施例里的DSP采用每秒可执行高达2400百万条定点指令和1800百万条浮点指令的低功耗器件，在深度睡眠模式下功耗仅有6mW，正常工作模式下功耗为420mW；实施例里采用的CPLD具有快速零功耗FZP技术，其内核工作电压低，整个CPLD器件的静态电流低于100uA；

实施例里，GPS收发模块可提供精确的秒脉冲信号和时间信号；在GPS工作时，数字信号处理模块的DSP通过RS232(TTL电平)串口读入准确的UTC(Coordinated UniversalTime)标准时间，经转换后产生本地时间，本地时间和秒脉冲信号一起对管道检测器跟踪装置的系统时间进行校准；

实施例里，主控模块(MCU)用于设备管理和电源管理，采用低功耗MCU实现，具有可编程端口I/O、硬件增强型UART、SPI和SMBus串行端口，正常运行模式下，工作电流具有150uA/MHz；

实施例里，电源管理模块包括电池、DC/DC转换电路和负载开关；采用DC/DC转换电路将电池提供的12V电源变换为各模块所需的各种电源电压；电源管理模块组成框图如图4所示；实施例采用的带使能控制的隔离DC/DC转换模块，转换效率为89％，静态电流为3mA；负载开关采用带使能控制的双通道负载开关，每通道最大4A持续电流，静态电流80uA；实施例中的电池采用12V锂电池，可进行多次充电，具有能量密度高，维护要求低的特点，适合野外作业需要。

当跟踪装置处于待机状态时，由主控模块通过第一使能信号关闭模拟信号处理模块的输入电压，通过第二使能信号关闭数字信号处理模块的输入电压；当GPS校时完成，由主控模块通过第三使能信号关闭GPS收发模块的输入电压；达到降低整个装置功耗的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种管道检测器跟踪装置，其特征在于，包括第一磁传感器、第二磁传感器、模拟信号处理模块、数字信号处理模块、GPS收发模块、主控模块和电源管理模块；

所述模拟信号处理模块的第一输入端连接第一磁传感器的输出端，第二输入端连接第二磁感器的输出端，第三输入端连接数字信号处理模块的第六端，第四输入端连接数字信号处理模块的第七输出端，电源端连接电源管理模块的第一输出端；

所述数字信号处理模块的第一端连接模拟信号处理模块的第一输出端，第二端连接模拟信号处理模块的第二输出端，第三端连接主控模块的第一端，第四端连接GPS收发模块的第一端，收发位置信息，第五端连接GPS收发模块的第二端，接收秒脉冲，电源端连接电源管理模块的第二输出端；

所述主控模块的第二端连接电源管理模块的电源控制端，电源端连接电源管理模块的第三输出端；主控模块还具有一个与外部设备进行通信的接口；GPS收发模块的电源端连接电源管理模块的第四输出端；

所述第一磁传感器与第二磁传感器分别用于接收示踪信号在两个正交方向上的信号分量；所述模拟信号处理模块用于处理两路磁传感器接收到的示踪信号分量，输出数字信号；所述数字信号处理模块用于在主控模块的作用下处理接收到的数字信号，利用两路示踪信号分量变化的差异性进行联合判决，结合GPS收发模块提供的定位信息和时间基准，判断示踪信号发射源的位置信息，实现对管道检测器的跟踪标定。

2.如权利要求1所述的管道检测器跟踪装置，其特征在于，所述第一磁传感器与第二磁传感器在机械结构上正交设置，以实现对示踪信号的全向接收，提高示踪信号过站的判定准确度。

3.如权利要求1或2所述的管道检测器跟踪装置，其特征在于，所述电源管理模块包括电池、DC/DC转换电路和负载开关；

所述DC/DC转换电路的输入端与电池的第一输出端连接；DC/DC转换电路的第一输出端作为电源管理模块的第三输出端；负载开关的第一端与DC/DC转换电路的第二输出端连接；电池的第二输出端作为电源管理模块的第一输出端；负载开关的第一输出端作为电源管理模块的第二输出端；负载开关的第二输出端作为电源管理模块的第四输出端。

4.如权利要求1或2所述的管道检测器跟踪装置，其特征在于，所述模拟信号处理模块包括依次串联的输入保护电路、第一低通滤波电路、放大电路、第二低通滤波电路、陷波电路和可调增益放大电路；

所述输入保护电路用于保护放大电路免受磁传感器接口输入的过大信号冲击而损坏；第一低通滤波电路用于滤除示踪信号带外的干扰；放大电路用于对第一低通滤波电路输出的信号进行放大处理；第二低通滤波电路用于对放大电路输出的信号进行滤波以消除噪声干扰；陷波电路用于消除第二低通滤波电路输出信号里的工频干扰；可调增益放大电路用于调整信号放大倍数，使输出到数字信号处理模块的信号的大小满足数字信号处理要求。

5.如权利要求1或2所述的管道检测器跟踪装置，其特征在于，还包括底座和仪器舱；

所述模拟信号处理模块、数字信号处理模块、主控模块和电源管理模块集成在一块电路板上；所述电路板封装于仪器舱内，所述仪器舱固定于底座上；所述第一磁传感器与第二磁传感器正交固定在仪器舱上；所述GPS收发模块固定在仪器舱上。

6.如权利要求5所述的管道检测器跟踪装置，其特征在于，所述仪器舱具有水密性。