CN105805563B - 基于随路内窥式管道泄漏及堵塞的超声检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置与方法。装置包括软体鱼型内检测器、外置无源声标签和外置有源接收器。软体鱼型内检测器在液体输送管道内随液体流动，用超声检测所经管道，同时检测具有身份信息的外置无源声标签，结合里程记录，分析管道缺陷的准确位置。外置有源接收器在管道外侧接收软体鱼型内检测器在液体输送管道内发出的透声信号，记录其经过时间，综合多个软体鱼型内检测器的经过时间分析出哪一段线路堵塞。该方法每个软体鱼型内检测器有若干个超声接收探头全向接收，多个软体鱼型内检测器重复检测，检测精度高；软体鱼型内检测器外形为鱼形，体积小，适应不同管径的管道，不影响现有探测器的使用。

Description

基于随路内窥式管道泄漏及堵塞的超声检测装置与方法

技术领域

本发明涉及超声探测技术，具体涉及利用超声探测液体输送管道泄漏及堵塞的装置与方法。

背景技术

随着液体输送管道运输业的飞速发展，管线的增多，管龄的增长，管道本身的制造缺陷、施工缺陷和腐蚀以及人为的破坏等，管道事故频频发生，泄漏是液体输送管道运行的主要故障。近年来，液体输送管道，如输油管道腐蚀穿孔造成泄漏事故屡有发生，严重干扰了正常生产，造成了巨大的经济损失。我国输油管道建设如火如荼，专家预计，未来10年我国将实现汽油、柴油、煤油等成品油全部利用管道进行输送，平均每年都要新建2万公里各类输送管道，我国输油管道建设将会迎来新的高潮，因此，管道的腐蚀、裂纹等缺陷以及由缺陷引起的泄漏的及时发现与定位具有重要的现实意义。

目前，国内外现有的检测管道的方法主要有人工巡线和非人工两种方法。人工巡线工作量大，巡检人员非常辛苦。非人工方法主要有两种，一种是外部检测法，检测因泄漏而引起的流量、压力、声音等物理参数的变化，此类方法中应用较多的是负压波检漏法。这种方法使用的主要装置为压力变送器，专利“一种用于输油管道泄漏检测系统的声表面波压力传感器”(申请号：201310498231.5)，提出一种声表面波技术检测管道泄漏方法，利用一种具有较高灵敏度的声表面波(SAW)压力传感器所特有的高频特性及器件基片材料的压电、逆压电效应，检测输油管道的泄漏，对于大的泄漏，该方法灵敏准确，但由于微小泄漏产生的负压波在长距离传输后衰减严重，压力变送器对其不敏感，对于微小泄漏该方法效果不明显，经常出现漏报。另一类非人工方法是管道内检测法，通过装有无损检测设备及数据采集、处理和存储系统的管道内检测器在管道中运行，完成对管体的逐级扫描，达到对缺陷大小、位置的检测目的，这里也称为随路内窥式检测方法。当前，常规的管道内检测方法有涡流检测、漏磁检测、超声波检测三种方法，其各自的特点为：

(1)涡流检测法在管道中运行的是涡流管道内检测器。涡流管道内检测器中的探头线圈通交变电流，交变电流在被检导体内形成与其相反的涡流。当被检测物体上有缺陷存在时，所形成的涡流将绕过缺陷，使所形成的感应电磁场发生变化，从而使藕合后的阻抗发生变化，其变化被探头感应。涡流检测法虽然可适用于多种黑色金属和有色金属，探测蚀孔、裂纹、全面腐蚀和局部腐蚀，但涡流对于铁磁材料的穿透力很弱，不适合铁磁材料管道的检测，且总的来说穿透力弱，只能用来检查表面腐蚀。而且如果在金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层或存在磁性氧化物，就可能给测量结果带来难以避免的误差。

(2)漏磁检测在当前应用中最为广泛和成熟。基于漏磁技术的管道内漏磁检测器在管道内行进的过程中，其内部的电子设备会记录被磁化的管道表面的漏磁通，探测完成后对存储器中数据进行分析处理，进而判断管道内的腐蚀、损伤等缺陷。但漏磁检测只适用于材料表面和近表面的检测，因此，被测管壁不能太厚；且漏磁检测抗干扰能力差、空间分辨力低。

(3)超声检测主要是利用发射超声波经过探测物体反射(透射)后接收反射(透射)波，分析发射波和反射(透射)波来反演探测目标的某种声学参数分布函数，从而对探测目标的材质、厚度、内部缺陷的位置与大小等方面进行评定。超声容易检测金属等工业材料中有无气泡、伤痕、裂缝等缺陷，检测液体输送管道是否有伤痕裂缝等缺陷。超声波检测相比于其他检测方法，不仅检测精度高，而且能够适用于不同管径和复杂环境的管道(海底管道)，已经成为近些年来管道内检测领域的研究重点。

管道内检测器检测到缺陷和损伤时需要对其定位，管道内检测器依靠管道的定位装置实现对管道缺陷的定位，管道维护人员根据定位装置信息来选择开挖地点，对管道缺陷进行修补。管道内检测器最简单的定位装置为内定位装置，是管道内检测器自身固定的里程轮，在检测过程中，里程轮沿着管道壁滚动，轮子每转过一定角度，安装在里程轮上的传感器发出一个脉冲信号，对应管道内检测器前进一定距离，收集此信号可以实现内检测器对自身位置的测量。但管道内检测器在行进过程中里程轮的翻转、打滑，以及里程轮本身的制造缺陷和磨损等因素都会造成里程计量的误差，而且检测距离越长，累计的误差就越大。据统计，管道内检测器每行进1千米(km)会产生1米(m)左右的误差，长输管道中，里程轮误差一直累计，最终将导致数十米甚至上百米的缺陷定位误差。

在管道维修过程中，即使数米的缺陷定位误差也会造成巨大的开挖工作量，产生负面的经济效益和环境效益。在长距离管道检测中，管道内检测器每次探测几十甚至几百公里,由里程轮定位带来的积累误差会很大，为了克服此缺陷，外定位装置是必不可少的，它同内定位装置一起实现缺陷的定位。外定位装置是安装在管道外的装置，它采用一定的方法检测记录管道内检测器在外定位装置地标位置处的通过时间，对管道内检测器行进过程进行标记并校准里程轮的计数值以消除累积误差，从而对缺陷进行精确定位。

外定位装置同样也有基于磁学、涡流和声学等不同原理，其中基于磁学原理的外定位装置功耗大、成本高，对厚管壁的管道穿透能力不强，往往需要增大发射功率，才能穿透管壁，但随着现代管道管壁越来越厚，单纯靠增加发射功率已不能满足检测要求。而涡流对铁磁材料的穿透力很弱，当管壁比较厚时将不能有效地检测到内检测器的通过。声学外定位装置检测深度大，且不受管壁厚度限制，可采用声传感阵列以增强信号信噪比，提高检测精度，其基本原理是：管道内检测器在管道内运行时会与管壁相互摩擦或与焊缝碰撞产生声音，声学外定位装置检测到此声信号，经过计算处理得到地面标记时间。管道内检测器在管道内运行时与管壁产生的摩擦声是杂乱无章的，且幅度较小、传播距离小、特征不明显和易受干扰等，使得其应用受到一定限制。而管道内检测器在过管道焊缝时，会与焊缝发生碰撞，产生强烈的冲击声，焊缝声尖锐，幅度大、传播距离远、特征明显，且不易受噪声干扰，相比摩擦声更易于被采集和提取，利用焊缝声进行地面标记更有优势。但是管道埋置在地下，一般焊缝的位置都是未知的，因此需要先求得焊缝的位置，再将里程值修正到焊缝的位置坐标上。基于这样的声学检测原理，检测不同直径管道时需要更换相应直径的管道内检测器，体积庞大，阻塞甚至损坏管道的风险大，而且检测成本高。

另外，也有通过安装在管道内检测器的天线与超低频信号发射器和接收器，与地面建立信息联络系统，确认管道内检测器通过地标位置的时间，消除里程轮定位计数累积误差，减小位置系统误差，提高定位精度。然而，低频天线和发射器体积大使得管道内检测器同样存在体积庞大的问题。

液体输送管道在运行过程中，可能由于各种原因形成堵塞。如陆上管道和海底管道都可能因为建设过程中管道弯曲或因机械压力导致管瘪和造成的管道变形，管道内检测器无法运行，在变形部位卡球，造成堵塞。对于陆上管道来说，含蜡或水分含量较高的输油管道，在高寒地区，尤其是在冬季，容易发生冻堵。同时输油管道运行时管道内的蜡沉积、沥青质沉积、积砂等会造成过流面积的降低，形成部分堵塞段。这些因素导致流动性降低，沉积物堵塞，最终会给管道带来风险。若能在管道检测的过程中就能对堵塞位置进行定位，及时发现堵塞位置，将方便管道维护人员制定排堵计划，及时排除管道堵塞、恢复正常输送，减小由于堵塞造成的停输产生的持续经济损失和排堵工作中的人力物力损耗。

从上面可以看出，现有的管内检测法具有以下特点：

(1)基于漏磁技术的漏磁检测只适用于材料表面和近表面的检测，而且小而深的管壁缺陷处的漏磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷处的信号大得多，所以漏磁检测数据往往需要经过校验才能使用；另外检测过程中当管道所用的材料混有杂质时，还会出现虚假数据。涡流检测只适合黑色金属和有色金属的表面腐蚀检测，由于涡流对铁磁材料的穿透力很弱，而不适合铁磁材料。

(2)管道内检测器体积庞大。目前，管道内检测器一般都有多个模块，多节组成，节间采用万向节软连接，以保证在带有弯头的管道中顺利行进。管道内检测器结合外定位器来定位需要较大的体积，如基于摩擦声的声学外定位装置声学检测，其要和管道产生摩擦来获取位置信息，所以直径接近管径，且检测不同直径管道时需要更换相应直径的管道内检测器。有的管道内检测器还具有动力装置和外界通信的装置等，如采用超低频信号来和外界通信，其发射器和天线体积都很庞大。因此目前的管道内检测器总的来说体积庞大，阻塞甚至损坏管道的风险大，而且检测成本高。专利“检测输油管道泄漏的球形内检测器”(申请号：201110402319.3)从形状上进行改进，体积变小，但是还是有很多模块，且也要兼顾磁漏和声漏的检测，设计复杂。

(3)管道内检测器专注于检测缺陷，对堵塞检测无能为力，甚至因为体积庞大还会加深管道的堵塞程度。

(4)对缺陷精确定位依赖外定位装置的准确定位。对管道内检测器的定位是通过外定位装置主动获取其经过时间，结合内定位装置来一起实现缺陷的定位。若某个地方的外定位装置没有检测到其通过，则将给后面的行进过程缺陷的定位都带来误差。

发明内容

有鉴于此，针对目前管道内检测器体积庞大、设计复杂，对缺陷精确定位依赖外定位装置的准确定位，整个检测体系没有兼顾管道泄漏和管道堵塞一起检测等不足，结合超声检测的高精度特性，本发明提出一种基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置与方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置，包括软体鱼型内检测器(随路内窥式检测器)、外置无源声标签和外置有源接收器。其中软体鱼型内检测器在液体输送管道内随着输送液体流动，在流动的过程中(随路)检测所经管道的缺陷情况，同时检测所经过的外置无源声标签，结合所经过的里程记录，内窥出整个所经过线路的管道情况，以及管道缺陷的准确定位，因此是随路内窥式检测器，由于其体型像鱼，且外壳较软，故称为软体鱼型内检测器。外置无源声标签贴在液体输送管道的外侧，每个外置无源声标签均提供独特唯一的标志信息，软体鱼型内检测器经过时检测到唯一的标志信息，则能判断出经过哪一段线路。外置有源接收器也放置在液体输送管道的外侧，接收软体鱼型内检测器在液体输送管道内发出的透声信号，从而知道其经过时间，综合多个软体鱼型内检测器的经过时间信息则知道哪一段线路堵塞。外置无源声标签和外置有源接收器可以放置在液体输送管道的同一地标位置，也可以放置在不同的地标位置，但是不能叠贴在输送管道的同一个地方。

作为上述基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置的优化方案，所述软体鱼型内检测器包括鱼形支撑体，探头阵列环，信号模块，行程记录模块，温度传感器，存储模块，电源和软皮。信号模块，行程记录模块，存储模块和电源放置在鱼形支撑体内部，探头阵列环套在鱼形支撑体身体上，温度传感器置于鱼形支撑体表面，然后整个塞在柔韧性和伸缩性好的软皮内，软皮内再填充透声绝缘的液体。且填充液体后软皮也具有流线型，使之在输送液体内阻力小，利于前行。

上述鱼形支撑体为小鱼形状，前面尖，后面扁，利于在液体输送管道中所输送液体的冲力下沿着液体运动，这样不用其他的动力装置驱动其运动。

上述探头阵列环由若干个探头组组成一个环套在鱼形支撑体的身体上，每个探头组包含一个发射探头，多个接收探头，发射探头在探头组的中间，接收探头围着发射探头布置。环采用非透声柔性材料制作，探头组内嵌或者贴于上面。鱼形支撑体的身体上可以套多个环，探头组的环状分布利于360度全向地检测整个管道。发射探头可以选用大功率的压电陶瓷超声探头，接收探头可以是电容式微加工超声探头或薄膜等多类型的灵敏度高的超声探头。

上述信号模块包括信号产生单元和信号采集单元。信号产生单元负责产生发送信号且经过放大和数模(DA)转换后给发射探头，可以单路依次发给每个探头组中的发射探头，也可以多路并行一起发给每个探头组中的发射探头；信号采集单元采集每个探头组的每个接收探头接收到的超声波信号，然后经过低噪放和模数(AD)转换后得到探测信号交给存储模块存储；每个软体鱼型内检测器的信号模块的信号产生单元产生的发送信号包含两部分:身份(编号)信号和检测发送信号；身份信号是为了区分每个软体鱼型内检测器，每个软体鱼型内检测器的信号模块的信号产生单元都附加一个唯一的编号信号在检测发送信号前面。身份(编号)信号和检测发送信号之间可以插入保护时隙。

上述行程记录模块采用一定的方案来记录短程行程信息，如利用加速度传感器(如陀螺仪)来获得加速度，后面处理的时候再经过两次对时间的积分就可以得到短程距离信息。

上述温度传感器采集温度信息给存储模块进行存储。

上述存储模块储存每个探头组每个接收探头获取的探测信号，温度传感器采集的温度信息，以及行程记录模块记录的短程行程信息。

上述软皮选用柔韧性、伸缩性、透声性好的材质包住鱼形支撑体和探头阵列环，起保护作用；软皮里面再填充透声绝缘的液体，可以选用硅油，使得探头阵列环的探头和探测管道有良好的耦合性。

作为上述基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置的优化方案，所述外置无源声标签贴在液体输送管道的外管壁上，使用声阻抗和管道材质相差大的材质来制作成为不同的图案，不同的图案包括不同厚度、不同大小、不同外形，不同凹凸槽。这样每个无源声标签所携带的信息都是唯一的，相当于对此进行了编码，如图案1为无源声标签1，图案2为无源声标签2。且每个外置无源声标签所贴的位置是已知的，这样鱼型内检测器的探头阵列环探测到外置无源声标签1表明经过了外置无源声标签1，探测到外置无源声标签2表明经过了外置无源声标签2，这样的位置信息是附在探头阵列环的探头组所获取的探测信号里面的。分析探测信号就知道外置无源声标签1到外置无源声标签2这段线路的探测情况，结合行程记录模块，就可以得到外置无源声标签1到外置无源声标签2这段线路细致的管道泄漏位置信息。外置无源声标签在安装管道时就分布式地沿线贴装，两两之间的距离越近，则探测管道的缺陷位置定位越精确。

作为上述基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置的优化方案，所述外置有源接收器也是贴在外管壁上的，由超声接收阵列、信号采集模块、信号处理模块、信息发送模块和电源组成。鱼型内检测器的探头阵列环中的发射探头发射的超声波穿过软皮内的填充液体、管道内的输送液体、管道壁后被外置有源接收器的超声接收阵列接收，然后由信号采集模块低噪声放大和模数(AD)转换后传给信号处理模块，信号处理模块分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来。信息发送模块则把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统。外置有源接收器在安置管道时就分布式地沿线贴装，两两之间的距离越近，则探测管道的堵塞位置判断越精确。

基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测方法，其泄漏的检测实现方式是：软体鱼型内检测器在管道内随着输送液体流动，在流动的过程中由信号模块的信号产生单元产生携带身份信息的发送信号且经过放大和数模(DA)转换后给探头阵列环中的发射探头发送超声波，超声波探测管道后被反射，接收探头接收反射超声波，然后信号采集单元采集每个探头组的接收探头采集到的超声波信号，经过低噪放和模数(AD)转换后交给存储模块存储。软体鱼型内检测器在行进的过程中还采集了温度和短程行程信息存储在存储模块。软体鱼型内检测器在管道内流动完成后，对其存储模块的数据进行分析，分析出哪些数据是经过外置无源声标签1的，外置无源声标签2的，……，外置无源声标签N的，以及外置无源声标签之间的探测信息(即是缺陷信息等)，然后由短程行程信息计算出短程距离信息，结合外置无源声标签的已知位置信息，从而给出整个探测管道的情况，在哪里有腐蚀、损伤等裂缝缺陷。

基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测方法，其堵塞的检测实现方式是：多个软体鱼型内检测器在管道内随着输送液体流动，在流动的过程中由信号模块的信号产生单元产生携带身份信息的发送信号且经过放大和数模(DA)转换后给探头阵列环中的发射探头发送超声波，外置有源接收器超声接收阵列接收鱼型内检测器的探头阵列环中的发射探头发射的超声波穿过硅油，输送液体，管道壁后的超声波，然后由外置有源接收器的信号采集模块低噪声放大和模数(AD)转换后传给信号处理模块，信号处理模块分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来。外置有源接收器的信息发送模块再把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统。整个系统综合分析分布式的外置有源接收器发送的若干个软体鱼型内检测器在管道内不同位置处的接收时间，就可以判断出哪些线路有堵塞的情况出现。

基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测方法工作包括如下步骤：

(1)启动工作。假设软体鱼型内检测器1被放入管道内，在管道内随着输送液体流动。

(2)在某个检测点软体鱼型内检测器1完成探测信号、温度信息、短程行程信息的采集且存储：

采集探测信号：在流动的过程中由信号模块的信号产生单元产生携带身份信息的发送信号，即是发送信号附加了软体鱼型内检测器1的标志信息，发送信号经过放大和数模(DA)转换后给探头阵列环中的发射探头发送超声波，然后信号采集单元采集每个探头组的接收探头接收到的超声波信号，经过低噪放和模数(AD)转换后交给存储模块存储。探头阵列环由若干个探头组组成，每个探头组包含一个发射探头，多个接收探头，探头组的环状分布可以获取整个管道360度全向的探测信号。

采集此检测点的温度信息，此信息可以分析输送液体的品质等，交给存储模块存储。

采集此检测点的短程行程信息，以此来说明此时的探测信号来自于此检测点，交给存储模块存储。

到下一个检测点重复此过程。每个检测点是由检测时间间隔和流动速度来决定的，如每隔5us检测一次，则可以得到间隔为5us的时间软体鱼型内检测器1所经过的所有检测点的探测信号、温度信息和短程行程信息。

(3)软体鱼型内检测器1在管道流动过程中若经过外置无源声标签，采集的探测信号含有外置无源声标签信息。每个外置无源声标签都具有独一无二的图案，如图案1为外置无源声标签1，图案2为外置无源声标签2。且每个外置无源声标签所贴的位置是已知的，这样鱼型内检测器的探头阵列环探测到外置无源声标签1表明经过了外置无源声标签1，探测到外置无源声标签2表明经过了外置无源声标签2，这样的位置信息是叠加到探头阵列环的探头组所获取的探测信号里面的。

(4)软体鱼型内检测器在管道流动过程中若经过外置有源接收器，外置有源接收器获知其通过，记录其通过时间。鱼型内检测器的探头阵列环中的发射探头发射的超声波穿过软皮内的填充液体、管道内的输送液体、管道壁后被外置有源接收器的超声接收阵列接收，然后由外置有源接收器的信号采集模块低噪声放大和模数(AD)转换后传给外置有源接收器的信号处理模块，外置有源接收器的信号处理模块分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来。外置有源接收器的信息发送模块则把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统。

(5)软体鱼型内检测器完成待测管道的检测，取出存储模块里面的所有检测点的探测信号、温度信息和短程行程信息，然后进行泄漏分析。从所有检测点的探测信号可以分析出哪里有缺陷裂缝，即是缺陷裂缝位于哪两个外置无源声标签之间，然后再结合短程行程信息计算出短程距离信息，可以精确地分析出缺陷裂缝的位置，从而准确知道整个探测管道的泄漏情况。

(6)整个系统综合分析分布式的有源接收器获取的若干个软体鱼型内检测器在管道内在不同位置处的接收时间，就可以判断出整条线路的堵塞情况。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)探测精度高。超声检测比漏磁和涡流其他检测方法，检测精度高，对缺陷的图案描述更为精确，而且本装置探头阵列环由若干个探头组组成，每个探头组包含一个发射探头，多个接收探头，探头组的环状分布可以获取整个管道360度全向的探测信号，且可以配置多个探头阵列环。接收探头多，探测信息多，可以避免漏检。另外，同一检测线路中有多个软体鱼型内检测器经过，多次检测提高精度。

(2)软体鱼型内检测器外形为鱼形，体积小，利于穿梭向前，对不同管径大小的管道都适合使用。本装置没有动力装置，相对轻便，体积小，外形光滑，在管道中不易被卡住，阻塞及损坏管道的风险小，

(3)泄漏位置可以准确定位。本装置对管道内检测器的定位是通过软体鱼型内检测器自身获取的探测信号来定位的，不依赖于外定位装置的主动检测，没有误差累积。

(4)泄漏检测和堵塞检测可同时进行。软体鱼型内检测器完成待测管道的检测，取出存储模块里面的所有检测点的探测信号、温度信息和短程行程信息，就能给出泄漏情况。外置有源接收器工作时，检测多个软体鱼型内检测器在管道内不同位置处的接收时间，就可以判断出整条线路的堵塞情况。当不需要堵塞检测时，则外置有源接收器不工作即可。

附图说明

图1是本实施例基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置的工作示意图。

图2是本实施例的软体鱼型内检测器示意图。

图3是本实施例的软体鱼型内检测器的探头阵列环示意图，其中b为a的局部放大图。

图4是本实施例的软体鱼型内检测器的软皮示意图。

图5是本实施例的外置无源声标签示意图；其中a和b为用同样高度大小的铁块以不同的间隔来摆放，形成不同的图案；c和d为在钢板中挖出不同高度的圆筒槽来形成不同的图案。

图6是本实施例的外置有源接收器示意图。

图7是本实施例的软体鱼型内检测器的信号产生单元产生的发送信号示意图。

图8是本实施例的软体鱼型内检测器的缺陷定位说明示意图。

图9是本实施例的工作流程图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例

如图1所示，本实施例基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置的工作示意图。基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测装置，包括在液体输送管道1内随着输送液体流动的软体鱼型内检测器2、外置有源接收器3和外置无源声标签4。其中软体鱼型内检测器2，在流动的过程中检测所经管道的缺陷情况，同时检测所经过的外置无源声标签4，结合所经过的里程记录，给出整个所经过线路的管道情况，以及管道缺陷的准确定位。软体鱼型内检测器体型像鱼，且外壳较软，故称为软体鱼型内检测器。外置无源声标签4贴在液体输送管道1的外侧，每个提供独特唯一的标志信息，软体鱼型内检测器2经过时检测到独特的标志信息，则能判断出经过哪一段线路。外置有源接收器3也放置在液体输送管道1的外侧，接收软体鱼型内检测器2在液体输送管道内发出的透声信号，从而知道其经过时间，综合分析多个软体鱼型内检测器的经过时间信息则知道哪一段线路堵塞。外置无源声标签和外置有源接收器可以放置在管道的同一地标位置，也可以放置在不同的地标位置，但是不能叠贴在输送管道的同一个地方。

如图2所示，本实施例的软体鱼型内检测器示意图。所述软体鱼型内检测器包括鱼形支撑体201，探头阵列环202，信号模块203，行程记录模块204，温度传感器205，存储模块206，电源207和软皮208。信号模块203，行程记录模块204，存储模块206，电源207放置在鱼形支撑体内部，探头阵列环202套在鱼形支撑体身体上，温度传感器205置于鱼形支撑体表面，然后整个塞在柔韧性和伸缩性好的软皮208内，软皮208内再放置填充透声绝缘的液体。软皮填充液体后也具有流线型，使之在输送液体内阻力小。鱼形支撑体201为小鱼形状，前面尖，后面扁，利于在液体输送管道中凭借所输送液体的冲力沿着液体运动，这样不用其他的动力装置驱动其运动。

信号模块203负责信号产生和探测信号采集。行程记录模块204采用一定的方案来记录短程行程信息，如利用加速度传感器(如陀螺仪)来获得加速度，后面处理的时候再经过两次对时间的积分就可以得到短程距离信息。温度传感器模块205采集温度信息给存储模块206进行存储。存储模块206储存每个探头组每个接收探头获取的探测信号，温度传感器模块采集的温度信息，以及行程记录模块记录的短程行程信息。

如图3所示，是本实施例的软体鱼型内检测器的探头阵列环示意图。由图3(a)可以看到探头阵列环由若干个探头组组成一个环，套在鱼形支撑体的身体上使用。环采用非透声柔性材料制作，探头组内嵌或者贴于上面。由图3(b)可以看到每个探头组包含一个发射探头209，多个接收探头210，这里示意了6个。发射探头在探头组的中间，接收探头围着发射探头布置。鱼形支撑体的身体上可以套多个环，探头组的环状分布利于360度全向的检测整个管道。发射探头可以选用大功率的压电陶瓷超声探头，接收探头可以是电容式微加工超声探头或薄膜等多类型的灵敏度高的探头。

如图4所示，是本实施例的软体鱼型内检测器的软皮示意图。软皮选用柔韧性、伸缩性、透声性好的材质包住鱼形支撑体和探头阵列环，起到保护作用。软皮里面再放置填充透声绝缘的液体，可以选用硅油，使得探头阵列环的探头和探测管道有良好的耦合性。软皮用硅油填充后有类似鱼的鳍，利于前行。

如图5所示，是本实施例的外置无源声标签示意图。外置无源声标签贴在管道外管壁上，使用声阻抗和管道材质相差大的材质来制作成为不同的图案，不同的图案包括不同厚度、不同大小、不同外形，不同的凹凸槽。图5示意了4种图案，5(a)和5(b)是用同样高度大小的铁块以不同的间隔来摆放，形成不同的图案；5(c)和5(d)是在钢板中挖出不同高度的圆筒槽来形成不同的图案。外置无源声标签在安装管道时就分布式地沿线贴装，两两之间的距离越近，则探测管道的缺陷位置定位越精确。

如图6所示，是本实施例的外置有源接收器示意图。外置有源接收器也是贴在管道外管壁上的，由超声接收阵列301、信号采集模块302、信号处理模块303、信息发送模块304和电源305组成。鱼型内检测器的探头阵列环中的发射探头发射的超声波穿过软皮内的填充液体、管道内的输送液体、管道壁后被外置有源接收器的超声接收阵列301接收，然后由信号采集模块302低噪声放大和模数(AD)转换后传给信号处理模块303，信号处理模块303分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来。信息发送模块304则把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统。有源接收器在安装管道时就分布式地沿线贴装，两两之间的距离越近，则则探测管道的堵塞位置判断越精确。

如图7所示，是本实施例的软体鱼型内检测器的信号产生单元产生的发送信号示意图。信号产生单元产生的发送信号包含两部分:身份(编号)信号和检测发送信号。为了区分每个软体鱼型内检测器，则每个软体鱼型内检测器的信号模块的信号产生单元要附加一个身份(编号)信号在检测发送信号上。如前τ₁时间发身份(编号)信息，用一定的调制方式，如FSK，OFDM调制后成为身份信号。后面τ₂时间发送检测发送信号，如可以是连续线性调频波。身份(编号)信号和检测发送信号之间可以插入保护时隙τ₃。外置有源接收器再把收到的有声信号，对前面τ₁时间的信号解调，得到编号信息。软体鱼型内检测器接收探头接收的信号都进行存储，在系统分析数据时自动把前τ₁+τ₃时间的信号删掉，即是只取后面的检测信号来进行分析。

如图8所示，是本实施例的软体鱼型内检测器的缺陷定位说明示意图。假设一段待测管道外侧安装了N个外置无源声标签。每个无源声标签的图案是唯一的，相当于对此进行了编码，如图案1为外置无源声标签1，图案2为外置无源声标签2，他们之间相隔d₁米。由于每个无源声标签所贴的位置是已知的，这样软体鱼型内检测器的探头阵列环探测到外置无源声标签1表明经过了外置无源声标签1，探测到外置无源声标签2表明经过了外置无源声标签2，这样的位置信息是叠加到探头阵列环的探头组所获取的探测信号里面的。分析探测信号就知道外置无源声标签1到外置无源声标签2这段长为d₁米线路的探测情况，结合行程记录模块，就可以得到外置无源声标签1到外置无源声标签2这段线路细致的管道探测信息。同样其他段也是一样。

如图9所示，是本实施例所述基于随路内窥式液体输送管道泄漏及堵塞的超声检测方法的工作流程图。

(1)启动工作。假设软体鱼型内检测器1被放入管道内，在管道内随着输送液体流动。

(2)在某个检测点软体鱼型内检测器1完成探测信号、温度信息、短程行程信息的采集且存储：

采集探测信号：在流动的过程中由信号模块的信号产生单元产生携带身份信息的发送信号，即是发送信号附加了软体鱼型内检测器1的标志信息，发送信号经过放大和数模(DA)转换后给探头阵列环中的发射探头发送超声波，然后信号采集单元采集每个探头组的接收探头接收到的超声波信号，经过低噪放和模数(AD)转换后交给存储模块存储。探头阵列环由若干个探头组组成，每个探头组包含一个发射探头，多个接收探头，探头组的环状分布可以获取整个管道360度全向的探测信号。

采集此检测点的温度信息，此信息可以分析输送液体的品质等，交给存储模块存储。

采集此检测点的短程行程信息，以此来说明此时的探测信号来自于此检测点，交给存储模块存储。

到下一个检测点重复此过程。每个检测点是由检测时间间隔和流动速度来决定的，如每隔5us检测一次，则可以得到间隔为5us的时间软体鱼型内检测器1所经过的所有检测点的探测信号、温度信息和短程行程信息。

(3)软体鱼型内检测器1在管道流动过程中若经过外置无源声标签，采集的探测信号含有外置无源声标签信息。每个外置无源声标签都具有独一无二的图案，如图案1为外置无源声标签1，图案2为外置无源声标签2。且每个外置无源声标签所贴的位置是已知的，这样鱼型内检测器的探头阵列环探测到外置无源声标签1表明经过了外置无源声标签1，探测到外置无源声标签2表明经过了外置无源声标签2，这样的位置信息是叠加到探头阵列环的探头组所获取的探测信号里面的。

(4)软体鱼型内检测器在管道流动过程中若经过外置有源接收器，外置有源接收器获知其通过，记录其通过时间。鱼型内检测器的探头阵列环中的发射探头发射的超声波穿过软皮内的填充液体、管道内的输送液体、管道壁后被外置有源接收器的超声接收阵列接收，然后由外置有源接收器的信号采集模块低噪声放大和模数(AD)转换后传给外置有源接收器的信号处理模块，外置有源接收器的信号处理模块分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来。外置有源接收器的信息发送模块则把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统。

(5)软体鱼型内检测器完成待测管道的检测，取出存储模块里面的所有检测点的探测信号、温度信息和短程行程信息，然后进行泄漏分析。从所有检测点的探测信号可以分析出哪里有缺陷裂缝，即是缺陷裂缝位于哪两个外置无源声标签之间，然后再结合短程行程信息计算出短程距离信息，可以精确地分析出缺陷裂缝的位置，从而准确知道整个探测管道的泄漏情况。

(6)整个系统综合分析分布式的有源接收器获取的若干个软体鱼型内检测器在管道内在不同位置处的接收时间，就可以判断出整条线路的堵塞情况。

上述实施例仅为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于随路内窥式管道泄漏及堵塞的超声检测装置，其特征在于包括软体鱼型内检测器、外置无源声标签和外置有源接收器；其中软体鱼型内检测器在液体输送管道内随着输送液体流动，在流动的过程中检测所经管道的缺陷情况，同时检测所经过的外置无源声标签，结合所经过的里程记录，内窥出整个所经过线路的管道情况，以及管道缺陷的准确定位；外置无源声标签贴在液体输送管道的外侧，每个提供独特唯一的标志信息，软体鱼型内检测器经过时检测到独特的标志信息，则能判断出经过哪一段线路；外置有源接收器也放置在液体输送管道的外侧，接收软体鱼型内检测器在液体输送管道内发出的透声信号，从而知道其经过时间，综合多个软体鱼型内检测器的经过时间信息则知道哪一段线路堵塞；外置无源声标签和外置有源接收器可以放置在管道的同一地标位置，也可以放置在不同的地标位置，但是不能叠贴在输送管道的同一个地方。

2.根据权利要求1所述的基于随路内窥式管道泄漏及堵塞的超声检测装置，其特征在于软体鱼型内检测器包括鱼形支撑体、探头阵列环、信号模块、行程记录模块、温度传感器、存储模块、电源和软皮；信号模块、行程记录模块、存储模块、电源放置在鱼形支撑体内部，探头阵列环套在鱼形支撑体身体上，温度传感器置于鱼形支撑体表面，然后整个塞在柔韧性和伸缩性好的软皮内，软皮内再放置填充透声绝缘的液体；软皮填充液体后也具有流线型，使之在输送液体内阻力小；

上述鱼形支撑体为小鱼形状，前面尖，后面扁，利于在液体输送管道中在所输送液体的冲力下沿着液体运动，这样不用其他的动力装置驱动其运动；

上述探头阵列环由若干个探头组组成一个环套在鱼形支撑体的身体上，每个探头组包含一个发射探头和多个接收探头，发射探头在探头组的中间，接收探头围着发射探头布置；环采用非透声柔性材料制作，探头组内嵌或者贴于上面；鱼形支撑体的身体上套多个环；探头组的环状分布利于360度全向的检测整个管道；发射探头选用大功率的压电陶瓷超声探头，接收探头是灵敏度高的探头；

上述信号模块包括信号产生单元和信号采集单元；信号产生单元负责产生发送信号且经过放大和数模转换后给每个探头组的发射探头；信号采集单元采集每个探头组的每个接收探头采集到的超声波信号，然后经过低噪放和模数转换后得到探测信号交给存储模块存储；为了区分每个软体鱼型内检测器，每个软体鱼型内检测器的信号模块的信号产生单元附加一个身份信号在检测发送信号前面，故每个软体鱼型内检测器的信号模块的信号产生单元产生的发送信号包含两部分:身份信号和检测发送信号；

上述行程记录模块记录短程行程信息；

上述存储模块储存每个探头组每个接收探头获取的探测信号，温度传感器模块采集的温度信息，以及行程记录模块记录的短程行程信息；

上述温度传感器采集温度信息给存储模块进行存储；

上述软皮选用柔韧性、伸缩性、透声性好的材质包住鱼形支撑体和探头阵列环，里面再放置填充液体，使得探头阵列环的探头和探测管道有良好的耦合性。

3.根据权利要求1所述的基于随路内窥式管道泄漏及堵塞的超声检测装置，其特征在于外置无源声标签贴在管道外管壁上，使用声阻抗和管道材质相差大的材质来制作成为不同的图案，不同的图案包括不同厚度、不同大小、不同外形，不同凹凸槽；这样每个外置无源声标签所携带的信息都是唯一的，相当于对此进行了编码；软体鱼型内检测器探测所经管道时所获取的探测信号包含了外置无源声标签信息的图案；分析探测信号就知道经过了哪些外置无源声标签，结合行程记录模块，就可以得到整段线路细致的管道探测信息；外置无源声标签在安装管道时就分布式地沿线贴装，两两之间的距离越近，则探测管道的缺陷位置定位越精确。

4.根据权利要求1所述的基于随路内窥式管道泄漏及堵塞的超声检测装置，其特征在于外置有源接收器也是贴在管道外管壁上的，由超声接收阵列、信号采集模块、信号处理模块、信息发送模块和电源组成；鱼型内检测器的探头阵列环中的发射探头发射的超声波穿过软皮内的填充液体、管道内的输送液体、管道壁后被外置有源接收器的超声接收阵列接收，然后由信号采集模块低噪声放大和模数转换后传给信号处理模块，信号处理模块分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来；信息发送模块则把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统；外置有源接收器在安置管道时就分布式地沿线贴装，两两之间的距离越近，则探测管道的堵塞位置判断越精确。

5.一种基于权利要求1所述的超声检测装置的超声检测方法，其特征在于管道泄漏的检测实现方式是：软体鱼型内检测器在管道内随着输送液体流动，在流动的过程中由信号模块的信号产生单元产生携带身份信息的发送信号且经过放大和数模转换后给探头阵列环中的发射探头发送超声波，超声波探测管道后被反射，接收探头接收反射超声波，然后信号采集单元采集每个探头组的接收探头采集到的超声波信号，经过低噪放和模数转换后交给存储模块存储；软体鱼型内检测器在行进的过程中还采集了温度和短程行程信息存储在存储模块；软体鱼型内检测器在管道内流动完成后，对其存储模块的数据进行分析，分析出哪些数据是经过外置无源声标签一的，外置无源声标签二的，……，外置无源声标签N的，以及外置无源声标签之间的探测信息，然后由短程行程信息计算出短程距离信息，结合外置无源声标签的已知位置信息，从而给出整个探测管道的情况。

6.一种基于权利要求1所述的超声检测装置的超声检测方法，其特征在于管道堵塞的检测实现方式是：多个软体鱼型内检测器在管道内随着输送液体流动，在流动的过程中由信号模块的信号产生单元产生携带身份信息的发送信号且经过放大和数模转换后给探头阵列环中的发射探头发送超声波，超声波穿过软皮内的填充液体、管道内的输送液体、管道壁后被外置有源接收器的超声接收阵列接收，然后由外置有源接收器的信号采集模块低噪声放大和模数转换后传给信号处理模块，信号处理模块分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来；外置有源接收器的信息发送模块再把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统；整个系统综合分析分布式的外置有源接收器获知的若干个软体鱼型内检测器在管道内不同位置处的接收时间，就可以判断出哪些线路有堵塞的情况出现。

7.根据权利要求5或6所述的超声检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)启动工作：软体鱼型内检测器1被放入管道内，在管道内随着输送液体流动；

2)在某个检测点软体鱼型内检测器1完成探测信号、温度信息、短程行程信息的采集且存储：

采集探测信号：在流动的过程中由信号模块的信号产生单元产生携带身份信息的发送信号，即是发送信号附加了软体鱼型内检测器1的标志信息，发送信号经过放大和数模转换后给探头阵列环中的发射探头发送超声波，然后信号采集单元采集每个探头组的接收探头接收到的超声波信号，经过低噪放和模数转换后交给存储模块存储；探头阵列环由若干个探头组组成，每个探头组包含一个发射探头和多个接收探头，探头组的环状分布可以获取整个管道360度全向的探测信号；

采集此检测点的温度信息，交给存储模块存储；

采集此检测点的短程行程信息，以此来说明此时的探测信号来自于此检测点，交给存储模块存储；

到下一个检测点重复此过程；每个检测点是由检测时间间隔和流动速度来决定的，当每隔5us检测一次，则可以得到间隔为5us的时间软体鱼型内检测器1所经过的所有检测点的探测信号、温度信息和短程行程信息；

3)软体鱼型内检测器在管道流动过程中经过外置无源声标签，采集的探测信号含有外置无源声标签信息：每个外置无源声标签都具有独一无二的图案，图案一为外置无源声标签一，图案二为外置无源声标签二；且每个外置无源声标签所贴的位置是已知的，这样鱼型内检测器的探头阵列环探测到外置无源声标签一表明经过了外置无源声标签一，探测到外置无源声标签二表明经过了外置无源声标签二，这样的位置信息是叠加到探头阵列环的探头组所获取的探测信号里面的；

4)软体鱼型内检测器在管道流动过程中经过外置有源接收器，外置有源接收器获知其通过，记录其通过时间：鱼型内检测器的探头阵列环中的发射探头发射的超声波穿过软皮内的填充液体、管道内的输送液体、管道壁后被外置有源接收器的超声接收阵列接收，然后由外置有源接收器的信号采集模块低噪声放大和模数转换后传给外置有源接收器的信号处理模块，外置有源接收器的信号处理模块分析收到的信号，判断是否有软体鱼型内检测器经过，若检测到有经过，则进一步判断经过的是哪个软体鱼型内检测器，把其编号和时间信息记录下来；外置有源接收器的信息发送模块则把记录的编号和时间信息通过有线或者无线的发送方式给后台系统；

5)软体鱼型内检测器完成待测管道的检测，取出存储模块里面的所有检测点的探测信号、温度信息和短程行程信息，然后进行泄漏分析；从所有检测点的探测信号可以分析出哪里有缺陷裂缝，即是缺陷裂缝位于哪两个外置无源声标签之间，然后再结合短程行程信息计算出短程距离信息，可以精确地分析出缺陷裂缝的位置，从而准确知道整个探测管道的泄漏情况；

6)整个系统综合分析分布式的有源接收器获取的若干个软体鱼型内检测器在管道内在不同位置处的接收时间，就可以判断出整条线路的堵塞情况。