CN107166174A - 一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海底管道内检测技术，具体涉及一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统及方法。本发明的技术方案如下：一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，包括压力波产生装置、压力传感器模块、数据采集装置和上位机，压力波产生装置与内检测器连接在一起，在管道的首、末端各装设一个压力传感器模块，压力传感器模块与数据采集装置连接在一起，数据采集装置与上位机连接在一起，管道首、末端的上位机互相通过网络进行通讯。本发明提供的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统及方法，通过在管道首、末端进行采集压力波信号，实时检测在线计算，实现实时跟踪与精确定位。
Description
技术领域
本发明属于海底管道内检测技术，具体涉及一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统及方法。
背景技术
由于管道外检测只是可以在管道已经发生泄漏的时候进行提示,这属于事后处理,只能起到降低损失的作用,并不能完全地消除损失,而且管道外检测技术不适用于海底油气管道,无法完成对海底油气管道的全面检测。因此对于地底和海底的油气管道的检测而言，管道内检测技术十分重要。
管道内检测技术是一种重要的管道故障诊断方法，对海底管道的安全运行起到重要的保障作用。
由于现役绝大部分的管道检测自然环境与条件都特别恶劣，当内检测器在管道中进行检测工作的时候，可能会遇到管道中的一些特殊情况，比如：
1.内检测器运行到了管道的三通、阀门与弯头等特别容易卡堵的地方；
2.检测器自身出现各种类型的机械问题时；
3.管壁出现比较大的形变时，内检测器很容易阻塞在管道内；
4.遇到管道内沉积的各种杂物，比如：由于大气温度大幅下降或者加热炉出现的故障所带来输送原油温度下降的结果，使原油中析出大量的石蜡。
由于以上或其它情况，内检测器可能卡堵在被检测管道当中。此时需要实时及时地确定内检测器在管道中的位置，以便采取相应措施。并且尽快准确地定位出内检测器卡堵的位置并将其取出，从而保持内检测器在管道中能够正常运行，否则危害严重。
现有管道内检测器定位技术应用广泛，但是也有不少的缺点：
(1)、定位方法有很多，比如：传统里程轮定位法、定点磁标法、静磁场定位法、放射性射线定位法、GPS/INS组合导航系统定位法。但这些方法通常只能应用于陆地管道，难以对海底管道内检测器进行跟踪，无法解决海底管道内检测器的实时跟踪与定位问题。
(2)、目前的管道内检测定位技术所采用的方法一些测量范围太小，适用性较低，局限性大；一些方法成本太高，且精度不高。
(3)、在长距离管道中，目前大部分的管道内检测定位技术普遍不能解决能源耗费的问题，无法完成长距离的检测任务。这些问题在后续工作中，都有待解决。
发明内容
本发明提供一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统及方法，通过在管道首、末端进行采集压力波信号，实时检测在线计算，实现实时跟踪与精确定位。
本发明的技术方案如下：
一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，包括压力波产生装置、压力传感器模块、数据采集装置和上位机，压力波产生装置与内检测器连接在一起，在管道的首、末端各装设一个压力传感器模块，压力传感器模块与数据采集装置连接在一起，数据采集装置与上位机连接在一起，管道首、末端的上位机互相通过网络进行通讯。
所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其中所述压力波产生装置包括圆柱形腔体、活塞腔和三个滚轮，活塞腔安装在圆柱形腔体的一个端面上，三个滚轮通过三个支架成120°均匀设置在圆柱形腔体的另一个端面上，三个滚轮紧密接触管道内壁；圆柱形腔体内设有齿轮组，齿轮组包括中小齿轮、中齿轮、中大齿轮、大齿轮、较大齿轮和多个小齿轮，中小齿轮与小齿轮一同轴设置，中齿轮与小齿轮二同轴设置，中大齿轮与小齿轮三同轴设置，大齿轮和与小齿轮四同轴设置，小齿轮五与转轮一同轴设置，一个所述滚轮上同轴设置转轮二，转轮二通过链条与转轮一连接在一起，小齿轮五与中小齿轮啮合，小齿轮一与中齿轮啮合，小齿轮二与中大齿轮啮合，小齿轮三与大齿轮啮合，小齿轮四与较大齿轮啮合，较大齿轮与凸轮同轴设置，所述凸轮位于圆柱形腔体的中轴线上；活塞腔的环形侧壁内设有活塞，所述活塞包括活塞板和活塞杆，所述活塞杆的一端固定安装在所述活塞板的中心，所述活塞杆的另一端通过圆柱形腔体的端面中心穿入圆柱形腔体内，所述活塞杆上设有弹簧，所述弹簧的一端连接在圆柱形腔体的端面上，所述弹簧的另一端连接在所述活塞杆的穿入圆柱形腔体内的端头处；所述活塞杆的端头上设有滚子，所述滚子与所述凸轮啮合；所述凸轮的一边为缓和轮廓线，另一边为急剧收缩轮廓线；活塞腔的环形侧壁端头内侧设有挡板，用于阻挡所述活塞板。
所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其中所述压力传感器模块包括压力传感器、隔离端子和I/V转换电路，所述压力传感器用于接收所述压力波产生装置发出的压力波，所述压力传感器的输出信号为电流信号，通过隔离端子和I/V转换电路，转变为1-5V模拟电压信号，传送到所述数据采集装置中。
所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其中所述数据采集装置包括数据采集单元和GPS授时单元，所述数据采集单元包括实时控制器、FPGA控制单元和I/O模块，所述数据采集单元用于将压力波的模拟电压信号经过调理与AD转换成为压力波的数字信号并传给上位机；所述GPS授时单元连接在所述实时控制器上，所述GPS授时单元用于产生秒脉冲控制所述压力传感器模块采集压力波及接收GPS卫星的时间数据为所述压力波的数字信号打上时间标签。
所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其中所述上位机通过网络通信对管道首端和末端的数据采集装置传送上来的压力波的数字信号进行分析计算，实时判断内检测器在管道中的位置，实现跟踪与定位。
一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位方法，包括如下步骤：
步骤1、采用上述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，首先在海底管道的首端放入带有所述压力波产生装置的内检测器到管道中,管道的首端是流体开始注入管道的一端,在流体的推动下带有所述压力波产生装置的内检测器开始在管道中移动；
步骤2、在带有所述压力波产生装置的内检测器移动过程中，所述滚轮在管道内壁上滚动，通过齿轮组的传动带动所述凸轮转动，所述凸轮通过所述滚子和弹簧使所述活塞杆产生直线往复运动，所述活塞板使流体产生压力波，所述压力波产生装置在20s之内完成一个周期产生一个压力波，若所述压力传感器模块检测到的前后两个相邻压力波的时间间隔大于20s，说明出现卡堵情况，运动不流畅，转到步骤8；若检测到的前后两个相邻压力波的时间间隔小于20s，进行步骤3；
步骤3、在管道内的压力波，分别向管道的首、末端传播，安装在管道内首、末端的压力传感器检测到压力波的压力，在GPS授时单元控制下进行信号采集，所述压力传感器的输出信号为电流信号，通过隔离端子和I/V转换电路，转变为1-5V模拟电压信号，传送到所述数据采集装置中的数据采集单元；
步骤4、将检测到的压力波模拟电压信号通过数据采集装置中数据采集单元的调理电路放大处理，并且进行AD转换成为压力波数字信号；
步骤5、数据采集装置将压力波数字信号连同GPS授时单元中的时间信息一起传送给上位机；
步骤6、在上位机中，利用瞬时压力波定位方法计算出内检测器在管道中的位置，并且得到对应的压力、时间和位置数据，并存储到计算机中；计算公式为：
式中：X—内检测器和管道首端的距离(m)
L—被测管道的长度(m)
a—压力波的传播速度(m/s)
Δt—压力波到达管道首末端时，压力传感器检测到压力信号的时间差(s)；
步骤7、对于所计算得到的内检测器位置信息，判断内检测器是否到达管道末端，如果到达管道末端，转到步骤9，否则，执行步骤2；
步骤8、对于所检测到的压力波，在检测到一个压力波之后，若20s之后再没有接收到压力波信号，则可判断出所述压力波产生装置停止移动，出现卡堵，根据所述压力波产生装置停止前的最后一个压力波信号以及时间信息，计算出内检测器在管道中的位置，转到步骤9，否则，返回执行步骤2；
步骤9、从管道中取出带有所述压力波产生装置的内检测器。
本发明的有益效果为：本发明的压力波产生装置体积小，成本低；压力波产生装置的设计结构简单，基于纯机械结构设计，利用滚轮转动，带动齿轮组，最终拉动活塞产生压力波，因此该压力波产生装置无能源消耗，只需给内检测器供电，功耗低；由于活塞腔封闭，轻微的波动就可以产生强烈的压力波，可实现长距离的信号传输，并且压力波之间相互影响小，抗干扰能力强，可以实现上百公里长距离的检测任务；本发明使用方便，检测效果快而明显；通过在管道首、末端即出、入口进行采集信号，实时检测在线计算，不会对测量范围有所限制，工作量小并且该装置适合各种恶劣环境，可实现实时跟踪与精确定位。
附图说明
图1为海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统的安装示意图；
图2为压力波产生装置平面结构示意图；
图3为压力波产生装置立体示意图；
图4为压力波产生装置的凸轮及活塞运动状态图；其中：(a)为凸轮的缓和轮廓线部分转动时，(b)为凸轮的急剧收缩轮廓线部分转动时；
图5为定位方法计算示意图；
图6为检测信号流向图；
图7为数据采集装置架构图；
图8为GPS授时单元功能图；
图9为海底管道内检测器的实时跟踪与定位方法流程图。
具体实施方式
如图1-8所示，一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，包括压力波产生装置3、压力传感器模块4、数据采集装置5和上位机6，压力波产生装置3与内检测器2连接在一起，在管道1的首、末端各装设一个压力传感器模块4，压力传感器模块4与数据采集装置5连接在一起，数据采集装置5与上位机6连接在一起，管道1首、末端的上位机6互相通过网络进行通讯。
所述压力波产生装置3包括圆柱形腔体22、活塞腔21和三个滚轮7，活塞腔21安装在圆柱形腔体22的一个端面上，三个滚轮7通过三个支架23成120°均匀设置在圆柱形腔体22的另一个端面上，三个滚轮7紧密接触管道1内壁；圆柱形腔体22内设有齿轮组，齿轮组包括中小齿轮11、中齿轮12、中大齿轮13、大齿轮14、较大齿轮15和多个小齿轮，中小齿轮11与小齿轮一同轴设置，中齿轮12与小齿轮二同轴设置，中大齿轮13与小齿轮三同轴设置，大齿轮14和与小齿轮四同轴设置，小齿轮五与转轮一10同轴设置，一个所述滚轮7上同轴设置转轮二8，转轮二8通过链条9与转轮一10连接在一起，小齿轮五与中小齿轮11啮合，小齿轮一与中齿轮12啮合，小齿轮二与中大齿轮13啮合，小齿轮三与大齿轮14啮合，小齿轮四与较大齿轮15啮合，较大齿轮15与凸轮16同轴设置，所述凸轮16位于圆柱形腔体22的中轴线上；齿轮模数均为2，小齿轮的齿轮数为6，中小齿轮11、中齿轮12、中大齿轮13、大齿轮14和较大齿轮15的齿轮数比为12：24：24：12：30；凸轮16最大力臂为1.5cm，滚轮7半径为5cm；活塞腔21的环形侧壁内设有活塞，所述活塞包括活塞板19和活塞杆18，活塞板19直径为6cm，所述活塞杆18的一端固定安装在所述活塞板19的中心，所述活塞杆18的另一端通过圆柱形腔体22的端面中心穿入圆柱形腔体22内，所述活塞杆18上设有弹簧20，所述弹簧20的一端连接在圆柱形腔体22的端面上，所述弹簧20的另一端连接在所述活塞杆18的穿入圆柱形腔体22内的端头处；所述活塞杆18的端头上设有滚子17，所述滚子17与所述凸轮16啮合；所述凸轮16的一边为缓和轮廓线，另一边为急剧收缩轮廓线；活塞腔21的环形侧壁端头内侧设有挡板，用于阻挡所述活塞板19；在凸轮16的缓和轮廓线部分转动中，将与其啮合的滚子17缓慢推远，实现弹簧20的缓慢压缩，所述活塞杆18将所述活塞板19缓慢推至挡板处，在凸轮16的急剧收缩轮廓线部分转动时，在弹簧20的弹力作用下，实现活塞杆18的快速回复，拉回活塞板19，从而作用于流体产生压力波，内检测器2每移动100m左右，即20s内就会产生一次压力波。
所述压力传感器模块4包括压力传感器、隔离端子和I/V转换电路，压力传感器为艾默生仪表公司产品GP4A2B21AB4M5D1，隔离端子采用的是德国魏德米勒公司所生产WASSCCC 20LP，所述压力传感器用于接收所述压力波产生装置3发出的压力波，所述压力传感器的输出信号为电流信号，通过隔离端子和I/V转换电路，转变为1-5V模拟电压信号，传送到所述数据采集装置5中。
所述数据采集装置5包括数据采集单元和GPS授时单元，数据采集单元采用NI公司Compact-RIO控制器进行系统硬件平台实现，Compact-RIO系统由实时控制器、FPGA和工业级I/O模块(例如模拟输入模块、模拟输出模块、数字IO模块、继电器、通讯模块、运动控制模块等)三个部分组成，其中实时控制器采用cRIO-9068，所述数据采集单元用于将压力波的模拟电压信号经过调理与AD转换成为压力波的数字信号并传给上位机6；所述GPS授时单元采用UM220，所述GPS授时单元通过Compact-RIO系统外设的RS-232串口连接在所述实时控制器上，所述GPS授时单元用于产生秒脉冲控制所述压力传感器模块4采集压力波及接收GPS卫星的时间数据为所述压力波的数字信号打上时间标签。
所述上位机6通过网络通信对管道1首端和末端的数据采集装置5传送上来的压力波的数字信号进行分析计算，实时判断内检测器2在管道1中的位置，实现跟踪与定位。
如图9所示，一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位方法，包括如下步骤：
步骤1、采用上述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，首先在管道1的首端放入带有所述压力波产生装置3的内检测器2到管道1中,管道1的首端是流体开始注入管道1的一端,在流体的推动下带有所述压力波产生装置3的内检测器2开始在管道1中移动；
步骤2、在带有所述压力波产生装置3的内检测器2移动过程中，所述滚轮7在管道1内壁上滚动，通过齿轮组的传动带动所述凸轮16转动，所述凸轮16通过所述滚子17和弹簧20使所述活塞杆18产生直线往复运动，所述活塞板19使流体产生压力波，所述压力波产生装置2在20s之内完成一个周期产生一个压力波，若所述压力传感器模块4检测到的前后两个相邻压力波的时间间隔大于20s，说明出现卡堵情况，运动不流畅，转到步骤8；若检测到的前后两个相邻压力波的时间间隔小于20s，进行步骤3；
步骤3、在管道1内的压力波，分别向管道1的首、末端传播，安装在管道1内首、末端的压力传感器检测到压力波的压力，在GPS授时单元控制下进行信号采集，所述压力传感器的输出信号为电流信号，通过隔离端子和I/V转换电路，转变为1-5V模拟电压信号，传送到所述数据采集装置5中的数据采集单元；
步骤4、将检测到的压力波模拟电压信号通过数据采集装置5中数据采集单元的调理电路放大处理，并且进行AD转换成为压力波数字信号；
步骤5、数据采集装置5将压力波数字信号连同GPS授时单元中的时间信息一起传送给上位机6；
步骤6、在上位机6中，利用瞬时压力波定位方法计算出内检测器在管道中的位置，并且得到对应的压力、时间和位置数据，并存储到计算机中；设被测管道总长度为L，流体流速为v，压力波波速为a，当内检测器所在位置位于距离管道首端X米时，压力波从内检测器处到达管道首端的时间为t1，到达管道末端的时间为t2，令其时间差为Δt＝t1-t2，由此可以得到如下关系：
注：a的值一般在1000m/s以上，v的值在1.5-3m/s，因此v通常忽略不计，由此上式可以改成：
式中：X—内检测器和管道首端的距离(m)
L—被测管道的长度(m)
a—压力波的传播速度(m/s)
Δt—压力波到达管道首末端时，压力传感器检测到压力信号的时间差(s)；
步骤7、对于所计算得到的内检测器2位置信息，判断内检测器2是否到达管道1末端，如果到达管道1末端，转到步骤9，否则，执行步骤2；
步骤8、对于所检测到的压力波，在检测到一个压力波之后，若20s之后再没有接收到压力波信号，则可判断出所述压力波产生装置3停止移动，出现卡堵，根据所述压力波产生装置3停止前的最后一个压力波信号以及时间信息，计算出内检测器2在管道1中的位置，转到步骤9，否则，返回执行步骤2；
步骤9、从管道1中取出带有所述压力波产生装置3的内检测器2。
Claims (6)
1.一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其特征在于，包括压力波产生装置、压力传感器模块、数据采集装置和上位机，压力波产生装置与内检测器连接在一起，在管道的首、末端各装设一个压力传感器模块，压力传感器模块与数据采集装置连接在一起，数据采集装置与上位机连接在一起，管道首、末端的上位机互相通过网络进行通讯。
2.根据权利要求1所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其特征在于，所述压力波产生装置包括圆柱形腔体、活塞腔和三个滚轮，活塞腔安装在圆柱形腔体的一个端面上，三个滚轮通过三个支架成120°均匀设置在圆柱形腔体的另一个端面上，三个滚轮紧密接触管道内壁；圆柱形腔体内设有齿轮组，齿轮组包括中小齿轮、中齿轮、中大齿轮、大齿轮、较大齿轮和多个小齿轮，中小齿轮与小齿轮一同轴设置，中齿轮与小齿轮二同轴设置，中大齿轮与小齿轮三同轴设置，大齿轮和与小齿轮四同轴设置，小齿轮五与转轮一同轴设置，一个所述滚轮上同轴设置转轮二，转轮二通过链条与转轮一连接在一起，小齿轮五与中小齿轮啮合，小齿轮一与中齿轮啮合，小齿轮二与中大齿轮啮合，小齿轮三与大齿轮啮合，小齿轮四与较大齿轮啮合，较大齿轮与凸轮同轴设置，所述凸轮位于圆柱形腔体的中轴线上；活塞腔的环形侧壁内设有活塞，所述活塞包括活塞板和活塞杆，所述活塞杆的一端固定安装在所述活塞板的中心，所述活塞杆的另一端通过圆柱形腔体的端面中心穿入圆柱形腔体内，所述活塞杆上设有弹簧，所述弹簧的一端连接在圆柱形腔体的端面上，所述弹簧的另一端连接在所述活塞杆的穿入圆柱形腔体内的端头处；所述活塞杆的端头上设有滚子，所述滚子与所述凸轮啮合；所述凸轮的一边为缓和轮廓线，另一边为急剧收缩轮廓线；活塞腔的环形侧壁端头内侧设有挡板，用于阻挡所述活塞板。
3.根据权利要求1所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其特征在于，所述压力传感器模块包括压力传感器、隔离端子和I/V转换电路，所述压力传感器用于接收所述压力波产生装置发出的压力波，所述压力传感器的输出信号为电流信号，通过隔离端子和I/V转换电路，转变为1-5V模拟电压信号，传送到所述数据采集装置中。
4.根据权利要求1所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其特征在于，所述数据采集装置包括数据采集单元和GPS授时单元，所述数据采集单元包括实时控制器、FPGA控制单元和I/O模块，所述数据采集单元用于将压力波的模拟电压信号经过调理与AD转换成为压力波的数字信号并传给上位机；所述GPS授时单元连接在所述实时控制器上，所述GPS授时单元用于产生秒脉冲控制所述压力传感器模块采集压力波及接收GPS卫星的时间数据为所述压力波的数字信号打上时间标签。
5.根据权利要求1所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，其特征在于，所述上位机通过网络通信对管道首端和末端的数据采集装置传送上来的压力波的数字信号进行分析计算，实时判断内检测器在管道中的位置，实现跟踪与定位。
6.一种海底管道内检测器的实时跟踪与定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采用如权利要求1-5之一所述的海底管道内检测器的实时跟踪与定位系统，首先在海底管道的首端放入带有所述压力波产生装置的内检测器到管道中,管道的首端是流体开始注入管道的一端,在流体的推动下带有所述压力波产生装置的内检测器开始在管道中移动；
步骤2、在带有所述压力波产生装置的内检测器移动过程中，所述滚轮在管道内壁上滚动，通过齿轮组的传动带动所述凸轮转动，所述凸轮通过所述滚子和弹簧使所述活塞杆产生直线往复运动，所述活塞板使流体产生压力波，所述压力波产生装置在20s之内完成一个周期产生一个压力波，若所述压力传感器模块检测到的前后两个相邻压力波的时间间隔大于20s，说明出现卡堵情况，运动不流畅，转到步骤8；若检测到的前后两个相邻压力波的时间间隔小于20s，进行步骤3；
步骤3、在管道内的压力波，分别向管道的首、末端传播，安装在管道内首、末端的压力传感器检测到压力波的压力，在GPS授时单元控制下进行信号采集，所述压力传感器的输出信号为电流信号，通过隔离端子和I/V转换电路，转变为1-5V模拟电压信号，传送到所述数据采集装置中的数据采集单元；
步骤4、将检测到的压力波模拟电压信号通过数据采集装置中数据采集单元的调理电路放大处理，并且进行AD转换成为压力波数字信号；
步骤5、数据采集装置将压力波数字信号连同GPS授时单元中的时间信息一起传送给上位机；
步骤6、在上位机中，利用瞬时压力波定位方法计算出内检测器在管道中的位置，并且得到对应的压力、时间和位置数据，并存储到计算机中；计算公式为：
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<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
式中：X—内检测器和管道首端的距离(m)
L—被测管道的长度(m)
a—压力波的传播速度(m/s)
Δt—压力波到达管道首末端时，压力传感器检测到压力信号的时间差(s)；
步骤7、对于所计算得到的内检测器位置信息，判断内检测器是否到达管道末端，如果到达管道末端，转到步骤9，否则，执行步骤2；
步骤8、对于所检测到的压力波，在检测到一个压力波之后，若20s之后再没有接收到压力波信号，则可判断出所述压力波产生装置停止移动，出现卡堵，根据所述压力波产生装置停止前的最后一个压力波信号以及时间信息，计算出内检测器在管道中的位置，转到步骤9，否则，返回执行步骤2；
步骤9、从管道中取出带有所述压力波产生装置的内检测器。
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