CN108917720B - 一种管道俯仰角测量装置及测量方法 - Google Patents

一种管道俯仰角测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管道俯仰角测量装置及测量方法，包括：球形探测器上安装了由磁铁和霍尔传感器组成的接近开关；磁铁设置在靠近球体中心的一侧，磁铁与霍尔传感器平行安装，且磁铁位于霍尔传感器上方；加速度计的敏感轴沿着从球形探测器中心到接近开关的线，即加速度计的敏感轴与霍尔传感器的方向相同；在接近开关接近管壁的过程中，大部分磁线穿过霍尔传感器，霍尔传感器输出一个尖锐的脉冲，表明加速度计的敏感轴此时垂直指向管壁。将霍尔传感器测量的数据和加速度数据读入外接的电脑，对加速度信号进行滤波，并归一化其幅度，定位磁信号的峰值和对应的加速度值，计算管道倾斜度。本发明实现了对上升管段和下降管段的区分，并且提高了检测精度。

Description

一种管道俯仰角测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及管道内检测领域，尤其涉及一种管道俯仰角测量装置及测量方法，该发明不使用管道磁屏蔽模型。
背景技术
随着海洋油气行业的蓬勃发展，海底管道长度增加迅速，对海底管道检测提出了巨大的要求。及时准确地测量海底管道的方向和轨迹已成为海底管道检测的首要任务。首先，它可以帮助快速定位和修复故障管道部分；其次，它可以评估由于海流和潮汐侵蚀，海床运动，拖曳锚和拖网造成的管道位移和变形而引起的应力集中程度；第三，它可以通过主动回避减少海上作业过程中的划伤风险。
海底管道地理坐标测量方法可以分为三类：水下机器人，传统的内部管道检测仪(PIGs)和新出现的球内探测器。水下机器人，包括：自主水下航行器(AUV)和遥控车辆(ROV)，配备导航系统、声纳、摄像头、以及磁力计，用于管道检测。水下机器人可以准确定位管线并测量大变形和位移。但是，这种方法成本高昂，长期且难以满足准实时检测海底管道的需求。
PIG与SINS(内部管道检测仪与捷联惯性导航系统)的方法通常需要GPS，并且不能在海底管道内长距离单独执行导航任务。迄今为止，它仅在短于2000米的管道上进行过测试。在工作时，庞大的PIG与管道壁紧密接触，造成堵塞的高风险。因此，PIG与SINS在海底管道检测中的应用受到限制。
与PIG相比，球形内检测器的直径小于管道直径，因此可以在流体的驱动下安静地向前滚动。它是用于(海底)管道的准实时检测的新颖且有前途的工具，具有非常低的堵塞风险，高信噪比和便于部署的优点。赵伟提出了一种基于磁屏蔽效应的管道方向测量方法[1-3]，并认为管道中的磁场强度随着管道方向的变化而变化。通过在水平管线中使用球形内检测器来验证该方法的有效性。黄新敬在不限制管道方向和球形内检测器旋转轴尺寸的情况下对该方法进行了推广，通过利用管道内的磁场和载体的加速度[4]，提出了一种基于管道内三维地理坐标测量的管道定位和定位方法。当应用于位于山区的管道时，发现通过这种方法不能精确测量管道倾角。误差原因为管道磁屏蔽模型存在偏差且难以标定。
发明内容
本发明提供了一种管道俯仰角测量装置及测量方法，在采用球形探测器(SD)来进行管道定位的基础上，实现了对上升管段和下降管段的区分，并且提高了检测精度，详见下文描述：
一种管道俯仰角测量装置，所述测量装置包括：球形探测器，
球形探测器上安装了由磁铁和霍尔传感器组成的接近开关；
磁铁设置在靠近球体中心的一侧，磁铁与霍尔传感器平行安装，且磁铁位于霍尔传感器上方；
在球形探测器的球心处设置有加速度计，且加速度计的敏感轴沿着从球形探测器中心到接近开关的线，即加速度计的敏感轴与霍尔传感器的方向相同；
在接近开关接近管壁的过程中，大部分磁线穿过霍尔传感器，霍尔传感器输出一个尖锐的脉冲，表明加速度计的敏感轴此时垂直指向管壁。
其中，所述磁铁位于霍尔传感器上方0mm-10mm；磁铁直径为2mm-20mm，磁铁厚度为0.5mm-10mm。
优选地，所述磁铁位于霍尔传感器上方2mm；磁铁直径为5mm，磁铁厚度为2mm。
进一步地，所述球形探测器包括：电池，
所述电池给电源管理模块供电，通过电源管理模块实现对霍尔传感器、单片机和加速度计的供电；
当球形探测器的本体在管道内以不同倾斜角度滚动时，磁铁和管壁之间的磁力线穿过霍尔传感器，霍尔传感器接受磁信号后，通过模数转换器，将信号传输给单片机；
单片机将从模数转换器接收到的磁信号与从加速度计接收到的加速度信号一起传输给存储器；
采集完，取出存储器，将霍尔传感器测量的数据和加速度数据读入外接的电脑，对加速度信号进行滤波，并归一化其幅度，定位磁信号的峰值和对应的加速度值，计算管道倾斜度。
其中，所述测量装置可测量在0-90°范围内的管道向上和向下的倾斜度，且精度不受倾斜度值的影响。
所述测量装置的测量误差的绝对值大部分小于或接近于0.5°。
一种用于管道俯仰角测量装置的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
通过接近开关确定加速度计敏感轴垂直指向管壁的瞬间，此时的加速度值、与加速度与磁信号之间的相位差用于计算管道倾斜度；
将加速度计输出表示为a1，并将最大输出表示为对应于重力加速度常数的am，则管道倾斜角θ按如下计算：
Figure BDA0001661615830000031
其中，正负号由加速信号和磁信号之间的相位差的符号确定。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
(1)在利用球形内检测器对管道进行定向时，所采用的管道磁屏蔽模型过于理想，没有考虑管道原始磁化和磁导率分布的不均匀性，现场管道磁屏蔽系数难以标定，使得在测量管道倾角时存在较大误差。因此本文提出了一种不使用管道磁屏蔽模型的倾角测量新方法。通过部署一个小磁铁和一个霍尔传感器形成一个接近开关，以确定加速度计的敏感轴垂直指向管壁的时刻，从而利用此时的加速度值、和加速度与磁信号之间的相位差来计算管道倾斜度。
(2)通过进行不同几何配置的有限元模拟，得到了合理的磁铁尺寸和磁传感器的位置：圆柱形磁铁直径为5mm，磁铁厚度为2mm(即磁铁的规格为小型磁铁)，磁铁位于霍尔传感器上方2mm。
(3)实验过程中获取载体在管道内以不同倾斜角度滚动时的磁场和加速度信号，结果表明，当磁性传感器几乎接触管壁时获得最大磁信号，考虑到管道高度与里程的测量需求，所提出的方法需要被证明能够区分SD在管道内是否卷起或下降。在此，进行向上和向下倾斜角度的测量，结果表明，该方法能够区分上下管段，测量误差绝对值小于1°，而且大部分小于0.5°。
(4)该测量方法的误差来源分为三部分，第一部分白噪声的干扰、第二部分被操纵杆驱动滚动的载体不能完美地再现现场管道内的SD2的滚动、第三部分实验管道一端高度H内包含测量误差(但是该问题在现场流水线应用中不存在)。因此通过实验分析可知，将该测量方法应用于现场管线中的SD时，可以通过适当设计球的聚氨酯外壳的柔软度来减少第一个误差源；通过精密设计SD的质量分布，可以减少第二个误差源，使其两轴的转动惯量比第三个轴的转动惯量小得多，从而保持固定轴的旋转。
(5)该测量方法实现了对管道倾斜度的测量，提高了检测精度，降低了检测的难度和成本。
附图说明
图1为管道俯仰角测量的测量原理图；
图2为球形探测器滚动示意图；
图3为球形探测器(SD)内部结构图；
图4为一个
Figure BDA0001661615830000041
曲线示意图；
其中，在磁铁7的直径D＝5mm，厚度t＝2mm，管壁5到霍尔传感器8之间的最短距离h＝0.5mm，磁铁7和管壁5之间的距离g＝2.5mm，管壁5的壁厚d＝6mm时，霍尔传感器8的两个旋转循环中的输出。
图5为管道俯仰角测量的实验装置示意图。
表1为管道俯仰角测量的实验结果。
附图中，各部件的列表如下：
1：流体； 2：球形探测器SD；
3：加速度计； 4：敏感轴；
5：管壁； 6：接近开关；
7：磁铁； 8：霍尔传感器；
9：电池； 10：电源管理模块；
11：单片机； 12：模数转换器；
13：存储器； 14：地面；
15：操作杆； 16：托架；
17：钢管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种管道俯仰角测量装置，参见图1和图2，该测量装置包括：球形探测器，
其中，在流体1的驱动下，球形探测器(SD)2安静地向前滚动，SD2上安装了一个小磁铁7和霍尔传感器8，小磁铁7和霍尔传感器8组成了一个接近开关6；
霍尔传感器8附着在SD2的表面上，磁铁7装在靠近球体中心的一侧，磁铁7与霍尔传感器8平行安装，且磁铁7位于霍尔传感器8上方；
加速度计3安装在SD2的球心处，且加速度计的敏感轴4沿着从SD2中心到接近开关6的线，即加速度计的敏感轴4与霍尔传感器8的方向相同。
当接近开关6面对管壁5时，由于铁磁管壁的磁阻非常小，大部分磁线穿过霍尔传感器8；当接近开关6不面向管道壁5时，由于空气的大磁阻，很少有磁力线穿过霍尔传感器8。
因此，在接近开关6接近管壁5的过程中，霍尔传感器8输出一个相当尖锐的脉冲，如图4所示，表明加速度计的敏感轴4此时垂直指向管壁5。
本发明实施例对上述的加速度计3、磁铁7、以及霍尔传感器8的型号不做限制，只要能实现上述功能的器件均可，具体实现时，根据实际应用中的需要进行器件选择。
具体实现时，本发明实施例对磁铁7的规格不做限制，优选为小规格的磁铁。
综上所述，本发明实施例在采用球形探测器SD来进行管道定位的基础上，实现了对上升管段和下降管段的区分，并且提高了检测精度。
实施例2
参见图3和图4，实施例1中的球形探测器(SD)2的工作流程为：
电池9给电源管理模块10供电，通过电源管理模块10，实现对霍尔传感器8、单片机11和加速度计3的供电；当载体SD2在管道内以不同倾斜角度滚动时，磁铁7和管壁5之间的磁力线穿过霍尔传感器8，霍尔传感器8接受磁信号后，通过模数转换器12，将信号传输给单片机11；单片机11将从模数转换器12接收到的磁信号与从加速度计3接收到的加速度信号一起传输给存储器13。
采集完信号后，取出SD2，取出存储器13，将霍尔传感器8测量的数据和加速度数据读入外接的电脑，对加速度信号进行滤波，并归一化其幅度，定位磁信号的峰值和对应的加速度值，计算管道倾斜度。
其中，SD2的滚动示意图中，当SD2沿着管壁5滚动角度
Figure BDA0001661615830000051
时，此时接近开关6所在的位置为图中虚线所示，测量点的位置是实验中霍尔传感器8的位置，随着旋转角度
Figure BDA0001661615830000052
的增加，磁铁7离管壁5越来越远，磁铁7附近的磁力线逐渐减小，磁铁7和管壁5之间的磁场明显减弱，如图4所示，磁感应强度Bn逐渐减小。
当磁铁7旋转一圈时，测量点处的磁场将出现一个极值，即磁峰。这种现象使本发明实施例能够利用这个极值来确定加速度计相对于管道的姿态，从而计算出管道的倾斜度。
其中，具体实现时磁铁7位于霍尔传感器8上方0mm-10mm；磁铁7直径为2mm-20mm，磁铁7厚度为0.5mm-10mm。
优选地，磁铁7位于霍尔传感器8上方2mm；磁铁7直径为5mm，磁铁7厚度为2mm。
本发明实施例对上述的电池9、电源管理模块10、单片机11、模数转换器12、以及存储器13的型号不做限制，只要能实现上述功能的器件均可，具体实现时，根据实际应用中的需要进行器件选择。
综上所述，本发明实施例在采用球形探测器SD来进行管道定位的基础上，实现了对上升管段和下降管段的区分，并且提高了检测精度。
实施例3
一种管道俯仰角测量方法，该测量方法是与实施例1和2中的测量装置所对应，该测量方法包括以下步骤：
101：通过接近开关6确定加速度计敏感轴4垂直指向管壁5的瞬间，此时的加速度值、与加速度与磁信号之间的相位差用于计算管道倾斜度；
102：将加速度计输出表示为a1，并将最大输出表示为对应于重力加速度常数的am，则管道倾斜角θ按如下计算：
Figure BDA0001661615830000061
其中，正负号由加速信号和磁信号之间的相位差的符号确定。
综上所述，本发明实施例在采用球形探测器SD来进行管道定位的基础上，实现了对上升管段和下降管段的区分，并且提高了检测精度。
实施例4
下面结合图5，对实施例1-3中的测量装置和测量方法进行可行性验证，详见下文描述：
实验装置示意图如图5所示：将20#低碳钢管17一端放置在地面14上，另一端利用支架支起高度H，钢管17长度为L；用于固定磁铁7、霍尔传感器8和加速计3的托架16是使用3D打印技术制造的，托架16可用来模拟SD2，其内部结构与图2中SD2的内部结构完全相同，其中心与操作杆15的一端连接；沿着管壁拉动或推动操作杆15可以驱动托架16在管道17内上下滚动，从而模拟SD2的滚动；通过调节左侧支架H的高度可以获得不同的管道倾斜度。
实验中选定钢管17的外径为140毫米，壁厚为5毫米，长度L为1米；圆柱形磁铁7的直径D＝5mm，厚度t＝2mm，磁铁7位于霍尔传感器8上方2mm；加速度计3固定在旋转结构16上，其敏感轴方向与霍尔传感器8的方向相同。
考虑到管道高度-里程的测量需求，需要被证明能够区分SD在管道内是否卷起或下降。在此，进行向上和向下倾斜角度的测量，结果如表1所示:
实际管道倾角
Figure BDA0001661615830000071
上升管段的测量误差(error,up)＝(θ,up)-θ0； (3)
下降管段的测量误差(error,down)＝(θ,down)-θ0； (4)
其中，H和L分别是左侧的支架高度和管道长度，如图5所示；(θ,up)是实验过程中测得的上升管段的倾角；(θ,down)是实验过程中测得的下降管段的倾角。
因此通过表1可以看出，测量在0-90°范围内的向上和向下倾斜的测量误差(第4列和第5列)是随机分布的。
其中，大部分测量误差的绝对值是小于或接近于0.5°，即：
0.1473,0.3747,0.4975,0.5037,-0.0674,0.1204,-0.2637,-0.3312,-0.2970,0.0891,-0.2914,-0.1931,0.3671,0.3374,-0.2764,0.1033，-0.0145。
只有三个测量误差的绝对值接近1°，即0.9295、1.0878、-0.8458。
因此本发明实施例可以测量在0-90°范围内的管道向上和向下的倾斜度，且精度不受要测量的倾斜度值的影响。
表1实验测量结果
Figure BDA0001661615830000072
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本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种管道俯仰角测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：球形探测器，
球形探测器上安装了由磁铁和霍尔传感器组成的接近开关；
磁铁设置在靠近球体中心的一侧，磁铁与霍尔传感器平行安装，且磁铁位于霍尔传感器上方；
在球形探测器的球心处设置有加速度计，且加速度计的敏感轴沿着从球形探测器中心到接近开关的线；
在接近开关接近管壁的过程中，大部分磁线穿过霍尔传感器，霍尔传感器输出一个尖锐的脉冲，表明加速度计的敏感轴此时垂直指向管壁。
2.根据权利要求1所述的一种管道俯仰角测量装置，其特征在于，
所述磁铁位于霍尔传感器上方2mm-10mm；磁铁直径为2mm-20mm，磁铁厚度为0.5mm-10mm。
3.根据权利要求2所述的一种管道俯仰角测量装置，其特征在于，所述磁铁位于霍尔传感器上方2mm；磁铁直径为5mm，磁铁厚度为2mm。
4.根据权利要求1所述的一种管道俯仰角测量装置，其特征在于，所述球形探测器包括：电池，
所述电池给电源管理模块供电，通过电源管理模块实现对霍尔传感器、单片机和加速度计的供电；
当球形探测器的本体在管道内以不同倾斜角度滚动时，磁铁和管壁之间的磁力线穿过霍尔传感器，霍尔传感器接受磁信号后，通过模数转换器，将信号传输给单片机；
单片机将从模数转换器接收到的磁信号与从加速度计接收到的加速度信号一起传输给存储器；
采集完，取出存储器，将霍尔传感器测量的数据和加速度数据读入外接的电脑，对加速度信号进行滤波，并归一化其幅度，定位磁信号的峰值和对应的加速度值，计算管道倾斜度。
5.根据权利要求1所述的一种管道俯仰角测量装置，其特征在于，所述测量装置可测量在0-90°范围内的管道向上和向下的倾斜度，且精度不受倾斜度值的影响。
6.一种使用权利要求1-5中任一权利要求所述的管道俯仰角测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
通过接近开关确定加速度计敏感轴垂直指向管壁的瞬间，此时的加速度值、与加速度与磁信号之间的相位差用于计算管道倾斜度；
将加速度计输出表示为a1，并将最大输出表示为对应于重力加速度常数的am，则管道倾斜角θ按如下计算：
Figure FDA0002472313310000021
其中，正负号由加速信号和磁信号之间的相位差的符号确定。
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