CN109916366B - 一种实时监测管道形变与姿态的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管道形变测量技术，特别是一种实时监测管道形变与姿态的系统及方法，其特征是：至少包括：数据采集节点、数据汇聚节点、服务器；所述的数据采集节点用于与管道的表面固定；所述的数据采集节点包括姿态角传感器、数据采集节点微处理器、第一短距离无线传输模块，通过姿态角传感器测得管道的变化姿态角，再通过短距离无线传输模块将数据传送到数据汇聚节点；服务器用于对管道的形变实时显示。它提供一种结构简单，监测方便、成本低廉的实时监测管道形变与姿态的系统和方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种管道形变测量技术，特别是一种实时监测管道形变与姿态的系统及方法。
背景技术
随着社会的进步和经济的发展，高层建筑、公路铁路、桥梁隧道、大坝电站等大型建筑也逐渐发展起来，它们是保障国民经济高速发展及人们生活正常运转的重要基础设施，但由于设计上、施工质量和外界环境因素的影响，导致保障上述设施正常服役的部分管道构件在施工和运营期间发生变形，如果变形超出极限，就会造成了重大的生命财产损失，所以研究管道的变形监测具有重要的意义。
油气资源作为重要的能源在国民生活、生产和国防建设中都起着至关重要的作用，而管道运输在石油资源的运输中起到越来越重要的作用，随着我国输油管道的不断增加，输油管线日益延长，由管道变形发生的事故也越来越多，所以对油气管道形变的监测也成为重点研究方向。传统的管道失效监测方法主要采用定期检测为主，主要是超声波法、涡流检测法等，而近年来主要是光纤监测。传统的监测方法虽然简单易行，但这些技术在处理信号的时候会产生噪声，导致采集的信息很难反映管道的实际运行状态，而且极易受磁场等外界干扰，易导致误报，最重要的是不能进行实时监测。光纤监测可长距离、连续式、实时在线进行应变的测量，成为管道健康监测的新方法，但是它的评估能力比较差，而且光纤的费用也比较高，不适用于长输管道的监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，监测方便、成本低廉的实时监测管道形变与姿态的系统和方法。
本发明的技术方案是：一种实时监测管道形变与姿态的系统，其特征是：至少包括：数据采集节点、数据汇聚节点、服务器；所述的数据采集节点用于与管道的表面固定；所述的数据采集节点包括姿态角传感器、数据采集节点微处理器、第一短距离无线传输模块，通过姿态角传感器测得管道的变化姿态角，再通过短距离无线传输模块将数据传送到数据汇聚节点；数据汇聚节点包括第二微处理器、第二短距离无线传输模块、长距离无线传输模块，数据汇聚节点作为数据中转站，用第一短距离无线传输模块接受来自数据采集节点数据，再由长距离无线传输模块将数据发送给服务器；服务器用于对管道的形变实时显示。
所述的姿态角传感器是惯性姿态角传感器，用于输出管道的“X轴与Y轴”或“X轴、Y轴与Z轴”的形变惯性姿态角信息。
所述的姿态角传感器间隔安装在水平管道的上表面，使姿态角传感器的Y轴平行于管道的轴线，相应的X轴垂直于管道的轴线；为了得到管道整体形态，管道顶部有第一个姿态角传感器，对称于第一个姿态角传感器有左下姿态角传感器和右下姿态角传感器，3个姿态角传感器按管道周向布置形成姿态角传感器阵列，3个姿态角传感器以120度分布。
所述的姿态角传感器阵列沿管道间隔布置。
一种实时监测管道形变与姿态的方法，其特征是：至少包括以120度分布在管道顶部的3个姿态角传感器，3个姿态角传感器给出管道弯曲变形的数据：其步骤包括：
1)当管道没有发生形变时，姿态角传感器给出X轴、Y轴方向的姿态角初始数据；
2)当管道发生弯曲变形时，姿态角传感器的Y轴方向的姿态角变化量为变化后的Y轴与初始Y轴产生的夹角；
3)当管道发生扭转变形时，姿态角传感器1的X轴方向的姿态角变化量为变化后的X轴与初始X轴产生的夹角；
4)当管道既发生弯曲变形又发生扭转变形时，姿态角传感器X轴和Y轴两个姿态角都会发生改变；两个方向的姿态角变化量就是两种形变测得各自的姿态角变化量；扭转的变形程度可直接由姿态角变化的大小进行表示，对于管道弯曲变形，利用一段管道上姿态角传感器布置点处的挠度就可以求得整个管道的挠度曲线，挠度曲线就是整个管道的弯曲形态。
所述的管道弯曲变形，将管道安装的姿态角传感器阵列最上层姿态角传感器Y轴、左下姿态角传感器和右下姿态角传感器Y轴的姿态角变化量转化为挠度进行表示，再将这些挠度进行拟合得到三条挠曲线，对三条挠曲线进行曲面拟合给出整个管道的变形形态。
所述的挠度进行拟合包括：读出Y轴的姿态角变化量，在管道上姿态角传感器阵列沿管道间隔布置，设A1位置为坐标原点，已知姿态角传感器阵列Ai在X轴上的坐标Xi，则根据姿态角传感器读数θi和坐标值Xi，利用解三角形的方法求出挠曲线近似解；当满足工程实践测量精度要求时，该近似解将成为管道5发生弯曲变形值；
挠曲线近似解的方法是：设定与X轴顺时针夹角为正，与X轴逆时针夹角为负，已知角度θ1与A2点的坐标X2，根据三角关系，A2处的挠度w2＝X2 tanθ1；根据递推公式，求出其他姿态角传感器处的挠度值，式中i从2开始计算；
wi+1＝wi+(Xi+1-Xi)tanθi。
本发明的原理和优点是：
本发明包括姿态角传感器、数据采集节点微处理器、第一短距离无线传输模块，通过姿态角传感器测得管道的变化姿态角，再通过短距离无线传输模块将数据传送到数据汇聚节点；数据汇聚节点包括第二微处理器、第二短距离无线传输模块、长距离无线传输模块，数据汇聚节点作为数据中转站，用第一短距离无线传输模块接受来自数据采集节点数据，再由长距离无线传输模块将数据发送给服务器；服务器用于对管道的形变实时显示。
测量时，姿态角传感器可以借助天然的重力基准方向，当管道没有发生形变时，姿态角传感器测得一定的初始数据；当管道发生弯曲变形时，姿态角变化量为变化后的Y轴与初始Y轴产生的夹角；当管道发生扭转时，姿态角变化量为变化后的X轴与初始X轴产生的夹角；当管道即发生弯曲变形又发生扭转变形时，两个姿态角都会发生改变，由于加速度传感器的解耦特性，两个方向的姿态角变化量就是两种形变测得各自的姿态角变化量。扭转的变形程度可直接由姿态角变化的大小进行表示，对于管道弯曲变形，利用一段管道上姿态角传感器布置点处的挠度就可以求得整个管道的挠度曲线，挠度曲线就是整个管道的弯曲形态。具有结构简单，监测方便的特点，改进了以往测量方法的局限性；测量的数据为姿态角，能够更好的反应出管道的实时形态。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及具体实施方式:
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是姿态角传感器1原理说明图；
图3是姿态角传感器1安装在管道上测量X轴的姿态角和Y轴姿态角原理图；
图4是管道弯曲变形的测量示意图；
图5是利用三角关系中角度与挠度的关系检测管道弯曲变形示意图；
图6是整个管道的变形形态示意图；
图7是利用解三角形的方法求出挠曲线近似解。
图中，1、姿态角传感器；2、数据采集节点；3、数据汇聚节点；301、第二微处理器；302、第二短距离无线传输模块；303、长距离无线传输模块；4、服务器；5、管道；6、数据采集节点微处理器；7、第一短距离无线传输模块。
具体实施方式
如图1所示，一种实时监测管道形变与姿态的系统，包括：数据采集节点2、数据汇聚节点3、服务器4；所述的数据采集节点2包括姿态角传感器1、数据采集节点微处理器6、第一短距离无线传输模块7，通过姿态角传感器1测得管道5的变化姿态角，再通过短距离无线传输模块7将数据传送到数据汇聚节点3；数据汇聚节点3包括第二微处理器301、第二短距离无线传输模块302、长距离无线传输模块303，数据汇聚节点3作为数据中转站，用第一短距离无线传输模块7接受来自数据采集节点2数据，再由长距离无线传输模块303将数据发送给服务器4；服务器4用于对管道5的形变实时显示。
如图2所示，所述的姿态角传感器1选择基于加速度计芯片ADIS16003的姿态角传感器，它包括X轴传感器与Y轴传感器，X轴传感器与Y轴传感器分别输出X轴与Y轴的姿态角信息。
姿态角传感器1是基于惯性加速度计的姿态角传感器或基于惯性陀螺仪的姿态角传感器。
如图3所示，基于惯性加速度计的姿态角传感器分别可以测两个方向的变化姿态角，X轴的姿态角和Y轴姿态角。
基于惯性陀螺仪的姿态角传感器可以测得X和Y轴的姿态角也可以测得以Z轴为旋转轴的角度；将姿态角传感器和短距离无线传输模块与微处理器连接构成采集节点。
所述的姿态角传感器1以A为间隔安装在水平管道5的上表面，使姿态角传感器的Y轴平行于管道的轴线，相应的X轴就垂直于轴线。
为了得到管道5整体形态，管道5顶部有第一个姿态角传感器，对称于第一个姿态角传感器有左下姿态角传感器和右下姿态角传感器，3个姿态角传感器1按管道5周向布置形成姿态角传感器阵列，3个姿态角传感器以120度分布。
一种实时监测管道形变与姿态方法，是依据管道5发生变形的弯曲和扭转两种形式，在测量弯曲和扭转这两种变形时，需要得到X和Y轴的姿态角信息，将姿态角传感器的Y轴平行于管道5进行安装，相应的姿态角传感器X轴垂直于管道的轴线。
为了得到管道5整体形态，管道5顶部有第一个姿态角传感器，对称于第一个姿态角传感器有左下姿态角传感器和右下姿态角传感器，3个姿态角传感器1按管道5周向布置形成姿态角传感器阵列，3个姿态角传感器以120度分布；还包括：数据采集节点2、数据汇聚节点3、服务器4；
当管道5没有发生形变时，数据采集节点微处理器6测得姿态角传感器1给出X轴、Y轴方向的姿态角初始数据；
当管道发生弯曲变形时，数据采集节点微处理器6测得姿态角传感器1的Y轴方向的姿态角变化量为变化后的Y轴与初始Y轴产生的夹角；
当管道发生扭转变形时，数据采集节点微处理器6测得姿态角传感器1的X轴方向的姿态角变化量为变化后的X轴与初始X轴产生的夹角；
当管道5既发生弯曲变形又发生扭转变形时，数据采集节点微处理器6测得姿态角传感器X轴和Y轴两个姿态角都会发生改变；由于惯性加速度传感器的解耦特性，两个方向的姿态角变化量就是两种形变测得各自的姿态角变化量。
数据采集节点微处理器6获取管道5安装的姿态角传感器阵列最上层姿态角传感器测量到的X轴、Y轴方向的姿态角变化值，通过第二短距离无线传输模块302传输到数据汇聚节点3，数据汇聚节点3通过长距离无线传输模块303将数据传送到服务器4进行处理和分析。
如图4、图5、图7所示，管道5弯曲变形的测量：
管道5弯曲变形，将管道安装的姿态角传感器阵列最上层姿态角传感器Y轴、左下姿态角传感器和右下姿态角传感器Y轴的姿态角变化量转化为挠度进行表示，再将这些挠度进行拟合得到三条挠曲线，再将三条挠曲线进行曲面拟合，从而给出整个管道5的变形形态。
挠度进行拟合包括：读出Y轴的姿态角变化量，在管道5上姿态角传感器阵列沿管道5间隔布置，设A1位置为坐标原点，已知姿态角传感器阵列Ai在X轴上的坐标Xi，则根据姿态角传感器读数θi和坐标值Xi，利用解三角形的方法求出挠曲线近似解；当满足工程实践测量精度要求时，该近似解将成为管道5发生弯曲变形值；
如图7所示，具体解三角形的方法：规定与X轴顺时针夹角为正，与X轴逆时针夹角为负，已知角度θ1与A2点的坐标X2，根据三角关系，A2处的挠度w2＝X2 tanθ1；根据递推公式如下式，求出其他姿态角传感器处的挠度值，式中i从2开始计算。
wi+1＝wi+(Xi+1-Xi)tanθi
在实际监测中姿态角传感器数量不可能无穷大，合理设置传感器密度，就可以带来理想的监测效果。
对于管道扭转变形，扭转的变形程度可直接由姿态角传感器1的X轴的姿态角变化量进行表示；
如图6所示，同样的方法可以求得左下姿态角传感器和右下姿态角传感器的挠曲线，三条挠曲线通过曲面拟合给出整个管道5的变形形态。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (3)
1.一种实时监测管道形变与姿态的方法，其特征是：该方法采用的实时监测管道形变与姿态的系统，至少包括：数据采集节点(2)、数据汇聚节点(3)、服务器(4)；所述的数据采集节点(2)用于与管道(5)的表面固定；所述的数据采集节点(2)包括姿态角传感器(1)、数据采集节点微处理器(6)、第一短距离无线传输模块(7)，通过姿态角传感器(1)测得管道(5)的变化姿态角，再通过短距离无线传输模块(7)将数据传送到数据汇聚节点(3)；数据汇聚节点(3)包括第二微处理器(301)、第二短距离无线传输模块(302)、长距离无线传输模块(303)，数据汇聚节点(3)作为数据中转站，用第一短距离无线传输模块(7)接受来自数据采集节点(2)数据，再由长距离无线传输模块(303)将数据发送给服务器(4)；服务器(4)用于对管道(5)的形变实时显示；所述的姿态角传感器(1)间隔安装在水平管道(5)的上表面，使姿态角传感器(1)的Y轴平行于管道的轴线，相应的X轴垂直于管道的轴线；为了得到管道(5)整体形态，管道(5)顶部有第一个姿态角传感器，对称于第一个姿态角传感器有左下姿态角传感器和右下姿态角传感器，3个姿态角传感器(1)按管道(5)周向布置形成姿态角传感器阵列，3个姿态角传感器以120度分布；
该方法步骤包括：
1)当管道没有发生形变时，姿态角传感器给出X轴、Y轴方向的姿态角初始数据；
2)当管道发生弯曲变形时，姿态角传感器的Y轴方向的姿态角变化量为变化后的Y轴与初始Y轴产生的夹角；
3)当管道发生扭转变形时，姿态角传感器1的X轴方向的姿态角变化量为变化后的X轴与初始X轴产生的夹角；
4)当管道既发生弯曲变形又发生扭转变形时，姿态角传感器X轴和Y轴两个姿态角都会发生改变；两个方向的姿态角变化量就是两种形变测得各自的姿态角变化量；扭转的变形程度可直接由姿态角变化的大小进行表示，对于管道弯曲变形，利用一段管道上姿态角传感器布置点处的挠度就可以求得整个管道的挠度曲线，挠度曲线就是整个管道的弯曲形态。
2.根据权利要求1所述的一种实时监测管道形变与姿态的方法，其特征是：所述的管道弯曲变形，将管道安装的姿态角传感器阵列最上层姿态角传感器Y轴、左下姿态角传感器和右下姿态角传感器Y轴的姿态角变化量转化为挠度进行表示，再将这些挠度进行拟合得到三条挠曲线，对三条挠曲线进行曲面拟合给出整个管道的变形形态。
3.根据权利要求1所述的一种实时监测管道形变与姿态的方法，其特征是：所述的挠度进行拟合包括：读出Y轴的姿态角变化量，在管道上姿态角传感器阵列沿管道间隔布置，设A1位置为坐标原点，已知姿态角传感器阵列Ai在X轴上的坐标Xi，则根据姿态角传感器读数θi和坐标值Xi，利用解三角形的方法求出挠曲线近似解；当满足工程实践测量精度要求时，该近似解将成为管道发生弯曲变形值；
挠曲线近似解的方法是：设定与X轴顺时针夹角为正，与X轴逆时针夹角为负，已知角度θ1与A2点的坐标X2，根据三角关系，A2处的挠度w2＝X2tanθ1；根据递推公式，求出其他姿态角传感器处的挠度值，式中i从2开始计算；
wi+1＝wi+(Xi+1-Xi)tanθi。
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