CN111895221B - 一种管道内检测器示踪定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内检测器示踪定位方法，包括：构建管道内检测器示踪定位装置；基于所述装置进行示踪定位；装置包括：管道内检测器在充液管道内运行，每隔1s就发射一串超声脉冲信号，贴在管壁上的接收器将接收到的声信号转换为电信号，通过信号调理盒对其进行放大、滤波处理，数据采集卡在GPS模块发出的触发脉冲作用下，将采集到的电信号传输到上位机中；上位机使用动态阈值法计算超声脉冲信号的到达时刻，并结合已知的信号发出时刻和超声波在充液管道内的传播速度，计算管道内检测器和接收器之间的距离，进而对管道内检测器进行定位。本发明由内检测器主动发声、在管道外壁远距离实时侦听导波脉冲，从而计算内检测器与监测点的距离。

Description

一种管道内检测器示踪定位方法

技术领域

本发明涉及管道内检测器领域，尤其涉及一种管道内检测器示踪定位方法。

背景技术

截止到2019年底，我国油气管道总里程已达13.9万公里，位居世界前列。其中，约有60％的管道已运行超过20年，老化腐蚀严重，目前已经进入了破裂和泄漏事故的高发期。管道一旦发生泄漏，往往会造成严重的环境污染、经济损失和人员伤亡。因此，有必要定期对油气管道进行检测，及时发现缺陷和泄漏高风险部位。管道内检测器是最常用的管道缺陷检测手段，其原理是将搭载无损检测设备的内检测器置于管道中，在管道内流体的推动下移动，同时采集并存储管道探测信息，检测结束后取出内检测器，下载数据并进行离线分析、处理，从而判断管道缺陷的类型与位置。当内检测器在管内运行时，出于安全性与经济性的考虑，为防止出现意外卡堵或丢失的情况，必须实时追踪其位置。同时，所获取的实时位置信息对于管道缺陷的辅助定位有着重要意义。因此示踪定位系统是内检测器必不可少的组成部分。

目前常用的管道内检测器有两种类型：传统的柱形内检测器和新兴的球形内检测器。柱形内检测器，运行时前后皮碗与管壁紧密接触，依靠检测器前后压力差推动前进，其常用的示踪定位方法有以下几种：

①里程轮法。通常会在内检测器尾部安装几个里程轮，通过对里程轮发出的脉冲信号进行计数来计算内检测器行进的距离。但由于里程轮的结构缺陷以及难以避免的打滑，这种方法会产生较大的累计误差，定位准确度低，不适用于长距离检测；

②碰撞声学法。根据内检测器与管壁、焊缝的摩擦、撞击声来判断内检测器的通过时间。但这种声学定位方法极易受到环境噪声干扰而产生大量误报，并且无法追踪发生卡堵的内检测器；

③静磁场法。内检测器搭载永磁体，通过检测穿过管壁的漏磁信号判断内检测器是否通过。静磁场法需要携带庞大的永磁体，并且要求检测的管壁不能太厚，因此适用范围较小；

④极低频电磁脉冲法。内检测器中安装电磁信号发射机，发射30Hz以内的极低频电磁信号供管外的接收机进行检测。但由于极低频信号的微弱性与瞬时性，这种检测方法总体来说极易漏报、误报，难以满足实际工程需要。因此需要一种新的管道内检测器示踪定位方法。

发明内容

本发明提供了一种管道内检测器示踪定位方法，本发明由内检测器主动发声、在管道外壁远距离实时侦听导波脉冲，从而计算内检测器与监测点的距离，详见下文描述：

一种管道内检测器示踪定位方法，所述方法包括：

构建管道内检测器示踪定位装置；基于所述装置进行示踪定位；

其中，所述管道内检测器示踪定位装置包括：管道内检测器，

所述管道内检测器在充液管道内运行，每隔1s就发射一串超声脉冲信号，贴在管壁上的接收器将接收到的声信号转换为电信号，通过信号调理盒对其进行放大、滤波处理，数据采集卡在GPS模块发出的触发脉冲作用下，将采集到的电信号传输到上位机中；

上位机使用动态阈值法计算超声脉冲信号的到达时刻，并结合已知的信号发出时刻和超声波在充液管道内的传播速度，计算管道内检测器和接收器之间的距离，进而对管道内检测器进行定位。

其中，所述管道内检测器为柱形内检测器或球形内检测器。

进一步地，所述球形内检测器包括：两种不同材料构成的双层球壳，球外壳使用的是聚氨酯层，球内壳使用铝层，

在聚氨酯层打孔以增强声波的外传且减少信号畸变，压电陶瓷置于底部预先打磨好的平台上，用不锈钢板固定于球壳底部；

压电陶瓷上下两表面粘有绝缘树脂薄片作为绝缘层，用不锈钢板施加预紧力，增强压电陶瓷与球壳的接触力以增强发声强度；

还包括：核心电路板，用于充液管道损伤的探测，还用于控制压电陶瓷发出超声信号进行示踪定位。

其中，所述管道内检测器与接收器的时间基准同步，校时使用GPS模块定位时发出的PPS信号的上升沿触发接收器的采集过程。

进一步地，所述方法还包括：

当管道内探测器的信号时刻t₁已知时，根据信号到达接收器的时刻t₂获取信号的传输时间Δt；

其中，所述信号到达接收器的时刻t₂的获取具体为：

接收器收到来自管道内探测器的声压信号后，将其转换成电信号，再通过信号调理盒对得到的电信号进行初步放大、滤波、再次放大，对高频噪声信号滤除；

之后依次进行包络检波、整流、对峰值处理，最终使用动态阈值法确定声波的到达时刻t₂。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法可以实时跟踪和定位球形内检测器，尤其可用于收发球过程监测和定点通过性的判断；

2、本方法针对球形内检测器示踪定位难题，提出了一种基于主动声学的球形内检测器示踪定位方法，并通过仿真和实验明确了其实施要点、证明了其有效性；

3、本发明的内检测器的聚氨酯减振层对声波发射强度有较大衰减作用，在聚氨酯层上开孔使铝球壳与水接触，可以保证足够大的发声强度。

附图说明

图1为球形内检测器示踪定位过程示意图；

图2为球形内检测器内部结构示意图；

图3为实际实验时现场装置示意图；

图4为加速度计的原始信号数据图；

其中，(a)为球形内检测器远离监测点过程中的加速度—时间信号图；(b)为球形内检测器靠近监测点过程中的加速度—时间信号图。

图5为加速度计定位与超声波定位对比图；

图6为无孔球形内检测器3下表面声压的示意图；

图7为带孔球形内检测器3下表面声压的示意图；

图8为不同距离下的声压-时间的结果图。

其中，(a)为距离0m时的声压—时间结果图；(b)为距离2m时的声压—时间结果图；(c)为距离4m时的声压—时间结果图；(d)为距离6m时的声压—时间结果图；(e)为距离8m时的声压—时间结果图。

图中：

1：土壤； 2：地面；

3：管道内检测器； 4：充液管道；

5：接收器； 6：信号调理盒；

7：数据采集卡； 8：GPS模块

9：上位机 10：悬吊装置。

其中，

3—1：聚氨酯层； 3—2：铝层；

3—3：绝缘树脂薄片； 3—4：压电陶瓷；

3—5：核心电路板。

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。

1、整体结构装置

参见图1，该装置包括：管道内检测器3、充液管道4、接收器5、信号调理盒6、数据采集卡7、GPS模块8、以及上位机9。

当管道内检测器3在充液管道4内运行时，每隔1s就发射一串超声脉冲信号。贴在管壁上的接收器5将接收到的声信号转换为电信号，然后通过信号调理盒6对其进行放大、滤波处理，数据采集卡7在GPS模块8发出的触发脉冲作用下，将采集到的电信号传输到上位机9中，使用动态阈值法计算超声脉冲信号的到达时刻，并且结合已知的信号发出时刻和超声波在充液管道4内的传播速度，计算管道内检测器3和接收器5之间的距离，对管道内检测器3进行定位，其工作装置如图1所示。若充液管道4为海底管道，接收器5也可布置在海底管道附近，因为水也可以作为声波耦合剂。

本方法不限定管道内检测器3的形状，即，本方法既适用于柱形内检测器，也适用于球形内检测器。下面以球形内检测器说明内部的必要组成部分。

球形内检测器3的结构如图2所示，球壳是由两种不同材料构成的双层球壳，球外壳使用的材料是聚氨酯层3—1，球内壳使用铝层3—2。声波经过球壳后发生了大幅衰减，且球壳发生余振使声信号出现了畸变。因此考虑在球壳下方的聚氨酯层3—1打孔以增强声波的外传且减少信号畸变，但孔径不宜过大否则会影响球形内检测器3正常的平稳滚动，最终确定孔径为35mm。压电陶瓷3—4置于球形内检测器3的底部预先打磨好的平台上，用不锈钢板当夹紧装置固定于球壳底部。由于压电陶瓷3—4与铝层3—2之间声阻抗不匹配，因此需要施加耦合剂作为声波耦合层。压电陶瓷3—4上下两表面粘有绝缘树脂薄片3—3作为绝缘层，同时用不锈钢板施加预紧力，增强压电陶瓷3—4与球壳的接触力以增强发声强度。核心电路板3—5除了用于做充液管道4损伤的探测，在本发明中是还用于控制压电陶瓷3—4发出超声信号，对球形内探测器3进行示踪定位。

在将球形内检测器3放入充液管道4之前，首先需要校时，要保证球形内检测器3与接收器5的时间基准是同步的。校时需使用GPS模块8定位时发出的PPS(Pulse Per Second，每秒的脉冲数)信号。这里PPS信号是占空比为10％、频率为1Hz的脉冲波，其上升沿与GPS模块8时间中的整秒时刻相对应，精度为ns级。在将球形内检测器3放入充液管道4之前，先使用PPS脉冲对球形内探测器3进行校时，使其时钟与GPS模块8的时间保持一致，然后在检测过程中使用PPS信号的上升沿来触发接收器5的采集过程。

2、数据处理方面

对球形内探测器3的位置的描述以接收器5为基准，基本计算公式为x＝cΔt＝c(t₂-t₁)，其中，x是球形内检测器3与接收器5之间的距离，c是超声信号在充液管道4内的传播速度，Δt是信号的传播时间，t₁是信号发出的时刻且是已知的整秒，t₂是信号到达接收器5的时刻且其整数部分等于t₁、小数部分等于Δt，因为声波在管内传输速度很快，并且检测距离通常不超过几百米，因此声波的传播时间一定小于1s。

当球形内探测器3的信号时刻t₁已知时，得到信号到达接收器5的时刻t₂就能得到信号的传输时间Δt。当接收器5收到来自球形内探测器3的声压信号后，将其转换成电信号，再通过信号调理盒6对得到的电信号初步放大、滤波、再次放大，对高频噪声信号滤除；之后依次进行包络检波、整流、确定峰值处理，最终使用动态阈值法确定声波的到达时刻t₂。

其中，动态阈值法的具体实现方式为确定一组接收信号的最大幅度即峰值，然后按照峰值的一定比例(本发明实施例以

为例进行说明，具体实现时对此不做限制)来确定检测阈值，接收信号的幅值第一次超过阈值的时刻即视为信号到达时刻。这种方法解决了超声信号幅值波动的问题，同时原理简单、易于实现，实时性和准确度较高。

其中，声速c是通过实验或者仿真得到的数据进行拟合得到。实现过程是在充液管道4不同轴向位置上放置两个接收器5，其中第一接收器5的轴向位置固定，第二接收器5相对于第一接收器的轴向距离做出改变，反复进行多组实验，然后使用动态阈值法对信号到达地一接收器5的时刻进行计算，得到不同距离下对应的时延，绘制时延—间距的散点图，对散点图做线性拟合，拟合直线斜率的倒数即为声速c。

图3为实际实验时现场装置的结构示意图，具体实验过程为首先将装有压电发声装置和加速度计的球形内检测器3放入充液管道4的右端，充液管道4的右端通过悬吊装置10抬起，球形内检测器3慢慢滚动到充液管道4的左端；停留一段时间，期间，悬吊装置10调整到充液管道4的左端、抬起管道左端，球形内检测器3又缓慢滚回充液管道4的右端。利用加速度信号来确定球形内检测器3的里程，与利用超声信号定位的结果进行对比。

图4中的图(a)为球形内检测器3远离监测点过程中加速度计的原始信号，图(b)为球形内检测器3靠近监测点过程中加速度计的原始信号，在到达管道另一端，返回监测点之前，球形内检测器3处于静止状态，球形内检测器3在充液管道4内的滚动较为平稳，从一端运动到另一端用时约40s，滚动圈数15～16圈，根据球形内检测器3的周长计算出滚动距离约为7米，与实际相符；图5为加速度计定位与超声波定位对比图的对比结果：球形内检测器3先远离监测点，静止一段时间后，又开始靠近监测点，这与实验过程中球形内检测器3的滚动过程相吻合，并且与加速度计的定位结果基本相等。图6和图7分别表示压电陶瓷3—4在相同的调制电压信号的激励下，无孔球形内检测器3和带孔球形内检测器3的下表面声压仿真结果图，对比结论得证。

由于超声导波的频散，随着传播距离的增加，波包的时域宽度逐渐变宽，信号起点时刻与峰值时刻之间的时延越来越大，这两处信号即为导波的两种模态，分为快波和慢波。超声信号快慢两种模态的导波均有明确的起始特征和稳定的传播速度，可用于计算导波传播距离并对球形内检测器3进行定位；但慢波幅值远远大于快波幅值，可用慢波确定信号到达时刻。

图8中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别表示球形内检测器3发出超声信号后距离0m、2m、4m、6m、8m处的声压-时间的仿真结果图，计时的起始时刻均为0s时，箭头处指明快波和慢波到达指定距离的位置的时刻，对比发现实际定位时，快波信号会很微弱，无法用于确定接收信号起点，用能量大的慢波确定信号到达时刻。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

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 (4)

1.一种管道内检测器示踪定位方法，其特征在于，所述方法包括：

构建管道内检测器示踪定位装置；基于所述装置进行示踪定位；

其中，所述管道内检测器示踪定位装置包括：管道内检测器，

所述管道内检测器在充液管道内运行，每隔1s就发射一串超声脉冲信号，贴在管壁上的接收器将接收到的声信号转换为电信号，通过信号调理盒对其进行放大、滤波处理，数据采集卡在GPS模块发出的触发脉冲作用下，将采集到的电信号传输到上位机中；

上位机使用动态阈值法计算超声脉冲信号的到达时刻，并结合已知的信号发出时刻和超声波在充液管道内的传播速度，计算管道内检测器和接收器之间的距离，进而对管道内检测器进行定位；

所述方法还包括：

当管道内探测器的信号时刻t₁已知时，根据信号到达接收器的时刻t₂获取信号的传输时间Δt；

其中，所述信号到达接收器的时刻t₂的获取具体为：

接收器收到来自管道内探测器的声压信号后，将其转换成电信号，再通过信号调理盒对得到的电信号进行初步放大、滤波、再次放大，对高频噪声信号滤除；

之后依次进行包络检波、整流、对峰值处理，最终使用动态阈值法确定声波的到达时刻t₂。

2.根据权利要求1所述的一种管道内检测器示踪定位方法，其特征在于，所述管道内检测器为柱形内检测器或球形内检测器。

3.根据权利要求2所述的一种管道内检测器示踪定位方法，其特征在于，所述球形内检测器包括：两种不同材料构成的双层球壳，球外壳使用的是聚氨酯层，球内壳使用铝层，

在聚氨酯层打孔以增强声波的外传且减少信号畸变，压电陶瓷置于底部预先打磨好的平台上，用不锈钢板固定于球壳底部；

压电陶瓷上下两表面粘有绝缘树脂薄片作为绝缘层，用不锈钢板施加预紧力，增强压电陶瓷与球壳的接触力以增强发声强度；

还包括：核心电路板，用于充液管道损伤的探测，还用于控制压电陶瓷发出超声信号进行示踪定位。

4.根据权利要求1所述的一种管道内检测器示踪定位方法，其特征在于，所述管道内检测器与接收器的时间基准同步，校时使用GPS模块定位时发出的PPS信号的上升沿触发接收器的采集过程。

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