CN1982889A - 石油管道超声波检测方法及检测用的机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石油管道超声波检测方法及检测用的机器人,石油管道检测机器人采用轮式载体,由机身、行驶机构和检测装置组成,检测装置是超声波探头,安装在机器人的机身前端,机器人尾部有一橡胶圆盘1,机身由两个圆柱体构成,分成前部2和后部3两部分,机身前部2和后部3通过万向节4连接;行驶机构是从动轮,分别安装在机身前部2和后部3;检测方法采用动态超声波检测法。结构简单,能耗低,工作距离很长,通过4个超声波探头随着机器人的运动而转动,从而实现了管道内动态超声波检测,提高了检测的效率,能够满足管道检测的要求。
Description
技术领域
本发明涉及石油管道超声波检测方法及检测用的机器人。
背景技术
管道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道,包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等,它的运行距离一般较长。因此,机器人的机械结构必须灵活可靠,且有较大的牵引力。为了具有通用性,适应不同半径的管道检测,机器人应具有可调节半径。
目前,已经开发的石油管道检测机器人的驱动方式,主要包括主动式和从动式两种,主动式可以对机器人的运动速度进行控制,但是要消耗大量的能量,所以一般采用接入电缆的方法给机器人提供动力和进行数据传递,这就大大限制了机器人的运动距离;从动式是依靠油管中石油的流动来运动,所以消耗的能源很少,机械结构简单,但是机器人的运动速度不是很稳定,而且机器人的运动速度也不受控制。
国外一些著名公司如NKK、Pipetonix、TD-Willianson等在管道检测机器人的开发与研制方面开展比较多,国内对这方面的研究尚处于起步阶段。国外主要采用的多元蜂窝式检测头,其最多可载有566多个超声探头。各个超声探头直接向管壁发射宽频超声波,又直接接收反射波。这种机器人的内部还设有摆锤及自动调节机构,以免机器人在行进的过程中发生自身的偏转,这种检测方法叫静态超声波检测。还有动态检测,所谓动态检测,就是探头盘带着若干个(我们采用四个)超声头在石油管道内随石油的流动作旋转探测。相比较而言,动态检测的优点是:成本低,检测全面,易于采用。
发明内容
本发明提供一种石油管道超声波检测方法及检测用的机器人,检测方法采用动态超声波检测法实现在石油管道中的检测;机器人采用探头盘带着四个超声头的动态检测该管道检测机器人,机器人能够自动适应一定的管道半径变化,并能够通过曲率半径的较大的弯道。该机器人能够将检测结果通过单片机记录到存储器中,并且能耗很低,解决了管道检测机器人长距离工作的问题。
石油管道检测机器人采用从动式结构,是轮式载体,机器人由机身、行驶机构和检测装置组成,检测装置是超声波探头(含超声波发射和接受器),安装在机器人的机身前端,其特点是:在机器人尾部有一橡胶圆盘(为机器人提供动力),机身由两个圆柱体构成,分成前部和后部两部分,机身前部和后部通过万向节连接(使得机器人可以自动通过弯道,尤其是曲率较大的弯道);行驶机构是从动轮,分别安装在机身前部和后部;检测装置安装在前机身上,
石油管道超声波检测方法是:预先设定好厚度,当机器人运动时,4个超声波探头绕周向旋转,并发射超声波,通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差,来计算石油管道的厚度,将厚度与预先设定好的厚度进行比较,若厚度小于设定的厚度,则将读取时间信息,并将其存放在存储器中,机器人工作完成后,通过计算机读取存储器中的数据,进行分析与处理,即可得到管道的内部状况。
本发明的有益效果是:
1.结构简单,能耗低,能够适应石油管道这种恶劣的环境,工作距离很长,而且能实时的对石油管道内的情况进行记录存储。
2.能够自动适应管道直径的变化,并且能够通过万向节对曲率较大的弯道进行自身的调整。
3.检测方法采用动态超声波检测法,通过4个超声波探头随着机器人的运动而转动,从而实现了管道内动态超声波检测,提高了检测的效率,能够满足管道检测的要求。
4.采用超声波检测的方法,预先设定好厚度,通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差,来计算石油管道的厚度,将厚度与预先设定好的厚度进行比较,若厚度小于设定的厚度,则将读取时间信息,并将其存放在存储器中。
5.机器人工作完成后,通过计算机读取存储器中的数据,即可对管道内的状况进行分析与处理。
附图说明:
图1是机器人结构示意图。
图2是轮子的伸缩机构示意图。
图3是检测过程示意图。
图4是超声波测量原理。
图5是信号处理时序图。
图6是动态检测扫描重叠示意图。
图7是数据处理单元框图。
具体实施方式
如图1、图2所示,本发明提供一种石油管道超声波检测方法及检测用的机器人,机器人采用从动式结构,机器人由机身、行驶机构和检测装置组成,检测装置是超声波探头,含超声波发射和接受器,安装在机器人的机身前端,其特征在于:在机器人尾部有一橡胶圆盘1,机身由两个圆柱体构成,分成前部2和后部3两部分,机身前部2和后部3通过万向节4连接;行驶机构是从动轮,分别安装在机身前部和后部;检测装置安装在前机身上。
行驶机构是六组从动轮,两个轮子5为一组,每组轮子相差120度,分别安装在机身前部2和后部3。机器人后部的轮子为里程轮,用于机器人的内定位,随着机器人的行走而转动。通过测定它的参数,确立机器人移动距离,从而得出所检测出的缺陷在管道中的位置。
实施时,检测装置使用了四个超声波探头。
见图1、图2,从动轮由轮子5、轮架6、主轴7、扭簧12和曲柄滑块机构组成,轮子5安装在轮架6上,曲柄滑块机构包括转动圆盘8、曲柄9、滑块10和支撑架11组成,曲柄9一端设置在转动圆盘8边缘,曲柄9另一端与滑块10相连,滑块10另一端与轮架6相连接,转动圆盘8通过支撑架11安装在机身内,并使转动圆盘8套在主轴7上,通过曲柄滑块机构来实现轮子的伸缩,并能够适应一定的管道直径变化。
石油管道超声波检测方法是:预先设定好厚度,当机器人运动时,4个超声波探头绕周向旋转,并发射超声波,通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差,来计算石油管道的厚度,将厚度与预先设定好的厚度进行比较,若厚度小于设定的厚度,则将读取时间信息,并将其存放在存储器中,机器人工作完成后,通过计算机读取存储器中的数据,进行分析与处理,即可得到管道的内部状况。
见图3、图4,检测过程如下:
当超声探头对管壁发出一个超声脉冲后,探头首先接收到由管壁的内表面反射回来的脉冲,这个脉冲与基准脉冲之间的间距是很容易测量的,该间距值表示为t1。然后,超声探头又会接收到由管壁的外表面反射回来的脉冲,这个脉冲与内表面产生的脉冲之间的间距为t2,t2值就反映了管壁的厚度。
见图5、图6,动态检测扫描重叠示意图,其中的圆形区域表示单个超声脉冲在管壁上的覆盖范围,即检测面积。检测头的转动加上机器人本体的移动,就会在被测管道的管壁上产生无数的扫描带,控制机器人的移动速度,相邻的扫描带的重复区域为1/4,便会形成一个连贯的扫描段。随着检测机器人在被测管道内的行进,便可以完成对整个管线的检测。
由于通过超声波计算管道的壁厚需要很大的计算量和很长的时间,所以通过先前的计算,得到允许的脉冲间距t2,当t2过大时,通过单片机将时间数据写入存储器中。机器人的运动可以近似看为匀速运动,所以对于时间的纪录也就是对位置的记录。
如图5、图7所示,在同步信号上升沿的作用下,超声波产生器产生超声脉冲,经过超声波探头向介质中发射,碰到输油管内壁产生第一次反射;由该探头接收到,放大处理产生脉冲,称为A波;同样在输油管外壁也产生第二次反射,再由该探头接收到,放大处理得到脉冲称为B波。4路测量接收机都测到4个A波和4个B波;而温度补偿接收机得到一个温度补偿的At波。将超声波接收系统送来的九路反射信号整形成脉冲信号,由零基准信号前沿触发单路温度波门形成电路,形成波门前沿,而分别在At波前沿再触发形成波门后沿,将此波门分别控制十二位计数器,对时钟计数,计出波门内时钟个数,送到锁存器中,这个数据代表了温度补偿。同样,由A波分别触发的四路壁厚波门形成电路,产生波门的前沿,再由B波分别触发产生波门后沿,将此波门控制四通道八位计数器,对时钟计数,求得波门内时钟脉冲个数,送到锁存器中,它代表了输油管壁的厚度,由单片机从锁存器循环读出壁厚值,通过比较器,与预先设置的值进行比较,若壁厚小于设定值,则单片机读取时间信息和壁厚信息,并将其记录到存储器中。
管道中异常状况的确定:
机器人是利用管道中“油速、时间”与“位置”(特定布局的油管)的对应关系原理,通过存储器中的信息(壁厚、时间)来确定管道中异常状况的具体位置。首先,建立油管布局的三维模型,通过计算机图形仿真来建立不同流速下的时间和位置的对应关系;其次,由存储器中记录的时间信息,通过计算得到管道异常状况的具体位置(油速×时间差=到起点的距离);再次,通过存储器中记录的壁厚信息,便可知道管道中异常状况的壁厚及其所在的位置;最后,由异常状况的壁厚及位置信息,经分析比较筛选掉不合理的异常状况。
Claims (7)
1、一种石油管道超声波检测方法,其特征在于:预先设定好厚度,当机器人运动时,4个超声波探头绕周向旋转,并发射超声波,通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差,来计算石油管道的厚度,将厚度与预先设定好的厚度进行比较,若厚度小于设定的厚度,则将读取时间信息,并将其存放在存储器中,机器人工作完成后,通过计算机读取存储器中的数据,进行分析与处理,即可得到管道的内部状况。
2、按权利要求1所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人,其特征在于:石油管道检测机器人,机器人采用从动式结构,机器人由机身、行驶机构和检测装置组成,检测装置是超声波探头,安装在机器人的机身前端,其特点是:在机器人尾部有一橡胶圆盘(1),机身由两个圆柱体构成,分成前部(2)和后部(3)两部分,机身前部(2)和后部(3)通过万向节(4)连接;行驶机构是从动轮,分别安装在机身前部(2)和后部(3)。
3、按权利要求2所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人,其特征在于:行驶机构是六组从动轮,两个轮子(5)为一组,每组轮子相差120度,分别安装在机身前部(2)和后部(3)。
4、按权利要求2所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人,其特征在于:检测装置4个超声波探头。
5、按权利要求2所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人,其特征在于:从动轮由轮子(5)、轮架(6)、主轴(7)、扭簧(12)和曲柄滑块机构组成,轮子(5)安装在轮架(6)上,曲柄滑块机构包括转动圆盘(8)、曲柄(9)、滑块(10)和支撑架(11)组成,曲柄(9)一端设置在转动圆盘(8)边缘,曲柄(9)另一端与滑块(10)相连,滑块(10)另一端与轮架(6)相连接,转动圆盘(8)通过支撑架(11)安装在机身内,并使转动圆盘(8)套在主轴(7)上。
6、按权利要求2所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人,其特征在于:机器人机身后部(3)内还部装有电池和数据处理装置。
7、按权利要求1所述的石油管道超声波检测方法,,其特征在于:机器人是利用管道中“油速、时间”与“位置”的对应关系原理,通过存储器中的壁厚、时间信息来确定管道中异常状况的具体位置;首先,建立油管布局的三维模型,通过计算机图形仿真来建立不同流速下的时间和位置的对应关系;其次,由存储器中记录的时间信息,通过计算得到管道异常状况的具体位置(油速×时间差=到起点的距离);再次,通过存储器中记录的壁厚信息,便可知道管道中异常状况的壁厚及其所在的位置;最后,由异常状况的壁厚及位置信息,经分析比较筛选掉不合理的异常状况。
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
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