本發(fā)明屬于海底管道內檢測技術，具體涉及一種海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)及方法。

背景技術：

由于管道外檢測只是可以在管道已經(jīng)發(fā)生泄漏的時候進行提示,這屬于事后處理,只能起到降低損失的作用,并不能完全地消除損失,而且管道外檢測技術不適用于海底油氣管道,無法完成對海底油氣管道的全面檢測。因此對于地底和海底的油氣管道的檢測而言，管道內檢測技術十分重要。

管道內檢測技術是一種重要的管道故障診斷方法，對海底管道的安全運行起到重要的保障作用。

由于現(xiàn)役絕大部分的管道檢測自然環(huán)境與條件都特別惡劣，當內檢測器在管道中進行檢測工作的時候，可能會遇到管道中的一些特殊情況，比如：

1.內檢測器運行到了管道的三通、閥門與彎頭等特別容易卡堵的地方；

2.檢測器自身出現(xiàn)各種類型的機械問題時；

3.管壁出現(xiàn)比較大的形變時，內檢測器很容易阻塞在管道內；

4.遇到管道內沉積的各種雜物，比如：由于大氣溫度大幅下降或者加熱爐出現(xiàn)的故障所帶來輸送原油溫度下降的結果，使原油中析出大量的石蠟。

由于以上或其它情況，內檢測器可能卡堵在被檢測管道當中。此時需要實時及時地確定內檢測器在管道中的位置，以便采取相應措施。并且盡快準確地定位出內檢測器卡堵的位置并將其取出，從而保持內檢測器在管道中能夠正常運行，否則危害嚴重。

現(xiàn)有管道內檢測器定位技術應用廣泛，但是也有不少的缺點：

(1)、定位方法有很多，比如：傳統(tǒng)里程輪定位法、定點磁標法、靜磁場定位法、放射性射線定位法、gps/ins組合導航系統(tǒng)定位法。但這些方法通常只能應用于陸地管道，難以對海底管道內檢測器進行跟蹤，無法解決海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位問題。

(2)、目前的管道內檢測定位技術所采用的方法一些測量范圍太小，適用性較低，局限性大；一些方法成本太高，且精度不高。

(3)、在長距離管道中，目前大部分的管道內檢測定位技術普遍不能解決能源耗費的問題，無法完成長距離的檢測任務。這些問題在后續(xù)工作中，都有待解決。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)及方法，通過在管道首、末端進行采集壓力波信號，實時檢測在線計算，實現(xiàn)實時跟蹤與精確定位。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，包括壓力波產(chǎn)生裝置、壓力傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集裝置和上位機，壓力波產(chǎn)生裝置與內檢測器連接在一起，在管道的首、末端各裝設一個壓力傳感器模塊，壓力傳感器模塊與數(shù)據(jù)采集裝置連接在一起，數(shù)據(jù)采集裝置與上位機連接在一起，管道首、末端的上位機互相通過網(wǎng)絡進行通訊。

所述的海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，其中所述壓力波產(chǎn)生裝置包括圓柱形腔體、活塞腔和三個滾輪，活塞腔安裝在圓柱形腔體的一個端面上，三個滾輪通過三個支架成120°均勻設置在圓柱形腔體的另一個端面上，三個滾輪緊密接觸管道內壁；圓柱形腔體內設有齒輪組，齒輪組包括中小齒輪、中齒輪、中大齒輪、大齒輪、較大齒輪和多個小齒輪，中小齒輪與小齒輪一同軸設置，中齒輪與小齒輪二同軸設置，中大齒輪與小齒輪三同軸設置，大齒輪和與小齒輪四同軸設置，小齒輪五與轉輪一同軸設置，一個所述滾輪上同軸設置轉輪二，轉輪二通過鏈條與轉輪一連接在一起，小齒輪五與中小齒輪嚙合，小齒輪一與中齒輪嚙合，小齒輪二與中大齒輪嚙合，小齒輪三與大齒輪嚙合，小齒輪四與較大齒輪嚙合，較大齒輪與凸輪同軸設置，所述凸輪位于圓柱形腔體的中軸線上；活塞腔的環(huán)形側壁內設有活塞，所述活塞包括活塞板和活塞桿，所述活塞桿的一端固定安裝在所述活塞板的中心，所述活塞桿的另一端通過圓柱形腔體的端面中心穿入圓柱形腔體內，所述活塞桿上設有彈簧，所述彈簧的一端連接在圓柱形腔體的端面上，所述彈簧的另一端連接在所述活塞桿的穿入圓柱形腔體內的端頭處；所述活塞桿的端頭上設有滾子，所述滾子與所述凸輪嚙合；所述凸輪的一邊為緩和輪廓線，另一邊為急劇收縮輪廓線；活塞腔的環(huán)形側壁端頭內側設有擋板，用于阻擋所述活塞板。

所述的海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，其中所述壓力傳感器模塊包括壓力傳感器、隔離端子和i/v轉換電路，所述壓力傳感器用于接收所述壓力波產(chǎn)生裝置發(fā)出的壓力波，所述壓力傳感器的輸出信號為電流信號，通過隔離端子和i/v轉換電路，轉變?yōu)?-5v模擬電壓信號，傳送到所述數(shù)據(jù)采集裝置中。

所述的海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)采集單元和gps授時單元，所述數(shù)據(jù)采集單元包括實時控制器、fpga控制單元和i/o模塊，所述數(shù)據(jù)采集單元用于將壓力波的模擬電壓信號經(jīng)過調理與ad轉換成為壓力波的數(shù)字信號并傳給上位機；所述gps授時單元連接在所述實時控制器上，所述gps授時單元用于產(chǎn)生秒脈沖控制所述壓力傳感器模塊采集壓力波及接收gps衛(wèi)星的時間數(shù)據(jù)為所述壓力波的數(shù)字信號打上時間標簽。

所述的海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，其中所述上位機通過網(wǎng)絡通信對管道首端和末端的數(shù)據(jù)采集裝置傳送上來的壓力波的數(shù)字信號進行分析計算，實時判斷內檢測器在管道中的位置，實現(xiàn)跟蹤與定位。

一種海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位方法，包括如下步驟：

步驟1、采用上述的海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，首先在海底管道的首端放入帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置的內檢測器到管道中,管道的首端是流體開始注入管道的一端,在流體的推動下帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置的內檢測器開始在管道中移動；

步驟2、在帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置的內檢測器移動過程中，所述滾輪在管道內壁上滾動，通過齒輪組的傳動帶動所述凸輪轉動，所述凸輪通過所述滾子和彈簧使所述活塞桿產(chǎn)生直線往復運動，所述活塞板使流體產(chǎn)生壓力波，所述壓力波產(chǎn)生裝置在20s之內完成一個周期產(chǎn)生一個壓力波，若所述壓力傳感器模塊檢測到的前后兩個相鄰壓力波的時間間隔大于20s，說明出現(xiàn)卡堵情況，運動不流暢，轉到步驟8；若檢測到的前后兩個相鄰壓力波的時間間隔小于20s，進行步驟3；

步驟3、在管道內的壓力波，分別向管道的首、末端傳播，安裝在管道內首、末端的壓力傳感器檢測到壓力波的壓力，在gps授時單元控制下進行信號采集，所述壓力傳感器的輸出信號為電流信號，通過隔離端子和i/v轉換電路，轉變?yōu)?-5v模擬電壓信號，傳送到所述數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)采集單元；

步驟4、將檢測到的壓力波模擬電壓信號通過數(shù)據(jù)采集裝置中數(shù)據(jù)采集單元的調理電路放大處理，并且進行ad轉換成為壓力波數(shù)字信號；

步驟5、數(shù)據(jù)采集裝置將壓力波數(shù)字信號連同gps授時單元中的時間信息一起傳送給上位機；

步驟6、在上位機中，利用瞬時壓力波定位方法計算出內檢測器在管道中的位置，并且得到對應的壓力、時間和位置數(shù)據(jù)，并存儲到計算機中；計算公式為：

式中：x—內檢測器和管道首端的距離(m)

l—被測管道的長度(m)

a—壓力波的傳播速度(m/s)

δt—壓力波到達管道首末端時，壓力傳感器檢測到壓力信號的時間差(s)；

步驟7、對于所計算得到的內檢測器位置信息，判斷內檢測器是否到達管道末端，如果到達管道末端，轉到步驟9，否則，執(zhí)行步驟2；

步驟8、對于所檢測到的壓力波，在檢測到一個壓力波之后，若20s之后再沒有接收到壓力波信號，則可判斷出所述壓力波產(chǎn)生裝置停止移動，出現(xiàn)卡堵，根據(jù)所述壓力波產(chǎn)生裝置停止前的最后一個壓力波信號以及時間信息，計算出內檢測器在管道中的位置，轉到步驟9，否則，返回執(zhí)行步驟2；

步驟9、從管道中取出帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置的內檢測器。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的壓力波產(chǎn)生裝置體積小，成本低；壓力波產(chǎn)生裝置的設計結構簡單，基于純機械結構設計，利用滾輪轉動，帶動齒輪組，最終拉動活塞產(chǎn)生壓力波，因此該壓力波產(chǎn)生裝置無能源消耗，只需給內檢測器供電，功耗低；由于活塞腔封閉，輕微的波動就可以產(chǎn)生強烈的壓力波，可實現(xiàn)長距離的信號傳輸，并且壓力波之間相互影響小，抗干擾能力強，可以實現(xiàn)上百公里長距離的檢測任務；本發(fā)明使用方便，檢測效果快而明顯；通過在管道首、末端即出、入口進行采集信號，實時檢測在線計算，不會對測量范圍有所限制，工作量小并且該裝置適合各種惡劣環(huán)境，可實現(xiàn)實時跟蹤與精確定位。

附圖說明

圖1為海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)的安裝示意圖；

圖2為壓力波產(chǎn)生裝置平面結構示意圖；

圖3為壓力波產(chǎn)生裝置立體示意圖；

圖4為壓力波產(chǎn)生裝置的凸輪及活塞運動狀態(tài)圖；其中：(a)為凸輪的緩和輪廓線部分轉動時，(b)為凸輪的急劇收縮輪廓線部分轉動時；

圖5為定位方法計算示意圖；

圖6為檢測信號流向圖；

圖7為數(shù)據(jù)采集裝置架構圖；

圖8為gps授時單元功能圖；

圖9為海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位方法流程圖。

具體實施方式

如圖1-8所示，一種海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，包括壓力波產(chǎn)生裝置3、壓力傳感器模塊4、數(shù)據(jù)采集裝置5和上位機6，壓力波產(chǎn)生裝置3與內檢測器2連接在一起，在管道1的首、末端各裝設一個壓力傳感器模塊4，壓力傳感器模塊4與數(shù)據(jù)采集裝置5連接在一起，數(shù)據(jù)采集裝置5與上位機6連接在一起，管道1首、末端的上位機6互相通過網(wǎng)絡進行通訊。

所述壓力波產(chǎn)生裝置3包括圓柱形腔體22、活塞腔21和三個滾輪7，活塞腔21安裝在圓柱形腔體22的一個端面上，三個滾輪7通過三個支架23成120°均勻設置在圓柱形腔體22的另一個端面上，三個滾輪7緊密接觸管道1內壁；圓柱形腔體22內設有齒輪組，齒輪組包括中小齒輪11、中齒輪12、中大齒輪13、大齒輪14、較大齒輪15和多個小齒輪，中小齒輪11與小齒輪一同軸設置，中齒輪12與小齒輪二同軸設置，中大齒輪13與小齒輪三同軸設置，大齒輪14和與小齒輪四同軸設置，小齒輪五與轉輪一10同軸設置，一個所述滾輪7上同軸設置轉輪二8，轉輪二8通過鏈條9與轉輪一10連接在一起，小齒輪五與中小齒輪11嚙合，小齒輪一與中齒輪12嚙合，小齒輪二與中大齒輪13嚙合，小齒輪三與大齒輪14嚙合，小齒輪四與較大齒輪15嚙合，較大齒輪15與凸輪16同軸設置，所述凸輪16位于圓柱形腔體22的中軸線上；齒輪模數(shù)均為2，小齒輪的齒輪數(shù)為6，中小齒輪11、中齒輪12、中大齒輪13、大齒輪14和較大齒輪15的齒輪數(shù)比為12：24：24：12：30；凸輪16最大力臂為1.5cm，滾輪7半徑為5cm；活塞腔21的環(huán)形側壁內設有活塞，所述活塞包括活塞板19和活塞桿18，活塞板19直徑為6cm，所述活塞桿18的一端固定安裝在所述活塞板19的中心，所述活塞桿18的另一端通過圓柱形腔體22的端面中心穿入圓柱形腔體22內，所述活塞桿18上設有彈簧20，所述彈簧20的一端連接在圓柱形腔體22的端面上，所述彈簧20的另一端連接在所述活塞桿18的穿入圓柱形腔體22內的端頭處；所述活塞桿18的端頭上設有滾子17，所述滾子17與所述凸輪16嚙合；所述凸輪16的一邊為緩和輪廓線，另一邊為急劇收縮輪廓線；活塞腔21的環(huán)形側壁端頭內側設有擋板，用于阻擋所述活塞板19；在凸輪16的緩和輪廓線部分轉動中，將與其嚙合的滾子17緩慢推遠，實現(xiàn)彈簧20的緩慢壓縮，所述活塞桿18將所述活塞板19緩慢推至擋板處，在凸輪16的急劇收縮輪廓線部分轉動時，在彈簧20的彈力作用下，實現(xiàn)活塞桿18的快速回復，拉回活塞板19，從而作用于流體產(chǎn)生壓力波，內檢測器2每移動100m左右，即20s內就會產(chǎn)生一次壓力波。

所述壓力傳感器模塊4包括壓力傳感器、隔離端子和i/v轉換電路，壓力傳感器為艾默生儀表公司產(chǎn)品gp4a2b21ab4m5d1，隔離端子采用的是德國魏德米勒公司所生產(chǎn)wassccc20lp，所述壓力傳感器用于接收所述壓力波產(chǎn)生裝置3發(fā)出的壓力波，所述壓力傳感器的輸出信號為電流信號，通過隔離端子和i/v轉換電路，轉變?yōu)?-5v模擬電壓信號，傳送到所述數(shù)據(jù)采集裝置5中。

所述數(shù)據(jù)采集裝置5包括數(shù)據(jù)采集單元和gps授時單元，數(shù)據(jù)采集單元采用ni公司compact-rio控制器進行系統(tǒng)硬件平臺實現(xiàn)，compact-rio系統(tǒng)由實時控制器、fpga和工業(yè)級i/o模塊(例如模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、數(shù)字io模塊、繼電器、通訊模塊、運動控制模塊等)三個部分組成，其中實時控制器采用crio-9068，所述數(shù)據(jù)采集單元用于將壓力波的模擬電壓信號經(jīng)過調理與ad轉換成為壓力波的數(shù)字信號并傳給上位機6；所述gps授時單元采用um220，所述gps授時單元通過compact-rio系統(tǒng)外設的rs-232串口連接在所述實時控制器上，所述gps授時單元用于產(chǎn)生秒脈沖控制所述壓力傳感器模塊4采集壓力波及接收gps衛(wèi)星的時間數(shù)據(jù)為所述壓力波的數(shù)字信號打上時間標簽。

所述上位機6通過網(wǎng)絡通信對管道1首端和末端的數(shù)據(jù)采集裝置5傳送上來的壓力波的數(shù)字信號進行分析計算，實時判斷內檢測器2在管道1中的位置，實現(xiàn)跟蹤與定位。

如圖9所示，一種海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位方法，包括如下步驟：

步驟1、采用上述的海底管道內檢測器的實時跟蹤與定位系統(tǒng)，首先在管道1的首端放入帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置3的內檢測器2到管道1中,管道1的首端是流體開始注入管道1的一端,在流體的推動下帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置3的內檢測器2開始在管道1中移動；

步驟2、在帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置3的內檢測器2移動過程中，所述滾輪7在管道1內壁上滾動，通過齒輪組的傳動帶動所述凸輪16轉動，所述凸輪16通過所述滾子17和彈簧20使所述活塞桿18產(chǎn)生直線往復運動，所述活塞板19使流體產(chǎn)生壓力波，所述壓力波產(chǎn)生裝置2在20s之內完成一個周期產(chǎn)生一個壓力波，若所述壓力傳感器模塊4檢測到的前后兩個相鄰壓力波的時間間隔大于20s，說明出現(xiàn)卡堵情況，運動不流暢，轉到步驟8；若檢測到的前后兩個相鄰壓力波的時間間隔小于20s，進行步驟3；

步驟3、在管道1內的壓力波，分別向管道1的首、末端傳播，安裝在管道1內首、末端的壓力傳感器檢測到壓力波的壓力，在gps授時單元控制下進行信號采集，所述壓力傳感器的輸出信號為電流信號，通過隔離端子和i/v轉換電路，轉變?yōu)?-5v模擬電壓信號，傳送到所述數(shù)據(jù)采集裝置5中的數(shù)據(jù)采集單元；

步驟4、將檢測到的壓力波模擬電壓信號通過數(shù)據(jù)采集裝置5中數(shù)據(jù)采集單元的調理電路放大處理，并且進行ad轉換成為壓力波數(shù)字信號；

步驟5、數(shù)據(jù)采集裝置5將壓力波數(shù)字信號連同gps授時單元中的時間信息一起傳送給上位機6；

步驟6、在上位機6中，利用瞬時壓力波定位方法計算出內檢測器在管道中的位置，并且得到對應的壓力、時間和位置數(shù)據(jù)，并存儲到計算機中；設被測管道總長度為l，流體流速為v，壓力波波速為a，當內檢測器所在位置位于距離管道首端x米時，壓力波從內檢測器處到達管道首端的時間為t1，到達管道末端的時間為t2，令其時間差為δt＝t1-t2，由此可以得到如下關系：

注：a的值一般在1000m/s以上，v的值在1.5-3m/s，因此v通常忽略不計，由此上式可以改成：

式中：x—內檢測器和管道首端的距離(m)

l—被測管道的長度(m)

a—壓力波的傳播速度(m/s)

δt—壓力波到達管道首末端時，壓力傳感器檢測到壓力信號的時間差(s)；

步驟7、對于所計算得到的內檢測器2位置信息，判斷內檢測器2是否到達管道1末端，如果到達管道1末端，轉到步驟9，否則，執(zhí)行步驟2；

步驟8、對于所檢測到的壓力波，在檢測到一個壓力波之后，若20s之后再沒有接收到壓力波信號，則可判斷出所述壓力波產(chǎn)生裝置3停止移動，出現(xiàn)卡堵，根據(jù)所述壓力波產(chǎn)生裝置3停止前的最后一個壓力波信號以及時間信息，計算出內檢測器2在管道1中的位置，轉到步驟9，否則，返回執(zhí)行步驟2；

步驟9、從管道1中取出帶有所述壓力波產(chǎn)生裝置3的內檢測器2。