專利名稱：一種用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明屬于管道檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置及方法。
背景技術(shù)：
近海海洋石油的開發(fā)一般采用鋪設(shè)在海底的管道進(jìn)行運(yùn)輸，此方式具有密閉性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，但其安全性問題也越來越受到各國政府的重視，一旦管道發(fā)生事故，將釀成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。管道內(nèi)檢測器在管道內(nèi)移動(dòng)作業(yè)，當(dāng)內(nèi)檢測器出現(xiàn)發(fā)生卡堵停止移動(dòng)，需要人工進(jìn)行處理時(shí)，操作人員必須知道內(nèi)檢測器所處的準(zhǔn)確位置。
現(xiàn)有的定位技術(shù)方法有射線定位、超聲波定位、靜磁場方法定位等。放射性射線由于其對(duì)管道的穿透性能卓越，但是放射性射線對(duì)操作人員的健康以及生態(tài)環(huán)境都構(gòu)成威脅；超聲波定位方法是基于聲音信號(hào)檢測原理，抗干擾能力強(qiáng)，但對(duì)金屬管壁具有強(qiáng)反射性，通過管壁能量衰減大，傳播距離小，接收裝置只能緊貼管壁；靜磁場方法定位用一塊磁鐵置于一段鋼管外面，用高斯計(jì)測量管道內(nèi)漏磁場的存在實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)檢測器定位，但此方法一方面容易受其它磁場源的干擾以及鐵磁性材料退磁性能的影響，另一方面在海底管道實(shí)施困難，因此它的應(yīng)用范圍受到一定限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置及方法，以達(dá)到強(qiáng)抗干擾性、強(qiáng)抗壓性、高精度的目的。一種用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置，該裝置包括內(nèi)檢測器、上位機(jī)，還包括超低頻電磁波發(fā)射裝置和超低頻電磁波接收裝置，所述超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器連接，并一同置于海底管道內(nèi)；所述超低頻電磁波接收裝置位于海底管道外上方I 50米處，超低頻電磁波接收裝置接收從超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)出的超低頻電磁信號(hào)。所述的超低頻電磁波發(fā)射裝置，包括有發(fā)射天線、控制單元和電池，所述的發(fā)射天線，由鐵芯、線圈和骨架構(gòu)成，所述的鐵芯橫穿骨架的中心，呈兩端向上彎曲狀，在所述的骨架上設(shè)置有線圈；所述控制單元的兩個(gè)接線端子分別連接所述線圈的兩個(gè)輸入端，控制單元與電池通過電源線連接，控制單元脈沖信號(hào)輸入端經(jīng)外壁上的通孔連接內(nèi)檢測器輸出端。所述的超低頻電磁波接收裝置，包括有天線接收器、數(shù)據(jù)采集盒和天線架，所述的天線接收器包括線圈、骨架和天線盒，其中在所述的骨架上設(shè)置有線圈，所述的骨架及線圈均置于天線盒內(nèi)，所述的天線盒為上下端不封閉盒體，且天線盒的內(nèi)直徑與骨架直徑相同；所述的天線架成十字狀，由橫軸和縱軸交叉形成，在天線架的四端及中心各連接一個(gè)天線接收器，選取位于天線架四端的天線接收器中任意一個(gè)，在所選取的天線接收器與位于天線架中心的天線接收器之間設(shè)置有數(shù)據(jù)采集盒；上述五個(gè)天線接收器均與數(shù)據(jù)采集盒連接。實(shí)現(xiàn)海底管道內(nèi)檢測器定位的裝置的內(nèi)檢測器定位方法，包括以下步驟步驟I、在管道的始端投放超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器的連接體到管道中，該連接體在流體的推動(dòng)下開始在管道中移動(dòng)；步驟2、超低頻電磁波發(fā)射裝置的控制單元捕獲從內(nèi)檢測器內(nèi)部里程輪上的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)，并記錄兩個(gè)脈沖信號(hào)間的時(shí)間寬度；步驟3、如果時(shí)間寬度小于設(shè)定值，說明內(nèi)檢測器仍然在管道中移動(dòng)，返回執(zhí)行步 驟2 ;如果兩個(gè)脈沖信號(hào)間的時(shí)間寬度達(dá)到設(shè)定值，說明內(nèi)檢測器停止移動(dòng)，執(zhí)行步驟4 ;所述的時(shí)間設(shè)定值的取值范圍為I 10秒；步驟4、超低頻電磁波發(fā)射裝置以固定頻率通過發(fā)射天線向管道上方發(fā)射超低頻電磁波；步驟5、超低頻電磁波接收裝置沿著管道方向探測管道上方的電磁信號(hào)；步驟6、超低頻電磁波接收裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)采集盒對(duì)五個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換；步驟7、若超低頻電磁波接收裝置的五個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值均未超過設(shè)定值，則說明未探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的超低頻電磁波，返回執(zhí)行步驟5 ;若五個(gè)天線接收器中任一個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值超過設(shè)定值，則說明探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的超低頻電磁波，超低頻電磁波接收裝置將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，執(zhí)行步驟8 ;所述的設(shè)定值取值范圍為2 20mV ；步驟8、上位機(jī)上的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提示探測到超低頻電磁波，并在上位機(jī)液晶顯示屏上顯示出超低頻電磁波接收裝置的五個(gè)天線盒接收到的模擬信號(hào)值；步驟9、若位于天線架橫軸的兩個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值大小相近，且大于天線架中心的天線接收器輸出的模擬信號(hào)值，或者位于天線架縱軸的兩個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值大小相近，且大于天線架中心的天線接收器輸出的模擬信號(hào)值，那么可確定超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器的連接體在管道中的阻塞位置，執(zhí)行步驟10 ;否則，返回執(zhí)行步驟5 ；步驟10、從管道中取出超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器的連接體。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明一種用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置及方法，由于本裝置超低頻電磁波接收裝置離管道距離近，超低頻電磁波發(fā)射裝置以較小的發(fā)射功率發(fā)射超低頻電磁波，超低頻電磁波接收裝置便可以探測到；由于超低頻電磁波接收裝置放置于海水中，可避免超低頻電磁波在海水與空氣的交界面會(huì)有折射和反射，有利于探測超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)出的超低頻電磁波；由于超低頻電磁波接收裝置離海面作業(yè)船距離遠(yuǎn)，因此可以減弱作業(yè)船上發(fā)出的超低頻電磁波對(duì)其的影響，增強(qiáng)了本裝置的抗干擾能力；超低頻電磁波接收裝置的五個(gè)天線盒呈十字狀分布，增大了探測范圍，并提高了本裝置的定位精度，此外，本發(fā)明超低頻電磁波接收裝置還具有抗壓性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明一種實(shí)施例的超低頻電磁波發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的超低頻電磁波發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的超低頻電磁波發(fā)射電路原理圖；圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的超低頻電磁波接收裝置結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例的超低頻電磁波接收裝置數(shù)據(jù)采集盒結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例的超低頻電磁波接收裝置數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)信號(hào)處理電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖7為本發(fā)明一種實(shí)施例的超低頻電磁波接收裝置數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)控制電路及通Ih電路原理圖；圖8為本發(fā)明一種實(shí)施例的上位機(jī)電路原理圖； 圖9為本發(fā)明一種實(shí)施例的電磁振蕩傳播機(jī)制原理不意圖；圖10為本發(fā)明一種實(shí)施例的磁偶極子磁場示意圖；圖11為本發(fā)明一種實(shí)施例的Bx隨z的變化情況示意圖；圖12為本發(fā)明一種實(shí)施例的I Bx I隨z的變化情況示意圖；圖13為本發(fā)明一種實(shí)施例的定位系統(tǒng)工作流程圖；其中，在圖2中，2-1鐵芯，2-2線圈，2_3骨架，2_4外壁，2_5控制單元，2_6電池，2-7通孔。其中，在圖4中，4-1線圈，4-2骨架，4-3天線盒，4-4數(shù)據(jù)采集盒，4-5信號(hào)輸入線，4-6信號(hào)輸出線，4-7天線架。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步說明。圖I為本發(fā)明實(shí)施例的超低頻電磁波發(fā)射與接收示意圖，管道鋪設(shè)在近海的海底，內(nèi)檢測器I 一端連接有超低頻電磁波發(fā)射裝置2，超低頻電磁波發(fā)射裝置2隨內(nèi)檢測器I 一同在管道內(nèi)部移動(dòng)，當(dāng)內(nèi)檢測器I在管道內(nèi)部發(fā)生卡堵停止移動(dòng)時(shí)，超低頻電磁波發(fā)射裝置2開始發(fā)射超低頻電磁波，本實(shí)施例中，超低頻電磁波接收裝置4處在管道上方25米的海水中，用于探測超低頻電磁波發(fā)射裝置2發(fā)射的超低頻電磁波。超低頻電磁波接收裝置4將接收到的電磁信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)后，通過總線電纜(本實(shí)施例中采用RS485總線電纜)以手牽手的方式(數(shù)據(jù)發(fā)送一端和數(shù)據(jù)接收一端直接相連接)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)3，上位機(jī)3主要用來顯示探測到的超低頻電磁波數(shù)值大小和語音提示是否探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置2。下面結(jié)合公式(I) (4)對(duì)超低頻電磁波接收裝置與海底管道距離的確定，做進(jìn)
一步解釋電磁場是以波的形式傳播，在導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場傳播特性如式E = E0e_ax cos (co t- ^ ) (I)其中E-電場強(qiáng)度，V/m ；E0-電場強(qiáng)度最大值，V/m ；to -角頻率，rad/s ；X'-傳播距離，m;
3 -相位常數(shù)；a -衰減常數(shù)；-衰減因子。由公式(I)可知，電場具有衰減效應(yīng)。本發(fā)明實(shí)施例中，超低頻電磁波接受裝置探測的是磁場信號(hào)，電場^與磁場^之間的關(guān)系
—Vxi = --(2)
dtV -求矢量微分；t_為時(shí)間。通過公式(2)可知電場的矢量微分是磁場對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)的相反數(shù)，由此可知，在傳播過程中，磁場與電場具有相同的衰減因子。海水相對(duì)介電常數(shù)e r(S 海水，T) = (87. 134-01949T-001276T2+00002491T3) X (3)(1+1. 613X KT5TS^k-O. 003656S海水+3. 21 X KT5S海水2_4. 232X KT7S海水3)其中T-海水溫度，°C ;e r (S海水,T)-海水介電常數(shù)；S海水-海水鹽度。本實(shí)施例中，海水溫度為T = 25 °C,鹽度為S^= 35%。，因此，海水相對(duì)介電常數(shù)、(35%。，25) = 70.394。由于真空介電常數(shù)^ = 8. 85X 10_12F/m，海水電導(dǎo)率O = 5. 3067S/m,本實(shí)施例中超低頻電磁波的角頻率w = 2 n f = 60 n rad/s,可得
0Sr(35Xo,25)^》17所以海水為強(qiáng)損耗媒質(zhì)。在強(qiáng)損耗媒質(zhì)中，可知
(4)又已知，海水為非鐵磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率為U海水=4 X l(T7H/m。超低頻電磁波的角頻率O = 2 31 f = 60 31 rad/s, e = 2. 71828,可以求得衰減常數(shù)a ,通過計(jì)算,超低頻電磁波在海水中傳播的衰減因子e_°x,在傳播距離X'是I米時(shí)為0. 9752，2米時(shí)為0. 9511，25米時(shí)為0. 5343，50米時(shí)為0. 2855。因此，在本發(fā)明實(shí)施例中，超低頻電磁波接收裝置處在管道上方25米的海水中，即低頻電磁波接收裝置處在管道上方25米時(shí)，能夠接收到的 53.43%，如果超低頻電磁波接收裝置與管道的距離過大，電磁波衰減后的值會(huì)很小，難以探測；反之，則會(huì)對(duì)超低頻電磁波接收裝置和上位機(jī)的通信產(chǎn)生影響。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的超低頻電磁波發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)圖，超低頻電磁波發(fā)射裝置包括有發(fā)射天線、控制單元2-5、電池2-6，所述的發(fā)射天線由鐵芯2-1、線圈2-2和骨架2_3構(gòu)成，所述的鐵芯2-1橫穿骨架的中心，呈兩端向上彎曲狀(擴(kuò)大超低頻電磁波的發(fā)射范圍)，在所述的骨架2-3上設(shè)置有線圈2-2 ;所述控制單元2-5的兩個(gè)接線端子分別連接所述線圈2-2的兩個(gè)輸入端，控制單元2-5與電池2-6通過電源線連接，控制單元2-5脈沖信號(hào)輸入端經(jīng)外壁上的通孔2-7連接內(nèi)檢測器的輸出端。本實(shí)施例中控制單元2-5的微處理器選用AT89S52-24AU，電池選用高溫鋰電池的型號(hào)為DD1520。超低頻電磁波發(fā)射裝置內(nèi)部控制單元和發(fā)射天線所組成RLC串聯(lián)諧振電路，下面通過公式(5) (7)對(duì)確定RLC串聯(lián)諧振電路的諧振頻率f取值，作進(jìn)一步解釋。超低頻電磁波發(fā)射裝置內(nèi) 電感計(jì)算公式
權(quán)利要求
1.一種用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置，該裝置包括內(nèi)檢測器、上位機(jī)，其特征在于還包括超低頻電磁波發(fā)射裝置和超低頻電磁波接收裝置，所述超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器連接，并一同置于海底管道內(nèi)；所述超低頻電磁波接收裝置位于海底管道外上方1 50米處，超低頻電磁波接收裝置接收從超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)出的超低頻電磁信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置，其特征在于所述的超低頻電磁波發(fā)射裝置，包括有發(fā)射天線、控制單元和電池，所述的發(fā)射天線，由鐵芯、線圈和骨架構(gòu)成，所述的鐵芯橫穿骨架的中心，呈兩端向上彎曲狀，在所述的骨架上設(shè)置有線圈；所述控制單元的兩個(gè)接線端子分別連接所述線圈的兩個(gè)輸入端，控制單元與電池通過電源線連接，控制單元脈沖信號(hào)輸入端經(jīng)外壁上的通孔連接內(nèi)檢測器輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置，其特征在于所述的超低頻電磁波接收裝置，包括有天線接收器、數(shù)據(jù)采集盒和天線架，所述的天線接收器包括線圈、骨架和天線盒，其中在所述的骨架上設(shè)置有線圈，所述的骨架及線圈均置于天線盒內(nèi)，所述的天線盒為上下端不封閉盒體，且天線盒的內(nèi)直徑與骨架直徑相同；所述的天線架成十字狀，由橫軸和縱軸交叉形成，在天線架的四端及中心各連接一個(gè)天線接收器，選取位于天線架四端的天線接收器中任意一個(gè)，在所選取的天線接收器與位于天線架中心的天線接收器之間設(shè)置有數(shù)據(jù)采集盒；上述五個(gè)天線接收器均與數(shù)據(jù)采集盒連接。
4.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述的海底管道內(nèi)檢測器定位的裝置的內(nèi)檢測器定位方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1、在管道的始端投放超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器的連接體到管道中， 該連接體在流體的推動(dòng)下開始在管道中移動(dòng)； 步驟2、超低頻電磁波發(fā)射裝置的控制單元捕獲從內(nèi)檢測器內(nèi)部里程輪上的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)，并記錄兩個(gè)脈沖信號(hào)間的時(shí)間寬度； 步驟3、如果時(shí)間寬度小于設(shè)定值，說明內(nèi)檢測器仍然在管道中移動(dòng)，返回執(zhí)行步驟2 ;如果兩個(gè)脈沖信號(hào)間的時(shí)間寬度達(dá)到設(shè)定值，說明內(nèi)檢測器停止移動(dòng)，執(zhí)行步驟4 ;所述的時(shí)間設(shè)定值的取值范圍為I 10秒； 步驟4、超低頻電磁波發(fā)射裝置以固定頻率通過發(fā)射天線向管道上方發(fā)射超低頻電磁波； 步驟5、超低頻電磁波接收裝置沿著管道方向探測管道上方的電磁信號(hào)； 步驟6、超低頻電磁波接收裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)采集盒對(duì)五個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換； 步驟7、若超低頻電磁波接收裝置的五個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值均未超過設(shè)定值，則說明未探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的超低頻電磁波，返回執(zhí)行步驟5 ;若五個(gè)天線接收器中任一個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值超過設(shè)定值，則說明探測到超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射的超低頻電磁波，超低頻電磁波接收裝置將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，執(zhí)行步驟.8 ;所述的設(shè)定值取值范圍為2 20mV ； 步驟8、上位機(jī)上的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提示探測到超低頻電磁波，并在上位機(jī)液晶顯示屏上顯示出超低頻電磁波接收裝置的五個(gè)天線盒接收到的模擬信號(hào)值； 步驟9、若位于天線架橫軸的兩個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值大小相近，且大于天線架中心的天線接收器輸出的模擬信號(hào)值，或者位于天線架縱軸的兩個(gè)天線接收器輸出的模擬信號(hào)值大小相近，且大于天線架中心的天線接收器輸出的模擬信號(hào)值，那么可確定超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器的連接體在管道中的阻塞位置，執(zhí)行步驟10 ;否則，返回執(zhí) 行步驟5 ； 步驟10、從管道中取出超低頻電磁波發(fā)射裝置與內(nèi)檢測器的連接體。
全文摘要
一種用于海底管道中內(nèi)檢測器定位的裝置及方法，屬于管道檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法根據(jù)超低頻電磁波在海水中的傳播特性，可以準(zhǔn)確確定內(nèi)檢測器在管道中的位置。當(dāng)內(nèi)檢測器在海底管道中發(fā)生卡堵停止移動(dòng)時(shí)，安裝在內(nèi)檢測器一端的超低頻電磁波發(fā)射裝置發(fā)射超低頻電磁波，利用懸掛在海面作業(yè)船下的超低頻電磁波接收裝置探測超低頻電磁波信號(hào)，上位機(jī)顯示探測到的電磁信號(hào)數(shù)值，并且語音提示是否探測到內(nèi)檢測器。本發(fā)明具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F17D5/00GK102679165SQ20121012793
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者馮健, 劉振偉, 劉金海, 李智, 高丁 申請(qǐng)人:東北大學(xué)