阅读说明：本技术 一种管道内检测里程***及里程定位采集方法 (Mileage locator for in-pipeline detection and mileage positioning acquisition method ) 是由 汤晓英 赵番 侯少星 王洁璐 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种管道内检测里程定位器及里程定位采集方法,里程定位器包括FPGA芯片模块,所述FPGA芯片模块分别连接三轴加速度传感器、ADC转换模块、电平转换模块、两块SPI Flash芯片模块、两块RS485接口芯片模块、晶振、温补晶振和电源管理模块。本发明通过将三个霍尔角度传感器分别安装在三个里程轮内,以相位差为90°电子角的增量脉冲信号采用差分方式传输给FPGA,利用三个里程轮的脉冲信号,采用里程轮脉冲均分算法,以计算检测器的速度,同时采集三轴加速度信号,对里程数据进行补偿,提高了里程定位系统的抗干扰能力和测量精度。通过RS485与内检测器进行通讯,快速实时的将数据传输给内检测器进行存储,实现缺陷或几何变形位置的精确定位。(The invention provides a mileage locator for in-pipeline detection and a mileage positioning acquisition method, wherein the mileage locator comprises an FPGA chip module, and the FPGA chip module is respectively connected with a triaxial acceleration sensor, an ADC conversion module, a level conversion module, two SPI Flash chip modules, two RS485 interface chip modules, a crystal oscillator, a temperature compensation crystal oscillator and a power management module. According to the invention, the three Hall angle sensors are respectively arranged in the three mileage wheels, incremental pulse signals with the phase difference of 90 degrees are transmitted to the FPGA in a differential mode, the pulse signals of the three mileage wheels are utilized, a mileage wheel pulse averaging algorithm is adopted to calculate the speed of the detector, three-axis acceleration signals are simultaneously collected to compensate mileage data, and the anti-interference capability and the measurement precision of the mileage positioning system are improved. The RS485 communication with the inner detector is adopted, data are rapidly transmitted to the inner detector in real time to be stored, and accurate positioning of the defect or geometric deformation position is achieved.)

一种管道内检测里程***及里程定位采集方法

技术领域

本发明涉及一种管道内检测里程***及里程定位采集方法，属于管道内检测领域。

背景技术

长输管道由于暴露在各种复杂、恶劣的环境状况中容易产生裂纹、腐蚀、管壁变薄等现象，给管道的正常运行带来重大的安全隐患。因此，需要对长输管道进行内检测和缺陷定位，最大化降低管道泄漏事故发生的概率，为长输管道的安全运行提供技术保障。

管道内检测利用漏磁内检测器或变形内检测器检测管道内、外壁的金属腐蚀缺陷和几何变形，并利用里程轮定位缺陷或几何变形在管道中的位置。由于内检测器在通过弯头时，里程轮会不能很好的接触管壁，出现打滑，造成里程定位不准确。因此，设计一种抗干扰能力强、实时检测、精度高的里程定位系统，能够为长输管道腐蚀检测、精确定位和安全运行提供重要的技术保障。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种管道内检测里程***及里程定位采集方法，实现缺陷或几何变形位置在管道中精确定位。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种管道内检测里程***，里程***放置于管道内检测器内，通过RS485与管道内检测器通讯，其特征在于：包括FPGA芯片模块，所述FPGA芯片模块分别连接三轴加速度传感器，用于采集管道内检测器的加速度信号以补偿里程数据；

霍尔角度传感器，用于将里程轮转动产生的磁场变化转化成增量脉冲信号送入FPGA芯片模块，用以记录内检测器里程；

两块SPI Flash芯片模块，SPI Flash芯片模块一用于存储测得的里程数据、三轴加速度传感器数据；SPI Flash芯片模块二用于FPGA芯片模块程序存储；

两块RS485接口芯片模块，RS485接口芯片模块一用于将行驶里程和GPS时间传输给外部内检测器以同步管道缺陷或几何变形、行驶里程和GPS时间；RS485接口芯片模块二用于接收外部GPS授时器的授时信号，以同步系统时钟。

晶振，用于为FPGA芯片模块提供时钟信号；

温补晶振，用于基于GPS授时信号提供带温度补偿的稳定的GPS时钟；

电源管理模块，用于提供FPGA芯片模块所需的电源。

优选地，所述三轴加速度传感器通过ADC转换模块与FPGA芯片模块通信连接。

优选地，所述霍尔角度传感器分别安装在三个里程轮内。

优选地，所述霍尔角度传感器通过电平转换模块与FPGA芯片模块连接。

本发明还提供了一种管道内检测里程定位采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在地面设置标记盒，对管道分段以进行地理坐标定位，当内检测器通过地面标记盒下方时，将发送信号给地面标记盒，标记盒记录内检测器通过的GPS时间和位置信息；

(2)在管道内检测之前，利用外部GPS授时器，分别将GPS时钟授予内检测器和里程***，用于同步系统时钟，里程***根据内部的温补晶振，计算其在管道中的时间；

(3)里程***采用里程轮脉冲均分算法，选取三个里程轮脉冲的平均值来计算内检测器的速度；

(4)里程***采集三轴加速度信号，以判断内检测器的加速度；

(5)里程***采用下述方法计算内检测器在一定时间内的行驶里程：

当内检测器管道内部两侧压差保持不变的情况下，内检测器的行驶速度保持不变，为初始速度为v₀，内检测器在时间t时的行驶里程为：

由于管道内部介质的速度受到管道变形、弯头和压差变化等因素影响，内检测器在管道内的速度经常发生变化，设在0时刻内检测器的初始速度为v₀，在t时刻内检测器的加速度为a(t)，则在t时刻的速度为：

则内检测器的行驶里程为：

(6)里程***将里程和对应的时间通过RS485接口芯片模块一传输给内检测器；

(7)内检测器利用GPS时间同步检测到的管道缺陷或几何变形值、行驶里程和GPS时间；

(8)内检测器实时读取激光陀螺仪的数据并进行存储；

(9)管道内检测完成后，将内检测器的缺陷或几何变形信息，里程***采集到的里程和时间，激光陀螺仪数据导入PC机；

(10)将每个地面标记盒记录到内检测器通过的GPS时间和位置信息导入PC机；

(11)PC机利用内检测器的缺陷或几何变形信息，里程***采集到的里程和时间，地面标记盒记录到内检测器通过的GPS时间和位置信息，激光陀螺仪数据，离线计算管道的缺陷或几何变形在管道中的精确位置。

优选地，所述三轴加速度传感器将采集到的加速度信号经过ADC转换模块转换后通过FPGA芯片模块存储进SPI Flash芯片模块一。

优选地，所述霍尔角度传感器的增量脉冲信号以相位差为90°电子角的系列方波脉冲，采用差分方式进行传输，并通过FPGA芯片模块存储进SPI Flash芯片模块一。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将三个霍尔角度传感器分别安装在三个里程轮内，以相位差为90°电子角的增量脉冲信号采用差分方式传输给FPGA，利用三个里程轮的脉冲信号，采用里程轮脉冲均分算法，以计算检测器的速度，同时采集三轴加速度信号，对里程数据进行补偿，提高了里程定位系统的抗干扰能力和测量精度。通过RS485与内检测器进行通讯，快速实时的将数据传输给内检测器进行存储，实现缺陷或几何变形位置的精确定位。

附图说明

图1为本发明一种管道内检测里程***模块示意图；

图2为霍尔角度传感器增量脉冲输出协议图，其中横轴表示位置，纵轴表示脉冲信号；

图3为霍尔角度传感器接口电路图；

图4为三轴加速度传感器接口电路图；

图5为ADC转换模块接口电路图；

图6为管道内检测里程***与内检测器的连接图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明一种管道内检测里程***放置于管道内检测器内，通过RS485与管道内检测器通讯，包括一块FPGA芯片模块、一块三轴加速度传感器、三块霍尔角度传感器、两块SPI Flash芯片模块、两块RS485接口芯片模块、一块晶振、一块温补晶振、一块ADC转换模块、一块电平转换模块和一块电源管理模块。其中晶振频率为100MHz，温补晶振频率为10MHz。FPGA芯片模块分别连接三轴加速度传感器、ADC转换模块、电平转换模块、两块SPIFlash芯片模块、两块RS485接口芯片模块、晶振模块、温补晶振模块和电源管理模块。三轴加速度传感器通过ADC转换模块与FPGA芯片模块连接，霍尔角度传感器通过电平转换模块与FPGA芯片模块连接，如图1所示。

FPGA芯片模块采用Spartan-6XC6SLX45 FGPA，用于实现里程定位数据采集。SPIFlash芯片模块一用于存储测得的里程数据和三轴加速度传感器数据。SPI Flash芯片模块二用于FPGA芯片模块的程序存储。RS485接口芯片模块一用于将行驶里程和GPS时间传输给外部内检测器以同步管道缺陷或几何变形、行驶里程和GPS时间。RS485接口芯片模块二用于接收GPS授时信号，以同步时钟。晶振频率为100MHz，用于为FPGA芯片提供时钟信号。温补晶振用于基于GPS授时信号提供带温度补偿的稳定的GPS时钟。电源管理模块用于为FPGA芯片模块提供+1.8V、+1.2V、+3.3V和+5V电源。

霍尔角度传感器选用CONTELEC公司的Vert-X 31E角度传感器，用于里程轮脉冲信号采集。霍尔角度传感器采用三个，安装在三个不同里程轮内部。Vert-X31E传感器具有无机械磨损磁场感应测量、增量脉冲输出、360°量程、IP67防护等级、14位分辨率和独立线性<±0.5％的特点。该传感器由磁块和传感器两部分组成，里程轮的转动轴上安装磁块，里程轮转动造成磁场方向变化，位置信息通过计算自某个原点开始的每一个增量值(步距数)得出实时的数字量角度信号，每转动128个脉冲为一圈。图2为Vert-X 31E增量脉冲输出协议，其中u为参考脉冲。增量信号以相位差为90°电子角的系列方波脉冲信号U_A和U_B进行传输。增量信号U_A和U_B的两个相邻沿间的距离为一个测量步距。为了保证信号能以差分方式输出，提高传感器的抗干扰能力，传感器还输出增量信号的反相信号U_A-和U_B-。图3为VERT-X31E接口电路,U9为VERT-X31E传感器，传感器输出为5V电平，而FPGA I/O接口电平为3.3V，图中U6采用TI公司的LSF0108实现3.3V到5V电平的转换。LSF0108是一种双向电压转换，而且无需使用DIR引脚，最高支持100MHz的电平转换速度。

三轴加速度传感器采样飞思卡尔公司的高精度的模拟三轴加速度传感器MMA7361。由于内检测器在管道内运行时会出现前倾、后倾、左倾和右倾等姿态，影响里程定位。因此，采用MMA7361实时检测加速度值以校准里程信息。MMA7361具有1.5g和6g两种量程，可以根据内检测器的运动方向改变输出信号的电压值，其核心算法是建立输出电压和加速度之间的函数映射关系。图4为MMA7361接口电路，图中U4为MMA7361传感器。根据管道内检测器实际运行情况，将g-SELECT引脚设置为高电平，即选择6g模式，其对应的灵敏度为206mv/g。在正常工作状态下，ACC_SLEEP信号为高电平。同时启动SELF Test模式，芯片在工作之前先完成内部自检。各轴的信号在不运动(0g)时，其输出为1.65V。如果沿着某一个方向运动，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。

以X轴为例，其所受的加速度和输出电压的对应关系如下：

其中，ADC_ACCX为ADC采样得到的二进制数，14为ADC的分辨率，V_REF为ADC参考电压，V_ZERO为检测器不运动的状态下(0g)的ADC采样值，gRange为6g。利用ADC转换模块读取此输出信号，就可以检测其运动和方向。

ADC转换模块采样采用ADI公司的14位SAR型ADCAD7949，用于采集三轴加速度信号。它的典型偏移误差为±0.5LSB，积分非线性为±0.5LSB，输出信号的信噪比为85.5dB。ADC的电压基准VREF选为2.5V，ADC采用SPI总线与FPGA通讯。图5为AD7949的接口电路，U1为AD7949芯片。

图6为本发明提供的管道内检测里程***与内检测器的连接图。其中，内检测里程***通过RS485接口模块一连接内检测器，内检测器的另一个RS485接口连接激光陀螺仪，内检测器通过USB接口将内检测完成后的数据导入PC机，地面标记盒通过串口连接PC机。

本发明还提供了一种管道内检测里程定位采集方法，包括如下步骤：

(1)在地面设置标记盒，对管道分段以进行地理坐标定位，当内检测器通过地面标记盒下方时，将发送信号给地面标记盒，标记盒记录内检测器通过的GPS时间和位置信息；

(2)在管道内检测之前，利用外部GPS授时器，分别将GPS时钟授予内检测器和里程***，用于同步系统时钟，里程***根据内部的10MHz温补晶振，计算其在管道中的时间；

(3)里程***采用里程轮脉冲均分算法，选取3个里程轮脉冲的平均值来计算内检测器的速度；

(4)里程***采集三轴加速度信号，以判断内检测器的加速度；

(5)里程***采用下述方法计算内检测器在一定时间内的行驶里程：

当内检测器管道内部两侧压差保持不变的情况下，内检测器的行驶速度保持不变，为初始速度为v₀，内检测器在时间t时的行驶里程为：

由于管道内部介质的速度受到管道变形、弯头和压差变化等因素的影响，内检测器在管道内的速度经常发生变化，设在0时刻内检测器的初始速度为v₀，在t时刻内检测器的加速度为a(t)，则在t时刻的速度为：

则内检测器的行驶里程为：

(6)里程***将里程和对应的时间通过RS485接口传输给内检测器；

(7)内检测器利用GPS时间同步检测到的管道缺陷或几何变形值、行驶里程和GPS时间；

(8)内检测器实时读取激光陀螺仪的数据并进行存储；

(9)管道内检测完成后，将内检测器的缺陷或几何变形信息，里程***采集到的里程和时间，激光陀螺仪数据导入PC机；

(10)将每个地面标记盒记录到内检测器通过的GPS时间和位置信息导入PC机；

(11)PC机利用内检测器的缺陷或几何变形信息，里程***采集到的里程和时间，地面标记盒记录到内检测器通过的GPS时间和位置信息，激光陀螺仪数据，离线计算管道的缺陷或几何变形在管道中的精确位置。