本实用新型属于管道检测技术领域，涉及一种针对长距离、全管线、地埋式供水管道的管内状态参数检测设备，具体是一种管道状态检测器。
背景技术：
地下管网是现代城市必备的基础设施，管道事故给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的威胁。管道受输送工况、地理环境、气候变化、建筑施工以及人为破坏的影响，并且随着使用年限的增加，会逐渐出现焊缝开裂、腐蚀穿孔等现象，从而形成泄漏或气囊。因此，管道的腐蚀、裂纹等缺陷以及由缺陷引起的泄漏或气囊的及时发现与定位具有重要的现实意义。
基于传统负压波法和流量平衡法的泄漏检测技术能够检测到处于两个检测点之间的自来水管道泄漏点，然而，对于泄漏点精确定位尚未很好解决，并且当两个检测点之间存在多个泄漏点或气囊时，上述检测技术就无法精确辨识这些泄漏点或气囊。鉴于传统检测技术只能有效检测到较大泄漏，对于微小泄露无能为力，而后者的损失已经不可忽视，同时传统检测技术的错报误报概率较大，长期对较长管线的监测成本巨大，难以有效实施。基于磁通、涡流等技术的管内检测法是具有较高准确度的管道检测方法，其通过装有无损检测设备以及相应的数据采集、处理和存储系统的智能清管器在管道中运行，对管体进行逐级扫描，实现管道缺陷检测。该方法检测精度较高，缺点是检测不同直径管道时需要更换相应直径的管道检测器，检测成本较高，另外该方法所用装置体积较大，操作略显不便。
管道在泄漏发生时会产生声音和振动，因此，将传统高精度的传感器放置于管道内，并让其可以在管道内自由运动，这样不仅可以获得更加精确的检测结果，还可以降低检测费用，实现巨大的经济效益，降低损失。
现有技术中，专利CN201110402319.3，其通过在一个外径100mm、壁厚8mm铝球壳内放置声音传感器在输油管道内滚动以达到检测输油管道泄漏的目的。然而，城市供水管道内水压一般在0.15MPa～0.35MPa之间，远小于输油管道内压力，其产生的泄漏噪声特别是微小泄漏噪声强度比较弱，因此检测器的外壳壁厚、壳体结构设计以及敏感参数选择将对泄漏信号的获取具有重要影响。另外，城市供水管道分叉较多，管道内检测器须具有实时跟踪定位功能。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种管道状态检测器，采用带有声音振动谐振腔的载体，利用载体内部搭载的高灵敏度振动传感器探测管道内部泄露产生的声音振动信号，利用载体内部的加速度传感器和角速度传感器来计算载体移动距离和泄漏点位置，采用GPS/北斗卫星时间与高精度晶振相结合的时间同步超声波定位测距方案来实现对管道内检测载体的实时定位。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：
一种管道状态检测器，包括圆球形金属外壳，所述金属外壳包括相互配合的上壳体和下壳体，所述上壳体利用壳体和壳内圆柱形空间形成声音振动谐振腔，所述声音振动谐振腔周侧圆周分别有四个台阶式结构，所述台阶式结构的上层安装固定主控电路板，所述台阶式结构的下层安装固定采集电路板。
进一步地，所述下壳体底部设有电池槽，所述电池槽两侧设有用于安装固定电池卡条的卡孔。
进一步地，所述下壳体周侧设有用于安装防水橡胶圈的密封槽。
进一步地，所述主控电路板包括为主控制器芯片，所述采集电路板包括三轴加速度计、角速度计、磁力计、麦克风、压力计以及温度计。
进一步地，所述三轴加速度计、角速度计、磁力计均连接主控制芯片。
进一步地，所述麦克风、压力计和温度计分别通过一个放大滤波电路连接ADC模块，所述ADC模块连接主控制器芯片。
进一步地，所述主控制芯片连接超声波发生器。
进一步地，所述主控制芯片连接GPS/北斗授时模块。
进一步地，所述主控制芯片连接数据存储卡。
本实用新型的有益效果：本实用新型提供的管道状态检测器，根据供水管道泄漏噪声振动数据的时频特征，采用带有声音振动谐振腔的球形检测器，检测器内部放置有电路板，搭载了GPS/北斗授时模块、高精度定时晶振、超声波发生器、三轴加速度计、角速度计以及麦克风等部件，检测器随管内液体输运介质的流动而移动，管道泄漏产生的声音振动信号经过检测器内的声音振动谐振腔而产生振荡信号，通过麦克风采集捕获此振荡信号，实现管道泄漏的检测，利用检测器内部的三轴加速度计和角速度计，获取检测器移动距离和泄漏点位置，通过超声波发生器进行超声波脉冲信号发送，采用GPS/北斗授时模块进行系统初始授时，结合高精度定时晶振，实现时间同步从而进行超声波定位测距，既可对检测器移动距离和泄漏点位置进行修正，也可以实现检测器自身的实时跟踪定位。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。
图1是本实用新型金属外壳上壳体的结构示意图。
图2是本实用新型金属外壳下壳体的结构示意图。
图3是本实用新型的系统示意图。
图4是本实用新型主控制芯片工作流程图。
图5是本实用新型GPS/北斗授时模块工作流程图。
图6为本实用新型管道状态参数采集流程图。
图7是本实用新型检测器运行状态信息采集流程图。
图8是本实用新型超声波发生器工作流程图。
图9是本实用新型数据存储卡工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1-2所示，本实用新型提供了一种管道状态检测器，包括圆球形金属外壳，金属外壳材料采用铝合金，金属外壳内径为65mm，壁厚为1.5mm。
金属外壳分为上、下半球进行设计，包括相互配合的上壳体和下壳体，上壳体利用壳体和壳内圆柱形空间形成声音振动谐振腔801，用以对管道内微小泄漏声音振动信号进行捕获。声音振动谐振腔801周侧圆周分别有四个台阶式结构802，台阶式结构802用来固定检测器载体内部电路板，其中台阶式结构802的上层安装固定主控电路板，台阶式结构802的下层安装固定采集电路板。台阶式结构802上设有安装螺纹孔804，分别通过螺栓对主控电路板和采集电路板进行安装固定。
下壳体底部设有电池槽901，用来放置给主控电路板和采集电路板供电的电池。电池槽901两侧设有用于安装固定电池卡条的卡孔904。下壳体周侧设有用于安装防水橡胶圈的密封槽902。
上壳体和下壳体之间通过螺栓连接固定，上壳体上设有第一固定螺孔803，下壳体上设有第二固定螺孔903。
其中，主控电路板包括为主控制器芯片101、放大滤波电路108、ADC模块109、数据存储卡110、GPS/北斗授时模块111以及超声波发生器112，采集电路板包括三轴加速度计102、角速度计103、磁力计104、麦克风105、压力计106以及温度计107。
如图3所示，三轴加速度计102通过I2C总线连接主控制芯片101，角速度计103、磁力计104均通过SPI接口连接主控制芯片101，其中，三轴加速度计102和磁力计104选用ST公司的LSM303DLHC型芯片，该芯片可同时采集加速度和磁场强度数据，角速度计103选用ST公司I3G4250D型芯片，该芯片为MEMS型传感器。
三轴加速度计102、角速度计103和磁力计104分别采集检测器在管道中的运行状态信息和磁力状态信息，并输出到主控制芯片101，主控制芯片101结合速度位移积分法和旋转次数记录法，实现计算检测器在管道内部移动距离和位置信息。
其中，速度位移积分法通过对三轴加速度进行积分得到速度，再对速度进行积分，对积分值进行初始位置修正即可得到检测器在管道内的位移。旋转次数记录法的实现过程为分别对三轴加速度信息和角速度信息的峰值进行检测，总共得到六个峰值数值，去除最大值和最小值，对剩下四个值进行均值计算，所得结果计算即为检测器在管道内的滚动次数，根据在固定时间段内检测器的滚动次数计算平均滚动周期，根据检测器滚动周长L和平均滚动周期T计算周期内平均速度V＝L/T，根据检测器在管道内总的滚动圈数，即可得检测器在管道内移动距离。
麦克风105、压力计106和温度计107分别通过一个放大滤波电路108连接ADC模块109，麦克风105、压力计106和温度计107分别采集检测器所经管道之处管内噪声、管内压力和管内温度的模拟信号，并经过放大滤波电路108进行放大滤波处理后输出到ADC模块109，ADC模块109通过串口/并口连接主控制器芯片101，把管内噪声、管内压力和管内温度等模拟信号转化为数字信号，通过串口或并口等数字接口传输给主控制器芯片101，主控制器芯片101根据管内噪声、管内压力和管内温度数据，对管道状态进行判断，找到管道的泄露点。
主控制芯片101采用高性能32位微处理器，负责检测器中各功能模块的通信和控制，数据的采集和处理，在检测器在运行过程中，主控制芯片101需要并行处理多个任务，包括从多个传感器采集数据，获取实时时间，数据储存等，为了提高并行任务的效率，使用实时操作系统。
主控制芯片101通过驱动电路连接超声波发生器112，控制超声波发生器112发射超声波脉冲信号，驱动电路由三极管开关和升压器组成，通过PWM信号控制开关，发射超声波脉冲信号。超声波发生器112在检测器行进过程中以固定时间间隔优选2-5秒发出超声波脉冲信号，利用超声波接收器对超声波脉冲信号进行接收，超声波发生器112所发送超声波脉冲信号的时间点可以预先设定，对于超声波接收器来说其值是已知的，而且超声波接收器和超声波发生器112已被同步成GPS/北斗导航时间，超声波接收器和超声波发生器112各自利用同款高精度晶振113实现运行过程中时间持续同步，结合超声波接收器所接收到超声波脉冲信号时间和超声波发生器112所发射超声波脉冲信号的时间即可得到收发时间差，根据此时间差结合超声波在水中的传播速度来计算检测器的位置信息和速度信息，实现检测器的超声波定位功能，对主控制芯片101计算的检测器移动距离和位置进行修正。
主控制芯片101通过IO接口连接数据存储卡110，数据存储卡110选用大容量SD卡，优选8GB，UHS Class1或更高，最低写入速度10M/s。主控制芯片101对数据存储卡110进行自检和初始化，主控制芯片101加载FATFS文件系统，接收各个传感器持续采集的数据，进行缓存，缓存区分为A、B两个区，当一个区写满后，自动切换到另一个缓存区，将存满的缓存区数据以文件形式写入数据存储卡110中，然后清空该缓存区。
主控制芯片101通过UART接口连接GPS/北斗授时模块111，实现检测器与超声波接收器之间的时间同步。主控制芯片101从GPS/北斗授时模块111获取卫星时钟，对检测器和超声波接收器进行时钟初始化。GPS/北斗授时模块111选用SKYLAB公司的SKG12DT北斗单模卫星授时模块，可提供高达±15ns的授时精度，以及-165dBm的高灵敏度，GPS/北斗授时模块111上电后获取卫星时钟，待时钟稳定后开始输出时钟信息，主控制芯片101获取时钟信息后完成时钟初始化，初始化结束后主控制芯片101发送指令将GPS/北斗授时模块111设置为待机模式以降低功耗。
如图4-9所示，本实用新型的具体工作过程如下：
检测器上电后，主控制芯片首先加载实时操作系统，然后对三轴加速度计、角速度计、磁力计、麦克风、压力计、温度计以及数据存储卡进行自检。自检结束后，启动GPS/北斗授时模块获取卫星时钟，对检测器和超声波接收器进行时钟初始化，利用同款同型的高精度晶振保证检测器和超声波接收器之间保持严格的时钟同步，从而能够使用同一时间轴对数据进行处理分析。
检测器在管道里运行过程中，三轴加速度计、角速度计和磁力计间隔采集检测器的运行状态信息和磁力状态信息，主控制芯片采用速度位移积分法和旋转次数记录法，计算检测器在管道内部移动距离和位置信息，同时，判断检测器的实时姿态。麦克风连续采集管内噪声数据，用于对管道状态进行判断，并根据主控制芯片计算的检测器在管道内部移动距离和位置信息，确定管道的泄露点，压力计和温度计连续采集管道管内压力和管内温度数据，用以对管道状态进行辅助判断。
当系统时钟为整秒T时，根据检测器的实时姿态，当检测器中心面与水平面交角小于10°时，启动超声波发生器，连续发射5个超声波脉冲信号，频率为40KHz，间隔为2-5秒。超声波接收器在T+Δt时刻接收到超声波脉冲信号。超声波接收器布置间隔不超过1千米，超声波在水中的传播速率约为1400m/s，因此超声波接收器接收到脉冲的时间差Δt小于1s，根据接收时间差计算检测器和超声波接收器的直线距离，对主控制芯片计算的检测器移动距离和位置进行修正。
检测器在工作工程中，各个传感器持续的采集数据并发送到主控制芯片，主控制器进行缓存后，缓存区分为A、B两个区，当一个区写满后，自动切换到另一个缓存区，将存满的缓存区数据以文件形式写入数据存储卡中，然后清空该缓存区。在数据采集的过程中重复以上操作。
本实用新型提供的管道状态检测器，根据供水管道泄漏噪声振动数据的时频特征，采用带有声音振动谐振腔的球形检测器，检测器内部放置有电路板，搭载了GPS/北斗授时模块、高精度定时晶振、超声波发生器、三轴加速度计、角速度计以及麦克风等部件，检测器随管内液体输运介质的流动而移动，管道泄漏产生的声音振动信号经过检测器内的声音振动谐振腔而产生振荡信号，通过麦克风采集捕获此振荡信号，实现管道泄漏的检测，利用检测器内部的三轴加速度计和角速度计，获取检测器移动距离和泄漏点位置，通过超声波发生器进行超声波脉冲信号发送，利用GPS/北斗授时模块进行系统初始授时，结合高精度定时晶振实现持续的时间同步，从而进行超声波定位测距，既可对检测器移动距离和泄漏点位置进行修正，也可以实现检测器自身的实时跟踪定位。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。