用于探测管道异常的探测器的制作方法

专利名称：用于探测管道异常的探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种探测器，用于探测输送液体的管道中的异常情 况。在本发明的优选实施例中，本发明涉及一种传感器单元，该传 感器单元能够在不干扰管道中所传输液体的情况下对液体输送管 道进行4企查。在一个实施例中，探测器查找液体从管道中漏出的液 体泄漏点的位置。在另一实施例中，探测器用在具有金属丝加固装 置的混凝土管道中并探测金属丝加固装置的腐蚀或损坏部分，或者 用在金属管道中并探测腐蚀和/或焊接失效。传感器单元还具有确定 其在管道内的位置的新颖方式。
背景技术：
使用声波探测器来探测管道中的泄漏点是公知的。例如，探测 器可以放置在检查口的下侧上，或者探测器可以沿悬挂于检查口之
间的电缆或沿能够顺着管子最下部延伸(trail)的电缆而i殳置，如 Paulson加拿大专利第2，273，979中所示。这种探测器可以纟笨测到由 金属丝加固混凝土管道中的断裂金属丝加固装置而造成的声音，或 者可以#罙测到/人金属或混凝土管道中的泄漏点漏出的液体的声音。
公知的是，使用称为"检测机器人(pig)"的装置来检查小直 径管道，尤其是输油管道，该装置充满管道并通过油压而沿管道推 进。可以使用这种4企查来定位泄漏点，并检查相邻管子长度之间的 焊缝。
用中密度无纟苋4专感器(neutral density untethered sensor )来4企查 管道也是公知的，该传感器通过管道中的液体来推进，诸如PCT 7/^开出片反物WO 2004/059274中所示。 <旦是，只,以确定这种传感器 在管道内的位置，并且该传感器会在管道内被截留。此外，这种传 感器单元利用电磁来进行通信，这阻止了该传感器单元使用磁性传 感器(诸如磁力计)来感测管道状态。
如果管道足够大(例如，将水供给市民的大混凝土管或大的下 水管)，则可以将管子排空并且人员可以实施人工检查。在排空的 管道中，还公知的一些类型的检查是，使用安装在轮式车等上的传 感器。例力口，参见Paulson的美国专利6,781,369。

发明内容
本发明提供了一种独立的传感器单元，该传感器单元在管道丰# 送液体的同时净皮从一个人孔或4企测口处释》文到管道内。该传感器单 元随着液体的流动而4于进，并且在下游的4企测口处或可以方便进入
管道的其它位置处#:收回。该传感器单元包括作为传感器的至少一 个磁力计或加速计。在优选实施例中，该传感器单元包括正交设置 的三个磁力计。
本发明的传感器单元的横截面小于管道的横截面，并且不会妨 碍液体在管道中的流动。反之，其随着这种流动而4亍进。因此，该 传感器不会形成显著的背压或妨碍液体在管道中的流动。进 一 步， 可以将该传感器^f故得足够小，以用在对于人来i兌太小而不能进入且 因此不可能由工人进行检测的管道中。
传感器单元(其包括传感器、辅助设备、以及保护性外部结构 内的电池)通常是j求形的。在一个实施例中，其是j求形的，例如给 出了网球的形状。在另一形式中，其具有略长的轴，给出了美式或
加拿大式足球或者英式橄榄球中所使用的球的形状(以下称为椭J求 体)。传感器单元的优选形式为从球形(所有的轴都相等)到椭球
体形状(其中一个轴(以下称为"主轴")比其它两个轴长大约30%, 而其它两个库由相等)的范围。
在一个优选实施例中，传感器单元具有不可压缩的内部组件， 优选地为圓柱形或球形的，其包括一个或多个传感器、记录介质及 其电源(例如，电池)。在该4皮露中其^皮称为"传感器组件"。该传 感器组件包含在外部J求状单元(以下^皮称为"J求")内。该传感器 组件和J求单元一起构成本发明的传感器单元。
在一个优选实施例中，传感器单元趋向于沿着管道底部滚动， 如同 一个3求沿着地面滚动，其中用于其滚动运动的原动力由管道中 流动的液体给出。为使传感器单元停留在管道底部，其整体密度大 于管道所填充的液体的密度。
在另一实施例中，传感器单元所具有的整体密度小于管道中液 体的密度，并且趋向于沿着管道内的上表面滚动。在多个管道中， 具有沿着管道上表面而"i殳置的入口。因此，当4吏用该实施例时，应 该设定传感器单元的尺寸，以便使其具有比任一这种阀或入口 (位 于将其放入管道中的位置与将其移除的位置之间)更大的横截面， 以防止所述阀或入口^皮堵塞。
在一种优选形式中，传感器单元是球形的，4象网球或英式足球。 如果是球形的，则传感器单元的直径优选地小于待使用该传感器单 元的管道直径的一半。这允许其经过诸如开启式蝶阀的沿着水平直 径将管子一分为二的物体的下方。传感器单元的直径应该也足够 大，以便传感器单元可以很容易地从小障碍物(诸如管道壁中的两 个管萃殳结合的不连续处)上滚过，从而即使在管子向上倾斜时水的 拖戈也使其继续向上滚动。传感器单元的滚动作用为传感器单元增
加了角动量。该角动量可以有助于4吏该J求越过卞者如底部4非水口的障 碍物并使其不易受障碍物截留。此外，由于该球经过管子的底部中 心，所以可以毫无困难地经过进入结合管的微小流出(该樣史小流出 通常在侧部上而不是从底部处离开管子)。在多数情况下，传感器
单元的直径应该大于管道直径的约1/10,以〗更其p及收足够的角动
量，但这在一定程度上取决于障碍物的类型以及管子是否沿流动方 向向上，页杀+。
考虑到这些因素，球形传感器单元的优选直径为待z使用该传感
器单元的管道的直径的约1/4至约1/3。但是，对于特定管道而言， 此范围之外的球形传感器也是可行的。
在另一优选形式中，传感器单元为椭球体，其长轴略长于与之 正交的其它两个轴，从而具有类似于橄榄球或美式足球的形状。如 果这种形状的传感器单元的密度相对于管道中液体的密度大得足 以使其停留在管道底部上，则该传感器单元^皮管道中的液体推动 时，其趋向于沿着管道的底部滚动，其中其长轴垂直于管道的中心 线。类似地，如果椭球体传感器单元的密度小于管道中液体的密度， 则其趋向于沿着管道内侧的顶部滚动，且其长轴垂直于管道的中心 线。这使得该传感器单元不可能进入横截面小于其长轴的入口中并 成为堵塞。
通常，椭圓体球将优选地具有d、于待使用该球的管道直径的一 半的长轴，并且优选地在管道直径的1/3与1/4之间。4旦是，取决 于管道的性质，具有更小或更大长轴的传感器单元的使用也可以是 适宜的。
在优选的实施例中，围绕传感器组件的球由容易压缩的泡沫材 料制成，诸如低密度开孔型(open cell)或网状聚氨酯泡沫材料。 网状泡沫材料不具有开孔，而只具有形成泡沫的基体(matrix)。网
状泡沫材料尤其是优选的，这是因为当浸入到流过管道的液体中时 其比较不太可能保留空气。小于每立方英尺五磅的泡沫材料密度是 适当的，但小于一磅/立方英尺的密度是优选的。泡沫材料保护传感 器组件免受损坏，并赋予传感器单元期望的球状。当沿着管道内壁 滚动时，其还产生比单独使用传感器组件更小的噪音。
该实施例的泡沫材料可以-故紧密地压缩在用于插入到管道内 的传感器组件的周围，从而可使传感器单元穿过入口，其中，所述 入口小于当传感器单元被膨胀到其完整球状或椭球体形状时的大
小。 一旦传感器单元位于管道内，则泡沫材料的压力解除，并且传 感器单元恢复其完整尺寸和形状。当^皮压缩时，该形4犬可以4妄近椭 球体并且具有这样的直径，即该直径使得能够通过推动传感器单元 穿过阀或检查口而将传感器单元插入，其中阀或检查口小于完整膨 胀的球状或椭球体形状的传感器单元的直径。
不同外径的多个球，或者椭球体形状的 一 些球以及5求状的 一 些
具有不同类型传感器(如以下所描述)的传感器组件。因此，通过 选择用于待进行作业的适当传感器组件并使之与用于此管道中的
适当尺寸的球匹配，就可以制造用于任一管道中的传感器单元以进 4亍测量，乂人而形成最优的传感器单元。
在可替换的实施例中，球由向外偏压以形成球状的肋构成，并 且这些肋被通过该肋延展成球状的柔性塑料或织物覆盖物所覆盖。 在该实施例中，管道中的液体可以经由穿过可渗入液体的织物覆盖 物或经由进入穿过不可渗透覆盖物中的适当孔而进入王求内部，乂人而 球的内部(除了传感器组件所占据的部分之外)充满与装载于管道 中的液体相同的液体。在该实施例中，传感器组件优选i也是圆柱形。
相对于装载于管道中的液体的密度而选择传感器单元的整体 密度。根据用途，所选择的密度可以小于管道中液体的密度，或者 大于液体密度。如果传感器单元的密度大于管道中液体的密度，则 传感器单元将趋于沿着构成管道的管段的最下部滚动。如果传感器 单元的密度小于液体的密度，并且管道内充满液体，则传感器单元 沿着管段的上部滚动。
因此，调整传感器单元的密度使得能够在管道的上部上或者在 管道的下部上进行最具体的才企查。也可以使用多于一个的传感器单 元来检查。在这种检查中，例如一个传感器单元的密度可以小于液 体的密度，以便收集来自构成管道的管段的上部的数据，并且一个 传感器单元的密度可以大于液体的密度，以便收集来自管道下部的 数据。
在考虑到待使用的传感器组件的球密度的情况下，达到期望密 度的 一种方法是，将一些重物包括在传感器组件内以达到期望的整 体密度。但是，在多数情况下，优选地是具有这样的传感器单元， 在该传感器单元中，密度可根据期望的特定用途而轻易改变。这在 球单元由泡沫材料制成时很容易实现，具体地是，通过制作一系列 不同密度的球单元，并通过将传感器组件放置在系列球单元中的一 个球单元内(该球单元将提供具有所期望密度的传感器单元)而实 现。尽管不是最优选的，但也可以由整体平均密度小于管道中液体 密度的材料来制造球单元和传感器组件，并可以在球或传感器组件 内设置适宜的重物，以使传感器球具有期望的密度。4是供可变密度 的另一个非最优选的方法是如下来制造J求单元，该^求单元与其传感 器组件一起构成具有比液体密度更大的密度的传感器单元，并且其 具有在需要时可以由更小密度的材料来替换的可移除部分。
可能出现的 一个问题是，使用泡沫材料的球所引起的浮力
(flotation)大小随着管道压力而改变，这是因为保持在球中的任何
空气被该压力压缩。为了消除该问题，泡沫材料的球优选地在刚要 插入管道内之前暴露于真空中，以将包围球的空气压力减小到小于
0.1 bar, JM尤选;也小于0.001 bar。这实际上除去了所有存在的空气， 并使得水完全充满了泡沫材料，尤其是在泡沫材料为网状泡沫材冲牛 时。这还提高了球的声音穿透性，使得通过传感器组件内的声音传 感器可以更好地探测微小的声音信号，这是因为泡沫中所截留的空 气将用来堵塞一些声波。暴露于真空的操作可以在正好将传感器单 元插入到管子之前在封闭室中实现。然后，使得传感器单元插入到 管子中的阀可以緩慢地打开，以允许水填充之前已抽空的室。这还 通过在同 一室中引入消毒剂而提供了对球消毒的机会。如果管道中 的液体是々欠用水，则球的消毒会是重要的考虑因素。
根据本发明的传感器组件包括至少 一 个传感器，该至少 一 个传 感器可以感测并记录传感器单元在其沿着管道内侧的底部或顶部 滚动时的转数(其中，"旋转一圈"表示球形单元沿着管子滚动一 个完整圆周时所行进的距离，或者椭球体单元充分滚动以围绕长轴 转动完整的360度时所行进的距离。感测和记录转数可以通过适当 的仪器来进行。例如，当转动具有重复形式的加速时，加速计将感 测每一次转动。可替换地，当磁力计的传感器在每一次转动期间接 近管壁并从管壁处离开时，磁力计将感测磁性变化。当传感器单元 为椭球体时，这种类型的单个仪器给出了良好的结果，尽管应该考
元为J求状时，单个》兹力计或加速计可以略樣t少一些地统计转数，这 是由于球体的转轴可能在短时间内与仪器不沿其进4亍感测的轴偶 然对齐。因此，优选地，该传感器单元具有^皮定向成沿不同角度方 向感测的至少两个加速计或》兹力计(即，沿感测方向具有除180度
之外的角度分隔)，并且当分析传感器输出时求解其ilr出的向量。
尤其优选地是具有正交i殳置的三个》兹力计或三个加速计，并且通过
在分析传感器输出时求解各自输出的向量而计算转数。典型地，在 从管道中移除传感器单元且将数据下载到计算机之后，由计算机进
行该分析。在Paulson的加拿大专利申请2,273,979中示出了三个正 交磁力计的设置。
该传感器组件还可以包括用于检查管道的任何适当的传感器。 例如，在一个实施例中，传感器组件包4舌诸如水听器的声音传感器 或诸如压电元件的压敏传感器或其它的声音或压力传感器。
对于特殊的感测需求，可以4吏用任何其它适当类型的传感器， 以满足特殊需求。例如，在需要获得液体温度的沿管道长度的温度 曲线时，可以使用温度传感器。在需要找到化学污染物进入管道的 位置时，可以^使用化学纟果测器。
该传感器组件还包括用于保存传感器读数的装置。通常，其为 记录元件，优选地为凄t字存々者器。优选的存4诸介质是诸如SD-Ram 卡的可移动存储设备。
该传感器组件还包括适当的供电装置，以向需要用电的那些传 感器以及记录装置供应电力。更方便地说，其为长寿命电池。根据 成本、性能和尺寸，不可充电的锂电池目前是优选的，^f旦也可以佳L 用才是供适当电压的任何其它电池或其它电源，以向传感器和记录装 置供电，并且可以存储足够的能量，以在预期的使用期间对这些装 置供电。
在一个实施例中，传感器组件记录^t据，并且当传感器单元在 下游点净皮收回时恢复凝:据，然后由适当的计算4几分析翁:据。
由任一传感器发现的异常(诸如由声音传感器发现的泄漏，或 由磁性传感器发现的腐蚀)可以通过记录当感测到异常时传感器单 元已经发生的转lt来确定其沿管道的位置。由于球的周长是已知 的，所以通过计算转^:并用J求周长来乘以转凄欠就可以知道4于进的速 度和距离。/磁力计优于加速计，因为》兹力计还i己录了管子4妄合点上 方的通路以及管道的其它特征部分附近的通路，诸如侧通路，这有 助于确定位置。
也可以使用其它装置来确定位置。如果液体沿着管道流动的速 度是已知的(例如，通过泵站记录或管道中的定常流传感器)并且 相对恒定，则/人传感器单元^皮释》文到管道中以随流体一起移动的时 刻与采集感兴趣凄t据的时刻之间的经过时间，可以估计出与所收集 的数据有关的位置。如果数据作为实际时间记录而记录，则时钟不 是必需的，尽管如果需要的话，可以为所收集的数据提供时钟轨迹 (跟踪)。如果凄t据;陂压缩，则优选地具有与凄l据记录在一起的时 钟轨迹。
在另一实施例中，声音标记沿着管道放置在已知位置，并JU吏 用记录声音数据的传感器组件。由传感器组件中的声音或压电传感 器所记录的来自这些标记的信号给出了对于球在管道中行进速度 的良好指示，以及数据记录中的传感器经过每个标记时的点。接着， 用于采集感兴趣凄t据的位置可以插入在已知位置(诸如^求位于管道 中的位置、标记的位置、以及从管道中移除球的位置)之间。优选 地，每个声音标记具有不同的信号，从而很容易将标记的信号彼此 区分开。可以对声音传感器记录中的传感器经过位置标记时的点进 行记录，并且通过对在异常信号之前刚刚经过的位置标记以及在该 信号之后经过的下一个位置标记进行记录并通过，l/没这两个位置 标记之间的传感器单元的速度是恒定的而分配连续信号以确定4立 置，可以确定已经*接收到异常信号的具体位置。为了确定-验证该速 度是否是恒定的，可以参考根据转数而行进的距离。
确定传感器在管道中位置的另一方法是，设置具有》兹性传感器 的传感器单元(优选地在多余一个的轴上感应)，并记录来自此f兹 性传感器的信号。在金属管道中，管段通过焊接点而结合，这将产 生当传感器单元经过焊*接点时会由》兹性传感器而注意到的》兹性异 常。在混凝土管道中，在每一管段的端部处存在套管接合设置，其 中， 一个管子的一部分(承口 )在另一管子(套管)上招、接一^^殳短 3巨离。由于混凝土管子通过在混凝土内缠绕的金属线而加固，所以 接合点将具有两个金属线缠绕叠加组(每个管子各提供一个)以及 仅存在于接合点处的套管接合结构，并且其还提供磁性异常。因此， 标定声音异常位置的人员可以参考管道结构的记录，以发现接合点 位于何处，并将所经过的接合点的数量(通过在经过接合点时呈现 的》兹性异常而得到)与传感器组件中的任一传感器所感测的任4可其 它异常互相联系来。因此，如果存在声音传感器并探测到声音异常 (诸如泄漏点)的话，则将来自磁性传感器的结果结合进来进行考
虑4吏得能够确定在一个管子长度内的泄漏点的位置。通过作i设沿该 管长度的恒定速度，可以按比例分配经过此管长度所花费的时间， 并以非常高的精度发现泄漏位置。
》兹性传感器也可以得到其它有用信息。例如，在混凝土管子中， 如果缠绕管子的金属线严重腐蚀或损坏，这会在非管段之间接合点 的位置处造成磁性异常。在焊接的金属管道中，如果焊接开始失效， 则磁性特征可能不同于完好的焊接的特征。因此，磁性传感器也可 以提供关于管子状态的有用信息，还提供用于任何声音异常的定位 功能。
在传感器组件包括磁性传感器的实施例中，具有区别信号的磁 性或电发射应答器可以沿管道位于已知位置处。这些位置将记录在 传感器单元经过这些位置时所进行的磁性记录中。
在特别优选的实施例中，存在正交设置的三个f兹性传感器。因 此，在发生不曾预料到的磁性异常时，例如，该,兹性异常不是在管 子4妾合点处遇到的常见^兹性异常时，则三个正交》兹性传感器将不同
i也i己录下i兹性异常。如果三个正交传感器的方向是已知的(例^口，
通过相对于向下方向而定位它们，如Paulson的C.RA.2,273,979中
所示)，则可以确定围绕管道周边的将#1记录为》兹性异常的位置。 这有助于为了例如通过带缆摄影机对其它性质进行后续4企测的目 的而对异常进^于定位。
当对于传感器单元存在多个可能的^各径时，可以通过选4奪性;l也
打开和关闭阀以引导液体流动来梯:纵路径，以〗吏传感器单元进入需
要检查的管子中。
在另一实施例中，传感器单元或球可以包括声音发射器或发射 应答器，来自该声音发射器或发射应答器的信号可以由沿着管道以 一定间隔设置(诸如在检查口处)的接收器或其它发射应答器拾取。 这允许远程操作人员跟踪传感器单元行进的轨迹。这些发射应答器
发射的频率高于可听范围，优选地频率在20 KHz以上，这是因为 较高的频率趋向于在管子中传播非常长的距离。以多于一个的频率 进行发射的或作为在某一范围上扫频的发射应答器的使用，使得可 以估计出传感器单元对表面探测器的接近度，这是因为更低的频率 将随着距离而更快速地削弱。因此，不同频率下信号幅值之间的比 例可以才是供4妻近度的指示，因而，随着时间的经过，可以提供是朝 向还是远离探测器的运动方向的指示。对于这种扫频脉冲的优选范 围在1 KHz至200 KHz之间。
该传感器单元优选地可以收缩形式插入到管道中。如果球是泡 沫材冲+的，则其围绕传感器组件而压缩。该传感器组件优选地为珅_ 状并且足够小，使得围绕该传感器组件而被挤压的球可以被推动穿 过才金查口或阀。例如，对于多个应用，优选地具有这才羊的传感器单 元，该传感器单元可以;波压缩乂人而可以^皮-惟动穿过4英寸(10 cm) 直径的^r查口。 一旦位于管道内部，则泡沫材冲+膨"长至传感器单元
的完整i殳计直径，从而该传感器单元对于水流具有4交大的阻力，4吏 得对于水来i兌更容易将其推至向上的斜面。
为了允i午泡沫材津+收缩，泡沫-求可以具有芯，该芯:故移除以在
其中形成更小的圓形或锥形孑L,例如每个具有1 cm至4 cm的直径。 这减小了待压缩的泡沫材料的需求量，但仍旧保持传感器单元的完 整直径。
如果球是具有可延展肋的实施例，则该J求被致动器推到管道 中，并且只于致动器施加进一步的压力，以〗吏肋延展，乂人而这些肋弹 成球状。
对于完整冲金查，可以期望在4交短的时间间隔内释方文多个传感器 单元。例如， 一个可以具有4吏其沿着管道底部5衮动的密度。例如， 第二个具有的密度可以小于管道的密度，从而其沿着管道内侧的顶
部滚动。如果存在任意人孔或其它进入口 (其中，传感器单元在行 进了为进行检查所需的设计距离之前可能升高并被截留在该人孔 或其它进出孔中)，或者如果存在传感器单元可能无法通过的从管 道顶部突出的凸起(诸如阀结构)的话，则不应该使用密度小于管 道中流体密度的传感器单元。
可以使用多个传感器单元的另一场合是，当第一传感器单元已
才果测到泄露并且泄露的位置已通过传感器单元行进所转过的转凄史
而被标示出时。于是，表面声音发射应答器或振动器可以放置在所
估计的泄露位置附近的表面上。然后释力文第二传感器单元，并乂人其
进行的记录中发现泄露位置以及发射应答器或振动器的位置。这使
得可以将泄露位置与表面发射应答器或振动器的位置进行比较，允 许非常精确地估计泄露位置。在这种情况下，低频率声音振动器的
〃使用是优选的，这是因为信号可以穿透地面覆盖物以及管壁。
在已行进期望的检查距离之后，提供用于收回传感器单元的装 置。在一简单实施例中，检查口在传感器接近它时被打开，使管道 液体(处于比大气高的压力下)流至大气环境中。这使得液体中的 传感器单元漏出管道并弹出。
但是，更优选地，设置有球捕获装置。用于泡沫材料球传感器 单元的优选球捕获装置是通过阀或检查口而插入到管道中的管子。 所插入的管子装有网，该网用来将传感器单元朝向所插入管子中的 孔而引导。开始，被插入的管子中的压力与管道中的压力相同。当 球邻近孔时，被插入的管子中的压力降低(例如通过将^皮插入管子 的另一端暴露于大气)。通过管道中的压力与被插入的管子内部的 较低压力之间的压力差，该球被吸到孔内。泡沫材料压缩以穿过孔 进入管子，从而球被挤压穿过孔并经由被插入的管子从管道中出 来。然后管子/人管道中-皮抽回，在其4亍进时折叠该网。
传感器单元捕获装置的另 一 实施例(其可以与具有泡沫球的传 感器单元或者与具有织物覆盖物和支撑肋的传感器单元一起使用) 是下降穿过人孔或阀开口的网，以在允许液体流过的同时堵住通过 至少一部分管道的物体的通^各。当已知传感器单元沿着管道底部滚 动(如果大于液体的密度)或沿着管道的顶部滚动(如果小于液体 的密度)时，则通常l又需要用网堵住底部(或顶部，若情况如此)。 然后通过网将传感器单元留住。*接着，通过梯J从网使其包围传感器 单元而可以收回传感器单元，然后通过人孔来去除网。
一旦传感器单元被收回，则读取由传感器进行的记录。声音、 磁性、温度和/或化学异常(取决于存在何种传感器)是相对于它们 沿管道的位置而^皮记录下来的。可以利用其它类型的传感器在那些 位置处进行进一步的4佥查，或可以4妄近那些位置处的管道的外部来 进行必要的修复工作。


下面将参照附图进一步描述本发明，附图中
图1示出了根据本发明的一种优选类型的探测器单元，该探测 器单元具有J求形的泡沫材并牛(foam)的外表面(exterior )。
图2示出了图l的变型，其中泡沫材料的外表面是椭球形的。
图3示出了将覆盖有泡沫材料的传感器单元插入到管道中的一 系列步骤，该管道以4黄截面示出。
图4示出了处于折叠形式的传感器单元的另一实施例，该传感 器单元具有肋(rib)和织物外表面。
图5示出了图4的处于展开形式的传感器单元。
图6a和图6b示出了将图4的实施例插入到管道中。
图7示出了传感器单元沿管道底部的通道。
图8A和图8B示出了图7的管道的横截面，其示出了传感器 单元(图8A中的球形传感器单元和图8B中的椭球形传感器单元) 是如何沿管道底部移动的。
图9示出了设置在管道中的具有两种不同密度的两个传感器单元。
图10示出了通过插入一网状物(net)而/人管道中移除传感器 单元的一种方法。
图11示出了通过使用^皮插入的回收管而乂人增压的管道中移除 传感器单元的优选方法。
图12示出了由磁性传感器记录的实际轨迹，其示出了传感器 单元沿着管道滚动时进行旋转所形成的轨迹。
这些附图是示意性的且未按比例示出。
具体实施例方式
图1示出了才艮据本发明的传感器单元的一个优选实施例，该实 施例以局部分解的形式^皮示出。局部分解的传感器单元(传感器组 件加上J求单元)在图中以50表示。传感器组件100由具有一定刚 性的材料制成，诸如硬质塑料。如果待^皮设置在传感器组件内的传 感器使得金属组件不会影响其对外部刺激的灵敏度的话，该传感器 组件也可以是金属或其它材料的。
在示出的实施例中，传感器《且件具有两个半^求壳102和104。 半球壳104具有装配于半球壳102下方的且由螺钉108保持在适当 位置中的边缘(lip) 106。很显然，可以使用用于封闭传感器组件 并使其保持封闭的其它装置。
电路板110位于传感器组件内。该电路板上设置有适当的电路， 以连4妄传感器組件的传感器、电源、记录元件、时钟以及任何其它 元件。很显然，除了电路板之外，可以使用单独的连接，但这较麻 烦且不是优选的。
一个或多个传感器(以112、 114、 116和118示意性示出)安 装在电鴻4反上。例如，可以是声音传感器、 一个或多个f兹力计和/ 或一个或多个压力传感元4牛，或温度i己录元4牛。4口果存在石兹力计，
则优选地具有4皮此正交定向的三个》兹力计。这在图1中示意性示出，
其中传感器112、 114和116是彼此正交的》兹力计。传感器118是声
音或压力传感器，例如扩音器或水听器、或者压电传感器。传感器 118具有与传感器组件100的壁进4亍声音4妄触的声音传感部118a, 以通过该壁获得良好的声音信号通道。
i己录元4牛120也安装在电3各4反上，该i己录元^N夸i己录4言息i己录 于可移动存储器122中。适宜地，该记录元件是简单的数字记录器， 用于接收(并且如果必要的话转换成数字)传感器输出并将它们记 录于存储器。优选的存储器是SDRam卡。
还可选地，在存储器122上记录时钟轨迹的时钟124也安装在 电路板上。
电路板110还具有安装在其上的电源126。 1更利地，该电源可 以是不可再充电的电池，诸如锂电池。但是，也可以-使用可再充电 的电池或适当尺寸的任何其它独立能量源。
设置有泡沫材^牛的^求单元150。该J求单元在图1中分解地示出。 优选地由可压缩泡沫材料制成，例如软质聚氨酯。网状低密度聚氨 酯泡沫才才#牛是<尤选的。i殳置有两个半J求形^f牛152和154，它们可以 通过将硬质塑料叉156接合到凹槽158中而彼此结合。叉156具有 较大的头部160,该头部装配到凹槽的较大端部162中，以在使用 时将半球形件152和154保持在一起。件152和154分别具有中空 部164和166,该中空部的大小刚刚足以使传感器单元100在件152 和154组装成泡沫J求单元150时被装配于其中。件152和154具有 穿过其中的圓形或锥形孔160,这些孔的作用在于降低该泡沫材料 在该单元一皮压缩以;改置于管道中时所必须压缩的量。优选i也，还对 其中一个孔进行定位，乂人而传感器组件100的壁的定位有声音传感 器118a的部分不被泡沫材料覆盖，以确保良好的声音信号。还优
选地，这些孔在件152和154的表面上十分均匀地隔开，以便不会 妨碍泡沫材料的保护作用，并且不会使整个单元失去平#1"。
图2示出了图1的变型。传感器单元100与图1的传感器单元 相同。但是泡沫材料的球单元(以标号150A表示并以组装状态示 出)是椭圓体的(形状像橄榄球或北美的美式足球)。
图3示出了将传感器单元50(通过将件152和154结合在一起 而完全组装之后)插入到填充有沿方向208流动的液体206 (例如 水)的管道200中。在管道的顶部中具有入口 202(也称为才全查口 )。 该入口通常由示意性示出的阀204关闭。在该图中，阀是关闭的。
在入口 202的顶部是螺紋232。最初该螺紋上未安装4壬何零件。 传感器单元(起初^皮示出在位置50a) ^皮带入适当位置(site)。然 后其被冲齐到50b所示的位置中。然后盖230以耐压密闭形式^皮螺紋 连接于螺故232上。此盖具有耐压密封压盖235，杆220穿过此压 盖，杆端接于推块221，该推块适当地为塑料或金属。此盖还具有 小孑L236,适当的阀239固定于该小孔。线^各237可以连4妄于该阀。
该传感器单元在四个相继4立置50a、 50b以及50c和50d示出。 在位置50a,传感器单元在插入之前停留在地面210上。在位置50b， 阀204已经打开，并且泡沫材料的单元已经被挤压穿过阀204上方 的入口 202。然后，盖上盖230。当盖230已经以耐压密去于关系固 定时，可选地，通过使空气经由阀139和线路137被抽出而在盖230 与阀204之间的空间中形成真空，以去除进入泡沫材料的球50中 的空气。如果需要，也可以通过线路237和阀239引入消毒剂。阀 239关闭，进而阀204打开，从而来自管道的液体进入阀204与盖 230之间的空间。当阀204与盖230之间的空间充满水时，杆220 -陂手动推动，以迫4吏传感器单元首先进入位置50c,进而再进入管 道中的50d处，在该位置处，该传感器单元恢复其完整大小。
图4-6示出了传感器单元的第二实施例。该实施例的传感器单 元通常以450表示。该传感器单元具有圓柱形传感器组件410以及 织物外表面420。该传感器组件具有与图1的传感器组件100相同 的传感器和其它元件(未示出)。肋430在432处柔性地连接于传 感器组件410的一端，并且在处于柔性连4妄件436中的另一端处端 才妄于可伸长的环434。组件410具有凹槽438以及两个扁平端部412 和414,环434可以锁定于该凹槽内，如将要示出的。端部412具 有凹冲曹416, 4翁入工具可以装配于该凹冲曹内。肋430支撑^寻形成5求 4犬的织4勿420。
在图4中，传感器单元450被分解，以插入到管道中。肋向上 延伸越过传感器纽/f牛410的端部，其中织物420覆盖于该肋上。已 去除了织物，以显示出肋。在图5中，传感器单元^皮完全组装。环 434被锁定于凹槽438中的适当位置，并且由凸棱推起的织物具有 假设的球状，其中扁平端部412、 414位于传感器组件410的端部。
图6a和图6b示出了传感器单元450的插入管道内的顺序以及 其在管道内的最终组装状态。该管道与图3中的相同，并以与图3 中相同的标号来描述该管道。传感器单元450可释放地连接于插入 装置470的端部，如通过将插入装置470的橡"交底端472宽松地压 配合于凹槽416中。然后该插入装置下降穿过阀204进入管道内。 圓柱形传感器组件410的直径小得足以穿过入口 202和阀204。在 图6a中，传感器组件位于经过阀204的进程中。在图6b中，传感 器组件位于管道内。套筒474下降到插入装置470上，以推动环434。 套筒推动环434，直到该环卡入凹槽438内，同时4吏肋弯曲，以迫 ^吏织物形成^求状。3求的内部:t真充有管道的'液体。该织物可、渗入'液体， 或者可以i殳置有允许液体进入的孔(未示出)。然后在将插入工具 470从凹槽416移除的同时，套筒474留在适当的位置。然后插入 工具470和套筒474通进入口 202退出，并且阀204关闭。
图7示出了穿过管道移动的传感器单元50。在所示的实施例 中，由于传感器单元的密度比管道中液体的密度更大，^^而传感器 单元沿着管道的底部滚动。该传感器单元经过分别i殳置于入口 202a 和202b中的声信标701、 702。来自这些信标的信号^皮传感器单元 50中的声音传感器118接收。如果怀^:在该区域中存在泄漏点(例 如由于前一传感器单元已4果测到一个泄漏点)，则可以^1夺移动声音 信标715 (这里示出位于车辆712上)定位在预期泄漏点附近的表 面上。移动信标715以非常低的频率(低于约1000 Hz)传输，从 而其信号不会^皮大地以及管道壁削弱。移动信标715还"i殳置有GPS 发射器/接收器710，从而可以精确地知道其位置。来自信标的信号 由声音传感器记录，或者由记录元件122记录，以在进行记录时提 供对传感器单元位置的参考。
管道中存在泄漏点740，并且漏出的液体给出了特定的声音， 该声音由声音传感器探测并与该传感器的其它信号 一起被记录。或 者通过与由信标记录的信号进行比较，或者通过读取时钟轨迹以发 现从释放传感器单元开始所经过的时间并得知管道中的液体速度， 或者通过计算传感器单元的转数，使得可从随后的分析确定泄漏点 的位置。
该管道是巻绕有金属线的混凝土管道。当传感器单元50经过 两管子之间的位于780处的管端套筒接合点时，传感器单元50中 的磁力计传感器会记录(register)更多的信号，这是因为在接合点 处比在管子中具有更多的金属线，并且由于在该位置存在金属插入 件。如果在金属线中存在腐蚀，该磁力计传感器也会记录磁性异常， 并将它们记录在记录介质上或进行传输，或两者兼而有之。通过所 经过的时间，或者通过与由声音信标留在记录介质上的或者^皮传输 的声音^己录的关系，可以确定4立置。
图8A示出了传感器单元通过管道200时的才黄截面，其示出了 传感器单元50是如^可沿着管道底部滚动的。图8B示出了椭J求形传 感器占据的位置，其长轴与管道的轴线成直角。
图9示出了具有不同密度的两个传感器单元，并示出了它们是 如何移动穿过管道的。传感器单元50X的平均密度小于管道中液体 的密度，并且仅在管道充满液体时使用。在所示的实施例中，管道 充满了液体，所以传感器单元50X沿着管道的顶部>衮动。该传感器 单元的直径大于在路线上所遇到的检测口的直径，所以不会堵在这 样的^r测口中。传感器单元50Z的平均密度大于管道中液体的密 度，所以沿着底部滚动。两个传感器单元净皮示出具有不同的直径， ^旦如果需要也可以具有相同直径。
图10示出了在完成检测时用于从管道中移除传感器的一种装 置。该装置可用于处于大气压力的管道中。人孔1000通过移除人 孔盖1002而,皮打开，并且网状物1010 ^皮定位成利用定位杆1012 来堵塞管道。网状物的具有才是升带1022的另一部分1020定位在管 道的底部上。传感器单元50沿着管道底部滚动(该实施例中，传 感器单元的密度大于管道中液体的密度)，直到其撞击到防止其进 一步移动的网习犬物1010。然后该4专感器单元4立于部分1020上。梯: 纵杆1012和上升带1022，以从管道中^立出传感器单元。除了利用 网状物部分1020来抓住(engage )传感器单元之外，可替换地，可 以手动地用爪状4爪钩1030来4K主它。
J求外表面150时， <尤选;也-使用图11所示的4专感器单元^:回方法。 图11示出了通过^:测口 (也称为入口 ) 202插入的回收管1100，其 中，阀204围绕该管而紧紧;也关闭。回收管1100具有自己的阀1102， 该阀也关闭，/人而压力不会A人管中泄漏。回收管1100已连4妄于通 过弹性肋1122而展开的锥形网状物1120,这些弹性肋在将回收管
插入到检测口内期间^皮压缩，^f旦之后膨胀以展开网状物。该网状物
使得传感器单元50移动到锥的顶点。在锥的顶点处是检测管中的 孑L1130。该孔的直径稍小于球单元的直径。当球为锥体时，回收管 阀1102被迅速开放于大气中。由于大气压力小于管中的压力，传 感器单元被略孩吏压缩并^皮吸入孑L 1130内，因此其上升并在地面之
上^v回收管中出来。
可替换地，可以使用具有弹簧钢带的网状物，该网状物膨月长以 ;者塞管道，如PCT已/>布申^青WO 2004/059274中所示。
一旦传感器单元被收回，则以公知的方式分析由其传感器记录 在其记录单元中的数据。如果在传感器单元被收回之前数据已经通 过发射器120传输，则甚至可以在收回之前就开始数据分析。
图12示出了当具有2英尺周长的球形传感器单元沿着管移动 时单个》兹力计的实际4九迹。可以看到^L则波峰和波谷的图案。为清 楚起见，波峰被编号为1201-1212。每个波峰表示一次完整的旋转。 因此，从图中很容易看出，传感器单元行进了 24英尺。附图的横 坐标是以秒表示的经过时间，而纵坐标是》兹力计的电压4lT出。
尽管上面的描述和附图已经示出了本发明的4尤选实施例，然 而，对本领域4支术人员来说，其它的实施例也是4艮显然的，并且也 在保护范围之内。
权利要求
1.一种无束缚传感器单元，用于感测管道中的状态，所述传感器单元包括组件，包括从至少一个磁性传感器和至少一个加速计中选择的传感器；以及装置，用于记录由所述传感器感测的数据。
2. 根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述传感器是磁力 计。
3. 根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述传感器是两个 磁力计，以除180度之外的角度间隔而设置。
4. 根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述传感器是三个 /磁力计，；波此正交地i殳置。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的传感器单元，还包括包围并 保护所述传感器组件的球状外包围物。
6. 4艮据权利要求5所述的传感器单元，其中，所述球状外包围物 为球形。
7. 根据权利要求5所述的传感器单元，其中，所述球状外包围物 为椭^求形。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的传感器单元，其中，作为一 个整体，所述传感器单元具有的密度小于待使用所述传感器单 元的所述管道中液体的密度。
9. 根据权利要求1-7中任一项所述的传感器单元，其中，作为一 个整体，所述传感器单元具有的密度大于待使用所述传感器单 元的所述管道中液体的密度。
10. 根据权利要求1-9中任一项所述的传感器单元，其中，所述球 状外包围物包括开孔型聚氨酯泡沫材料。
11. 根据权利要求1-9中任一项所述的传感器单元，其中，所述球 状外包围物包括网状聚氨酯泡沫材料。
12. 根据权利要求1-11中任一项所述的传感器单元，其中，用于 记录数据的所述装置包括可移动存储设备。
13. 根据权利要求1-12中任一项所述的传感器单元，还包括电池， 以向所述记录装置供电并向传感器4是供任意所需的电力。
14. 根据权利要求1-13中任一项所述的传感器单元，还包括声音 传感器。
15. 根据权利要求14所述的传感器单元，其中，所述声音传感器 为水听器。
16. 根据权利要求1-13中任一项所述的传感器单元，还包括压电 传感器。
17. 根据权利要求1-13中任一项所述的传感器单元，还包括温度 传感器，用于感测所述传感器单元周围的液体的温度。
18. 根据权利要求1-13中任一项所述的传感器单元，还包括声音
19. 根据权利要求18所述的传感器单元，其中，所述发射器或发 射应答器传输一定范围的频率。
20. 根据权利要求1-19中任一项所述的传感器单元，还包括化学 传感器。
21. 根据权利要求5-19中任一项所述的传感器单元，其中，所述 包围物设置有切除区域，以提高其可压缩性并提高声音对其的 穿透性。
22. —种4企查容纳有液体的管道的方法，所述方法包括提供根据权利要求1-9或11-16中任一项所述的传感器单 元，所述传感器单元的密度大于待4企查的管道中的液体的密 度；使所述传感器单元在所述管道内沿着所述管道底部滚 动，同时记录表示所述传感器单元的表面已进行的转动的转数 的信号。
23. —种纟企查充满液体的管道的方法，所述方法包4舌提供根据权利要求1-8或11-16中任一项所述的传感器单 元，所述传感器单元的密度大于待检查的管道中液体的密度；使所述传感器单元在所述管道内沿着所述管道顶部滚 动，同时记录代表所述传感器单元的表面已进行的转动的转数 的信号。
全文摘要
一种用于感测管道中的状态的传感器单元，包括适于沿管道内表面滚动的无缆球形包围物以及位于该球形包围物内部的仪器组件。该组件包括至少一个磁力计或加速计。优选地，具有三个正交设置的三个磁力计。根据需要也可具有其它传感器，诸如用来检测泄漏点的声音传感器以及温度或化学传感器。记录装置记录由磁力计或加速度计和传感器所采集的数据，并且，可选地，还可以记录时间轨迹。
文档编号G01N27/82GK101115950SQ200680004298
公开日2008年1月30日 申请日期2006年2月7日 优先权日2005年2月7日
发明者彼得·O·帕尔森 申请人:全技术有限公司