专利名称：通径仪的仿真测试系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种管道检测装置，特别是涉及一种通径仪的仿真测试系统 及方法。
背景技术：
通径仪是检测管道变形的重要设备，也称管道变径检测器，其机械结构 如图1所示，通径仪的外面为圆柱形的壳体1，在壳体1内设置有电子系统仓4，电子系统仓4内安装有用于采集、处理和记录信号的电子系统(图中未示)， 电子系统中的位移传感器通过机械传动结构与伞架2联接，通径仪端头外部 固定有皮碗3，呈喇叭形结构，在壳体1的外侧均布有多个计程轮6，计程轮 6通过电缆与电子系统连接，在壳体1头部内安装有地面标记器信号接收天线 5，地面标记器信号接收天线5通过电缆与电子系统10连接。如图2所示，电子系统10主要包括接收来自计程轮的计程脉冲信号、 进行处理，并将处理后的信号传送给主控制器的计程系统11;准确记录通径 仪电子系统从启动时起的运行时间，并将该时间信息传送给主控制器的时钟 13;接收并处理放置在管道外的地面标记器发出的无线电信号，并将处理后 的信号传送给主控制器的地面标记器信号接收模块12;接收并处理来自位移 传感器发出的管道变径信号，并将处理后的信号传送给主控制器的变径信号处理模块15;接收主控制器发送的计程信息、时间信息、变径信息和地面标 记信息，并按照一定的格式存储到非易失性存储器中的数据存储系统16;以及用于协调计程系统、地面标记器信号接收模块、时钟及变径信号处理模块 的工作，并接收它们发送的数据，对这些数据进行统一处理之后发送给数据存储系统的主控制器14。计程轮6的结构如图3所示，在计程轮6内均匀分布若干个磁块7，两个 计程轮臂8固定在计程轮轴9上，这两个计程轮臂相差的角度为1.5倍磁块间 距角度，每个轮臂上分别装有一个霍尔传感器(图中未示)，随着计程轮6 的转动，磁块7和轮臂8的相对位置不断发生变化，当磁块7运行到正对轮臂8的位置处时，霍尔传感器感受到磁块7的磁信号而使输出的电平发生跳 变(高电平变成低电平，低电平变成高电平)。由于两个轮臂8相差的角度 为1.5倍磁块间距角度，故计程轮6每转过0.5倍磁块间距角度就有一个磁块 与一个霍尔传感器相遇，这就使两个霍尔传感器输出信号的相位差保持90。， 如图3所示。通径仪在执行任务时，是独自运行于管道内部的，由于管道的屏蔽作用， 使得人们目前还未开发出一种有效的方法对通径仪的运行状态进行实时监 控，通径仪采集的管道变形的数据也是等到一段管道检测完成后，再从存储 器中读取出来的。因此对于通径仪在管道中工作的可靠性，尤其是其内部的 电子系统工作的可靠性，要求是非常高的。这就需要在通径仪执行任务前检 验通径仪能否正常工作。 一旦出现问题就进行维修，这样就可以避免让工作 不正常的通径仪去执行检测任务而造成的人力、财力、物力及时间上的巨大 损失。传统的检测通径仪工作是否正常的方法是先建立一个巨大的通径仪牵拉 实验场，在场地中布置一条空管道，在管道的两头布置两个巨大的绞车，用 绞车拉着通径仪在管道中运行，由于这条管道是完全暴露在外面的，因此人 们可以很容易了解管道的直径、长度、缺陷位置等信息，将通径仪检测到的 数据与这些信息进行对照就可以判断通径仪是否工作正常。采用这种方法对 通径仪进行检测是目前一种比较有效的方法，可以对通径仪的机械部分和电 子系统部分进行检测。但是这种方法存在以下缺点1) 成本高。建立一个牵拉实验场一般要耗资数百万至上千万元人民币-,2) 效率低。 一个牵拉实验场的场地是有限的，这就使得实验管道的长度 有限， 一般为一百多米。通径仪在实验管道中运行一次只能检测很短的一段 距离，若要继续检测，必须用起重机将通径仪掉头而后放进管道内再运行， 这样效率很低，既费时又费力；3) 无法进行长距离实验。由于实验管道比较短，每检测一遍就需要掉头， 这样若要进行数百公里的长距离实验则要掉头数千次，这显然是不现实的， 实际上也没有人这样去进行实验。然而实际管道检测工程一般动辄上百公里， 若不进行连续长时间的实验就无法得知通径仪长时间工作的可靠性；4) 实验管道单一，通径仪运行工况简单，不能有效验证通径仪中的电子系统在复杂工况下，如多三通、多弯头、剧烈振动情况下运行的可靠性；5) 无法进行温度实验，由于实验管道是空管道，且一般建造在露天环境中，因此实验温度就是环境中的大气温度，而在实际石油管道中，有些石油 是加热输送的，而且有的加热温度还很高，达七、八十摄氏度，通径仪能否在这样的环境中长时间正常运行靠牵拉实验是无法完成的；6) 无法一次性批量检测通径仪的电子系统，若要检测多个通径仪的电子 系统，必须在一次实验后更换另一套电子系统再进行实验。发明内容为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种成本低、效率高、小型 化、操作方便且可以同时对多个通径仪电子系统的可靠性进行测试的通径仪 的仿真测试系统及仿真测试方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的.-一种通径仪的仿真测试方法，包括以下步骤1) 将虛拟通径仪和管道的参数、设定的管道缺陷距起始点的位置以及地 面标记器距起始点的位置输入计算机中，启动运行程序；2) 查询程序运行的起始时间，记为tl，然后进入循环；在循环中先查询 系统时钟，将査询的时间记为t2;计算t2与tl的时间差dt=t2-tl(步骤S3); 之后再查询系统时钟，用查询的时间替换之前的tl (步骤S4);从输入的参数中获取通径仪的运行速度(步骤S5);计算各计程轮的转速(步骤S6); 根据工况计算各计程轮转过的距离，ds[i]x二ds[a—一dtXi号计程轮的转速(x 表示当前循环，x-l表示上一次循环)(步骤S7);然后计算通径仪运行的 距离，SX=SX—^dtXi号计程轮转速(步骤S8);计算ds[i]x是否大于半个磁 块间距(步骤S9)，若ds[iL大于半个磁块间距，则ds[i]x清零，计程脉冲 计数器增1 (步骤SIO)，然后判断计数器值是否为奇数(步骤Sll)，若为 奇数则虚拟的i号计程轮中l号霍尔传感器输出电平翻转(高电平变成低电平， 低电平变成高电平)(步骤S13)，若为偶数则2号霍尔传感器输出电平翻转 (步骤S12);若计算得ds[iL仍小于半个磁块间距，则不对霍尔传感器的输出进行任何处理；然后分别判断Sx是否处于变径位置(步骤S14)和地面标 记信号接收范围内(步骤S16)，若处于变径位置，则调整变径输出信号(高 电平变成低电平，低电平变成高电平)(歩骤S15)，若处于地面标记信号接 收范围内则输出标记信号(步骤S17)，之后向显示器输出通径仪当前的运行 距离(步骤S18);3)判断是否满足结束条件(步骤S19、 S20)，如满足就退出(步骤S21)， 若不满足则进行下一次循环(步骤S2)。上述的虚拟通径仪的参数包括通径仪的运行速度、各个计程轮的直径 以及各计程轮上的磁块个数。上述的管道的参数包括管道直径，直管道、弯头及三通的位置，直管道部分的长度、弯头转角和弯头半径。一种通径仪的仿真测试系统，其特征在于包括计算机以及连接在计算 机的并行接口和通径仪的电子系统之间的信号驱动器。上述的信号驱动器具有一个或多个接口，分别与一个或多个通径仪的电 子系统连接。上述的信号驱动器的整个驱动电路由多组相同的子驱动电路组成，每组 子驱动电路将计算机端口的一路信号转换成多路，供多个通径仪的电子系统 同时使用。上述的子驱动电路包括 一个NPN型功率三极管和多个光电耦合器，其中NPN型功率三极管的基极连接计算机的并行接口、射极接地、集电极分别 与多个光电耦合器中发光二极管的阴极连接，每个发光二极管的阳极分别连 接一个限流电阻，每个限流电阻的另一端分别连接电源的正极；每个光电耦 合器中的光电三极管的射极接地，集电极连接一个通径仪的电子系统的一路 信号的输入端。本发明的通径仪的仿真测试方法与现有的方法相比具有成本低、效率高、 小型化、操作方便的特点，且可以同时对多个通径仪的电子系统的可靠性进 行测试。
图1为本发明涉及的通径仪的结构示意图；图2为图1中通径仪的电子系统结构框图；图3为图1中通径仪的计程轮的内部结构图；图4为通径仪的计程轮内两个霍尔传感器的输出信号示意图；图5为本发明的通径仪仿真测试系统的结构图-，图6为本发明的通径仪仿真测试系统中信号驱动器的连接关系框图； 图7为本发明的通径仪仿真测试系统的信号驱动器中一组子驱动电路的 原理图；图8为本发明的通径仪仿真测试系统的程序流程图；图9为本发明的通径仪仿真测试系统程序流程图中计程轮转速计算的子 程序流程图。图10为利用本发明的仿真测试系统和方法获得的通径仪电子系统的仿真 测试数据(局部)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的通径仪仿真测试系统进行详细说明。本发明的仿真测试方法主要是利用计算机中运行的程序来控制计算机的 并行端口，实时向通径仪的电子系统发出计程脉冲信号、地面标记信号、管 道变径信号。在该程序中虛拟出一段管道和一个在其中运行的通径仪，管道 和通径仪的特征参数由实验者输入设定。程序运行时，以计算机内部的高精 度时钟为标准，实时计算通径仪的运行状态，根据通径仪当前在管道中的位 置，和提前设定好的管道和通径仪的参数，判断当前是否应该发出计程脉冲 信号、地面标记信号和管道变径信号。由于计算机并行端口的驱动能力弱，因此不能直接将通径仪的电子系统 接口与其相连，之间必须有一个驱动电路，不仅可以驱动通径仪电子系统， 而且可以起到将通径仪与计算机隔离的作用，避免两者之间的相互干扰。此 外，在驱动电路中留有多路接口，可以实现对通径仪电子系统的批量检验。如图5所示，本发明的通径仪仿真测试系统包括计算机20和连接在计 算机的并行端口和通径仪的电子系统40之间的信号驱动器30。在计算机20中运行的仿真测试程序控制计算机20的并行端口，并实时 向通径仪电子系统40发出计程脉冲信号、地面标记信号以及管道变径信号。 在该测试程序中虚拟出一段管道和一个在其中运行的通径仪，管道和通径仪 的特征参数由测试者根据实际情况输入设定。在仿真测试程序运行时，以计 算机20内部的高精度时钟为标准，实时计算通径仪的运行状态，根据通径仪 在管道中的当前位置和提前设定好的管道参数和通径仪参数，判断当前是否 应该发出计程脉冲信号、地面标记信号、管道变径信号。信号驱动器30的作用包括1)为通径仪提供电源；2)增强计算机并行端口输出的信号的驱动能力；3)将计算机与通径仪电子系统隔离，避免两者 之间的相互干扰；4)对计算机并行端口输出的信号进行电平转换，使信号电 平符合通径仪电子系统的电平标准；5)将计算机的一个并行端口扩展成多个 端口以便实现对通径仪电子系统进行批量测试。如图6和图7所示，信号驱动器30的驱动电路由多组相同的子驱动电路 组成，每一组子驱动电路可以将计算机端口的一路信号转换成多路信号供多 个相同型号的通径仪的电子系统同时使用。当一路信号从计算机的并行端口 输出后，进入NPN型功率三极管51中，当输入高电平时，NPN型功率三极 管51输出低电平，进而驱动后面的光电耦合器53，使其输出为低电平，当输 入低电平时，NPN型功率三极管51输出高电平，进而光电耦合器53不输出 信号，这样，通径仪电子系统默认为是高电平。在图7的实施例中，VCC表 示电源信号，01、 ......On分别表示经驱动转换后输出的信号。在本发明的实施例中，NPN型功率三极管51的型号为ULN2003，光电 耦合器53的型号为TLP281，电阻52的阻值为510Q。当然，NPN型功率三 极管51、光电耦合器53也可以是其它型号，只要使电阻52的阻值与其匹配 即可。在计算机内运行的仿真测试程序50由以下两个部分组成 1.人机交互界面。操作者根据计算机20的显示器界面上的提示输入相应 的虚拟管道和虚拟通径仪的参数。虚拟管道参数包括管道直径、每段管道 的结构(直管道、三通或弯头)，其中直管道部分还需要输入管道长度，弯 头部分需要输入弯头转角和弯头半径，弯头半径以管道直径为单位；另外还要输入设定的管道缺陷距起始点的位置以及地面标记器距起始点的位置，由 于实际中地面标记信号有一定的接收范围，因此在仿真系统中也要设定地面 标记信号的范围，该范围是指距地面标记器位置的前后距离；通径仪经过三通时有一个计程轮会落入其中，该计程轮将减速转动，因此用户需要输入计 程轮落入三通中时的减速参数，该参数表示将计程轮的转速縮小为原来的多少倍，如减速参数为0. 3，则落在三通的计程轮的转速就为正常转速的0. 3倍。 虚拟通径仪参数包括通径仪运行速度，各个计程轮直径，各计程轮上的磁块个数。2.仿真界面。当用户输入完参数后点击"运行"按钮，程序进入仿真界 面，并根据输入的参数启动仿真运行程序，在运行过程中计算机20的显示器 实时显示通径仪运行的距离。程序的结束有两种方式， 一种是在运行过程中 随意敲击键盘即可结束，另一种是等待通径仪完全通过设定的虚拟管道后自 然结束。仿真测试程序运行的流程如图8所示。程序启动时先查询程序运行的起 始时钟，记为tl (步骤S1)，然后进入循环，循环中先查询系统时钟，记为 t2 (步骤S2)，计算与上次查询的时间差dt42-tl (步骤S3);之后再查询 系统时钟，替换之前的tl (步骤S4)，从输入的参数中获取通径仪的运行速 度(步骤S5);计算各计程轮的转速(歩骤S6);根据工况计算各计程轮转 过的距离，其中ds[i]^ds[i]H+dtXi号计程轮转速(x表示当前循环，x-l 表示上一次循环)(步骤S7)，再计算通径仪运行的距离，其中S,SH+dtX i号计程轮转速(步骤S8)。然后计算ds[iL是否大于半个磁块间距(磁块 间距=计程轮周长+磁块个数)(步骤S9)，若ds[i]x大于半个磁块间距， 则ds[i],清零，计程脉冲计数器i增l (步骤SIO)，然后判断计数器i的值 是否为奇数(步骤Sll)，若为奇数则虚拟的i号计程轮中l号霍尔传感器输 出电平翻转(高电平变成低电平，低电平变成高电平)(步骤S13)，若为偶 数则2号霍尔传感器输出电平翻转(步骤S12);若计算得ds[i]x仍小于半个 磁块间距，则不对霍尔传感器的输出进行任何处理。然后分别判断&是否处 于变径位置(步骤S14)和地面标记信号接收范围内(步骤S16)，若处于变 径位置，则调整变径输出信号(高电平变成低电平，低电平变成高电平)(步骤S15)，若处于地面标记信号接收范围内则输出标记信号(歩骤S17)，之 后向显示器输出通径仪当前运行距离S,(步骤S18)，最后判断是否满足结束 条件(步骤S19、 S20)，满足就退出(步骤S21)，若不满足则返回到下一 次循环(步骤S2)。计算各计程轮的转速(步骤S6)时共有5种情况，如图9所示。(l)在 直管道中时，所有计程轮按照正常转速转动，正常转速-通径仪运行速度；(2) 在遇到左三通时，通径仪左端计程轮落入三通，左端计程轮转速-正常转速X 减速参数；(3)在遇到右三通时，通径仪右端计程轮落入三通，右端计程轮 转速=正常转速乂减速参数；(4)在遇到左弯头(管道向左弯)时，左端计 程轮转速正常计程轮转速X (1—0.5 +弯头半径)，右端计程轮转速-正常计 程轮转速X (l+0.5 +弯头半径)；(5)在遇到右弯头(管道向右弯)时，右 端计程轮转速=正常计程轮转速乂 (l一0.5 +弯头半径)，左端计程轮转速= 正常计程轮转速X (l+0.5 +弯头半径)。减速参数可以为任意小于1的数。对通径仪进行仿真测试后，将通径仪电子系统采集的管道变形的数据从 存储器中读取出来进行分析、对比，即可验证通径仪电子系统工作的可靠性。图IO所示为本系统对通径仪电子系统的仿真测试数据，仿真管道为全长 400km的直管道，最后一个变径点位置为距起始点399900m处，在该处仿真 系统的变径输出发生了一次跳变(低电平变成高电平)，从数据上可以看到 通径仪在399899.321m处检测到变径，误差不到十万分之l，证明被检测的通 径仪电子的系统工作可靠。另外，还可以将通径仪的电子系统放入烘箱或振动装置中进行仿真测试， 以检验高温、振动等情况下通径仪电子系统工作的可靠性。
权利要求
1.一种通径仪的仿真测试方法，其特征在于包括以下步骤1)将虚拟通径仪和管道的参数、设定的管道缺陷距起始点的位置以及地面标记器距起始点的位置输入计算机中，启动运行程序；2)查询程序运行的起始时间，记为t1，然后进入循环；在循环中先查询系统时钟，将查询的时间记为t2；计算t2与t1的时间差dt＝t2-t1(步骤S3)；之后再查询系统时钟，用查询的时间替换之前的t1(步骤S4)；从输入的参数中获取通径仪的运行速度(步骤S5)；计算各计程轮的转速(步骤S6)；根据工况计算各计程轮转过的距离，ds[i]x＝ds[i]x-1+dt×i号计程轮的转速(x表示当前循环，x-1表示上一次循环)(步骤S7)；然后计算通径仪运行的距离，Sx＝Sx-1+dt×i号计程轮转速(步骤S8)；计算ds[i]x是否大于半个磁块间距(步骤S9)，若ds[i]x大于半个磁块间距，则ds[i]x清零，计程脉冲计数器i增1(步骤S10)，然后判断计数器i的值是否为奇数(步骤S11)，若为奇数则虚拟的i号计程轮中1号霍尔传感器输出电平翻转(高电平变成低电平，低电平变成高电平)(步骤S13)，若为偶数则2号霍尔传感器输出电平翻转(步骤S12)；若计算得ds[i]x仍小于半个磁块间距，则不对霍尔传感器的输出进行任何处理；然后分别判断Sx是否处于变径位置(步骤S14)和地面标记信号接收范围内(步骤S16)，若处于变径位置，则调整变径输出信号(高电平变成低电平，低电平变成高电平)(步骤S15)，若处于地面标记信号接收范围内则输出标记信号(步骤S17)，之后向显示器输出通径仪当前的运行距离(步骤S18)；3)判断是否满足结束条件(步骤S19、S20)，如满足就退出(步骤S21)，若不满足则进行下一次循环(步骤S2)。
2. 根据权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于所述的虚拟通径仪 的参数包括通径仪的运行速度、各个计程轮的直径以及各计程轮上的磁块 个数。
3. 根据权利要求1所述的仿真测试方法，其特征在于所述的管道的参数 包括管道直径，直管道、弯头及三通的位置，直管道部分的长度、弯头转 角和弯头半径。
4. 一种通径仪的仿真测试系统，其特征在于包括计算机以及连接在计算机的并行接口和通径仪的电子系统之间的信号驱动器。
5. 根据权利要求4所述的仿真测试系统，其特征在于所述的信号驱动 器具有一个或多个接口 ，分别与一个或多个通径仪的电子系统连接。
6. 根据权利要求5所述的仿真测试系统，其特征在于所述的信号驱动 器的整个驱动电路由多组相同的子驱动电路组成，每组子驱动电路将计算机 端口的一路信号转换成多路，供多个通径仪的电子系统同时使用。
7.根据权利要求6所述的仿真测试系统，其特征在于所述的子驱动电路包括 一个npn型功率三极管和多个光电耦合器，其中npn型功率三极管的基极连接计算机的并行接口、射极接地、集电极分别与多个光电耦合器中发光 二极管的阴极连接，每个发光二极管的阳极分别连接一个限流电阻，每个限流电阻的另一端分别连接电源的正极；每个光电耦合器中的光电三极管的射 极接地，集电极连接一个通径仪的电子系统的一路信号的输入端。
全文摘要
本发明公开了一种通径仪的仿真测试系统，包括计算机以及连接在计算机的并行接口和通径仪的电子系统之间的信号驱动器，所述的信号驱动器具有一个或多个接口，分别与一个或多个通径仪的电子系统连接，上述的信号驱动器的整个驱动电路由多组相同的子驱动电路组成，每组子驱动电路将计算机端口的一路信号转换成多路，供多个通径仪的电子系统同时使用。本发明还公开了此系统的仿真测试方法。本发明的通径仪的仿真测试系统及方法与现有的方法相比具有成本低、效率高、小型化、操作方便的特点，且可以同时对多个通径仪的电子系统进行可靠性测试。
文档编号G01M99/00GK101226112SQ200810052218
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月30日 优先权日2008年1月30日
发明者曾周末, 李一博, 王伟魁, 靳世久 申请人:天津大学