专利名称：多功能管道清管器跟踪定位接收器的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种多功能管道清管器跟踪定位接收器。涉及测量磁变量、机械振 动测量及管道系统技术领域。
背景技术：
清管作业是石油天然气长输管道投产前或运行中的一项重要工作，确保管道的正 常运行和输送效率。对于新建管道来说，清管的主要目的是清除管道内的各种杂物；对已经 投产运行的管道，目的是清蜡、除垢、除水、除尘。近几年，智能清管(内检测)技术发展迅 速，其结果为管道完整性评价、管道改造提供了有力的理论依据。清管器是清管作业的重要设备，防止其卡堵是极其重要的。目前防卡堵的主要措 施是根据管道基本情况制定合适的清管作业方案，包括清管器的选型和过盈量的选择等， 虽然可以减少堵卡事故，但并不能从根本上避免堵卡事故。一旦卡堵事故发生，如果无法及 时发现，并快速、准确定位卡堵位置会延长排障时间，将影响油气的正常输送，严重时甚至 会危及整条管道的安全。清管器跟踪定位是保障清管作业顺利完成的关键技术之一。目前，国内外的清管 器跟踪定位产品主要采用基于声学、机械、放射性、电磁和永磁等原理，按照适用场合和使 用方法可以分为指示器、定位器、跟踪器三种类型。调查研究发现由于放射性对人体有危 害，相关设备已限制使用；机械式跟踪设备直接与清管器接触，需要在管道上开孔，由于安 装维护困难，通常只作为站场上的通过指示器；声学设备具有有效距离远的优点，但定位精 度较差，而且对卡堵住的清管器无效；电磁和永磁式跟踪定位设备技术成熟，具有定位精度 高的优点，但容易受到周围电磁场的干扰。上述原理的设备都只局限于一种工作原理，其应 用具有一定的局限性，有很多问题无法解决。清管器的跟踪主要依赖人工，现场操作人员的技术水平和工作态度是造成清管器 丢失的不可忽视的因素；对于频繁清管的管道来说，人工跟踪耗费极大的人力、物力、财力； 人工跟踪方法的实现离不开人力，雨、雪、风等天气条件给现场操作带来很多困难，突发的 交通问题也会阻碍人工跟踪的顺利进行；而且突发的暴雨、暴雪、强风和雷电等极端恶劣的 天气，不仅影响设备的正常工作，而且危及现场人员的生命安全。为此亟需一种工作可靠的 无人值守接收器，降低频繁清管作业管道上跟踪定位的成本，消除环境、气候、交通等客观 条件的影响。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种全天侯、无人值守、稳定可靠、适用广泛的多功能管 道清管器跟踪定位接收器。针对现有磁场测量易受周围环境干扰、声学原理设备定位精度差、人工操作易受 气候等客观条件影响，本实用新型提出一种基于磁场感应线圈和声音振动传感的双传感器 结构，同时具备远程通信能力的清管器跟踪定位接收器。[0008]本清管器跟踪定位接收器直接安装在埋地的管道上，第一个安装点应设在清管器 始发站或距离清管器始发站1 2km处，最末一个安装点应设置在清管器接收站或距离清 管器接收站1 2km处；在管线中间阀室、支线、穿跨越、转弯处、高程差较大地点一般应设 置安装点；另外，两个安装点之间的距离不宜过大，宜在3 5km范围内。本清管器跟踪定位接收器原理框图如
图1，由数据处理和人机接口两部分组成，数 据处理部分通过串行接口与人机接口连接。数据处理部分包括数据的采集和智能处理；人 机接口部分包括辅助的人机交互和数据后处理；数据处理与人机接口采用分体的双CPU结 构，依靠串行通信模块交换数据；其双CPU设计，保证了数据处理的实时性和完整性。数据处理部分主要由如下10部分组成磁场感应线圈及其电压信号处理电路、声 音振动传感器及其电荷信号处理电路、MSP430低功耗微处理器、GPS校时模块、移动通信接 口、非易失存储器、段式液晶显示屏、串行接口。磁场感应线圈输出接电压信号处理电路，电压信号处理电路输出接低功耗微处理 器，且低功耗微处理器有输出端口接电压信号处理电路；声音振动传感器输出接电荷信号 处理电路，电荷信号处理电路输出接低功耗微处理器，且低功耗微处理器有输出端口接电 荷信号处理电路；GPS校时模块、移动通信接口、非易失存储器的输入、输出与低功耗微处 理器的输出、输入连接；段式液晶显示屏、串行接口与低功耗微处理器连接。磁场感应线圈将测到的磁场信号经电压信号处理电路对模拟信号滤波、放大和模 数转换后，输给低功耗微处理器；声音振动传感器采集清管器通过时与管壁摩擦、撞击所产 生的声音振动信号，经电荷信号处理电路将电荷-电压变换、滤波、放大和模数转换后，输 给低功耗微处理器；移动通信网络接口提供远程无线通信能力；GPS校时模块通过同步秒 脉冲和串行接口向微处理器输出时间信息；非易失存储器提供足够的存储空间，记录多达 数千个记录清管器通过数据。其中低功耗微处理器，是清管器通过指示器的控制核心，协调各部分工作并完成信号 识别算法；磁场感应线圈，用于测量清管器携带的磁场发射器的磁场，其电压信号处理电路 的功能是模拟信号的滤波、放大和模数转换；声音振动传感器，用于采集清管器通过时与管壁摩擦、撞击所产生的声音振动信 号，其电荷信号处理电路的功能是电荷-电压变换、滤波、放大和模数转换；移动通信网络接口，提供远程无线通信能力；GPS校时模块，通过同步秒脉冲和串行接口向微处理器输出时间信息，以获得精准 的清管器通过时间；非易失存储器，提供足够的存储空间可以记录多达数千个记录清管器通过数据。段式液晶显示屏用于显示数据处理部分的工作状态；串行接口部分使其具有与人 机接口部分和其它相关设备进行数据交换的能力。人机接口部分主要由如下10部分组成ARM处理器、键盘、液晶显示屏、SD卡、音频 输出接口、打印机并行接口、USB接口、以太网接口、开关量接口。ARM处理器的输入、输出分 别与键盘、液晶显示屏、SD卡、音频输出接口、打印机并行接口、USB接口、以太网接口、开关 量接口输出、输入连接。[0022]ARM处理器是人机接口部分的核心，协调其它部分工作并完成人机交互功能；键 盘用于参数设置和设备的操作；液晶显示屏可以以表格、图像等形式显示相关数据；大容 量SD卡用于存储现场数据，并可以使用读卡器将数据导入计算机；音频输出接口提供振动 声音信息的有线输出；打印机接口将数据以表格、图像等形式输出到打印机，形成相关文 档；USB接口部分包括一个HOST接口和一个DEVICE接口，HOST接口可以插入USB存储设 备，DEVICE接口用于连接计算机；以太网接口使设备可以接入到SCADA系统；开关量接口接 入到相关PLC的数字输入端口，进而进入到SCADA系统。数据处理部分的电原理如图2，铁芯线圈的正负输出端Vo+、Vo-分别接信号调理 器1的正负输入端ν+、V-。声音振动传感器的输出端Q端接电荷放大器的输入端Qi，电荷 放大器输出端Vo接信号调理器2的输入正端V+，信号调理器2的另一个输入端V-接公共 地。JTAG调试接口用于调试和下载应用程序到硬件中，分别连接微处理器的TLCK、TCK、 TMS、TDI、TDO端口。微处理器MSP430F5438A通过两个输出端口和两个SPI 口控制信号调 理器1和信号调理器2，其中P2. O和P2. 1分别接信号调理器1、2的片选端CS_N，USCBl和 UCSB2分别与信号调理器1、2的SDI、SD0、SCLK连接。微处理器的输出端口 Pl. 4接非易失 存储器FM25V10的片选端/S，SPI接口 UCBO接FM25V10的C、D、Q端。微处理器的UART端口 UCAO和输出端口 Pl. O,Pl. 1分别接移动通信网络模块MC39i的RXDO、TXDO、IGT、PowerDown 端口。微处理器的UART端口 UCAl和输出端口 Pl. 2,Pl. 3分别接GPS模块SKG16的RXD0、 TXDO, PPS、STANDBY端口。系统由20AH/7. 2V锂电池供电，锂电池负极接地，正极经过两个 DC/DC LM2574变换成模拟电话3. 3VA和数字电源3. 3VD。其中电荷放大器的电路构成如图6，由放大器电路构成，其电压参考电路如图6所示， 它由运算放大器组成；第一信号调理器1和第二信号调理器2电路构成相同，它由程控增益放大电路、带 通滤波器、模数转换器构成；程控增益放大电路输出接带通滤波器的输入，带通滤波器的输 出接模数转换器的输入；程控增益放大电路的电路构成如图7所示，它是由运算放大器构 成的；带通滤波器的电路构成如图8所示，它是由一只双路运算放大器构成的巴特沃斯滤 波器；模数转换器的电路构成如图9所示，它由一只双路运算放大器和模数转换器构成。图8中带通滤波器的电路部分元器件参数已标示，其它元器件参数在信号调理器 1和信号调理器2中不同，见表1，参数1、参数2分别为元器件在信号调理器1和信号调理 器2中的参数。表 权利要求1.一种多功能管道清管器跟踪定位接收器，其特征在于它由数据处理和人机接口两部 分组成，数据处理通过串行接口与人机接口连接；数据处理部分包括数据的采集和智能处 理，数据采集即是清管器跟踪定位接收器；人机接口部分包括辅助的人机交互和数据后处 理；数据采集与人机接口采用分体的双CPU结构，依靠串行通信模块交换数据。
2.根据权利要求1所述的一种管道清管器在线跟踪定位系统，其特征在于所述数据 处理部分主要由磁场感应线圈及其电压信号处理电路、声音振动传感器及其电荷信号处理 电路、MSP430低功耗微处理器、GPS校时模块、移动通信接口、非易失存储器、段式液晶显示 屏、串行接口组成；磁场感应线圈输出接电压信号处理电路，电压信号处理电路输出接低功耗微处理器， 且低功耗微处理器有输出接电压信号处理电路输入；声音振动传感器输出接电荷信号处理 电路，电荷信号处理电路输出接低功耗微处理器，且低功耗微处理器有输出接电荷信号处 理电路；GPS校时模块、移动通信接口、非易失存储器的输入、输出与低功耗微处理器的输 出、输入连接；段式液晶显示屏、串行接口与低功耗微处理器连接；磁场感应线圈将测到的磁场信号经电压信号处理电路对模拟信号滤波、放大和模数转 换后，输给低功耗微处理器；声音振动传感器采集清管器通过时与管壁摩擦、撞击所产生的 声音振动信号，经电荷信号处理电路将电荷-电压变换、滤波、放大和模数转换后，输给低 功耗微处理器；移动通信网络接口提供远程无线通信能力；GPS校时模块通过同步秒脉冲 和串行接口向微处理器输出时间信息；非易失存储器提供足够的存储空间，记录多达数千 个记录清管器通过数据。
3.根据权利要求1所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述人机接口部 分主要由ARM处理器、键盘、液晶显示屏、SD卡、音频输出接口、打印机并行接口、USB接口、 以太网接口、开关量接口组成；ARM处理器的输入、输出分别与键盘、液晶显示屏、SD卡、音 频输出接口、打印机并行接口、USB接口、以太网接口、开关量接口输出、输入连接。
4.根据权利要求1所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述数据处理 部分的电原理为铁芯线圈的正负输出端(Vo+、Vo-)分别接信号调理器(1)的正负输入端 (V+、V-)；声音振动传感器的输出端(Q)端接电荷放大器的输入端Oii)，电荷放大器输出 端(Vo)接信号调理器O)的输入正端(V+)，信号调理器O)的另一个输入端(V-)接公共 地JTAG用于调试和下载应用程序到硬件调试接口分别连接微处理器的(TLCK、TCK、TMS、 TDI, TD0)端口 ；微处理器MSP430F5438A通过两个输出端口和两个(SPI) 口控制信号调理 器(1)和信号调理器0)，其中P2.0和P2. 1分别接信号调理器(1)、信号调理器( 的片选 端(CS_N，USCB1)和(UCSB2)分别与信号调理器(1)、信号调理器(2)的(SDI、SD0、SCLK)连 接；微处理器的输出端口(P1.4)接非易失存储器FM25V10的片选端(/S)，SPI接口 (UCBO) 接FM25V10的(C、D、Q)端；微处理器的(UART、UCA0)端口和输出端口 (P1. 0、Ρ1· 1)分别接 移动通信网络模块MC39i的(RXD0、T)(D0、IGT、PowerDown)端口 ；微处理器的(UART、UCA1) 端口和输出端口(P1.2、P1.3)分别接 GPS 模块 SKG16 的(RXDO、TXDO、PPS、STANDBY)端口 ； 数据处理部分由20AH/7. 2V锂电池供电，锂电池负极接地，正极经过两个DC/DC LM2574变 换成模拟电话3. 3VA和数字电源3. 3VD。
5.根据权利要求4所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述电荷放大器 由放大器和电压参考电路构成，它由运算放大器组成。
6.根据权利要求4所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述第一信号调 理器(1)和第二信号调理器O)电路由程控增益放大电路、带通滤波器、模数转换器构成； 所述程控增益放大电路输出接带通滤波器的输入，带通滤波器的输出接模数转换器的输 入；所述程控增益放大电路由运算放大器构成；所述带通滤波器是由2只运算放大器构成 的带通滤波电路；所述模数转换器由2只运算放大器2只运算放大器和模数转换器构成。
7.根据权利要求6所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述模数转换器 由2只运算放大器U5A、U5B和模数转换器U4构成；MFB接运算放大器U5A的“ + ”输入端 (3)，运算放大器U5A的“-”输入端⑵与输出端⑴相连，⑷端接地，98)端接电源+3. 3V， 并⑶端接电容C17到地；运算放大器U5A输出端(1)接电阻R31后接模数转换器U4的 ⑵端；Vmid接运算放大器TOB的“ + ”输入端(5)，“_”输入端(6)与输出端(7)相连，输出 端(7)接电阻R32后接模数转换器U4的(3)端；模数转换器U4的⑵端接电容ClO后到 地，⑶端接电容Cll后也到地，并(2、3)端之间连接电容C12;模数转换器U4的⑴端一 路接电容以9后到地，另一路经电阻RlO接Vmid; (5)端、(6)端、(7)端分别接电阻R35、电 阻R34、电阻R33后接CSN、SDO、SCLK ； (8)端经电阻Rll接电源+3. 3V，并经并联的电容19 和电容C30到地。
8.根据权利要求1所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述人机接口 部分的电原理是以ARM处理器LPC2478FBD208为核心，添加有以太网物理接口收发器部分 KSZ8041NLI和HR601680、数字音频编解码芯片UDA1341TS、液晶显示屏TG320X240。
9.根据权利要求1所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述数据处理部 分和人机接口部分具有相同功能的串行接口模块由4个子模块构成用于两部分直接连接 SPI板级接口、有线连接的RS232接口、提供远距离无线连接的低功耗无线接口、提供标准 化无线连接的蓝牙接口；所述串行接口模块电原理是MSP430F5438A和LPC2478FBD208中相关端口分别标示该 模块在数据处理部分和人机接口部分的不同连接方式；其中RS232接口选MAX3232芯片，提 供DB9接口 ；低功耗无线接口选CC1100芯片，工作于433MHz频段，提供无线接口 ；蓝牙接口 选BlueCore 02集成块，工作于2. 5GHz频段，支持完整的蓝牙通信协议。
10.根据权利要求1所述的一种管道清管器通过监视系统，其特征在于所述清管器跟 踪定位接收器第一个安装点设在清管器始发站或距离清管器始发站1 2km处，最末一个 安装点设置在清管器接收站或距离清管器接收站1 2km处；在管线中间阀室、支线、穿跨 越、转弯处、高程差较大地点设置安装点；两个安装点之间的距离在3 5公里范围内。
专利摘要本实用新型是一种多功能管道清管器跟踪定位接收器。涉及测量磁变量、机械振动测量及管道系统技术领域。它由数据处理和人机接口两部分组成，数据处理通过串行接口与人机接口连接；数据处理部分包括数据的采集和智能处理，数据采集即是清管器跟踪定位接收器；人机接口部分包括辅助的人机交互和数据后处理；数据采集与人机接口采用分体的双CPU结构，依靠串行通信模块交换数据。本实用新型全天候、无人值守、稳定可靠、适用广泛。本实用新型全天候、无人值守、稳定可靠、适用广泛。
文档编号G08C17/02GK201845087SQ20102022289
公开日2011年5月25日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者杨喜良, 熊敏, 王建明, 蔡永军, 谭东杰, 邱红辉, 陈鹏超 申请人:中国石油天然气股份有限公司