用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的传感器阵列系统的制作方法

本实用新型涉及一种超声传感器阵列定位技术，特别涉及一种用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统。

背景技术：

在一些特殊地段和管道站场处，输气管道进行架空敷设，这种敷设方式导致管道常年暴露在恶劣的外界环境中，在管道阀门、接头以及老化的管道处容易产生泄漏，可能造成重大安全事故和经济损失。

目前，输气管道泄漏检测定位方法分为二种，第一种是基于管线压力、流量和振动等参数的检测方法，主要有流量平衡法、压力点分析法、负压波法、分布式光纤检测法和声发射法，这类方法可以实现连续在线检测，但定位的精度低，泄漏事故的漏报、误报率高，真正意义上的工程应用还需要大量的工作。第二种是基于人工巡检开发的许多辅助手段，如：便携式/车载式红外热像仪、激光气体探测器和手持式超声检测仪，这类设备已被商业化，但其效率低、实时性差，在实际工程应用中受限于气体类型和气体浓度，而且近距离人工巡检给工作人员的生命安全带来严重威胁，不适合地面室外环境下的输气管道泄漏检测定位。

因此，研究能够对架空输气管道泄漏进行实时检测，并能在泄漏初期发生微小泄漏时对其进行定位的检测定位系统对于管道的安全维护具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统，该系统通过结合集成式超声传感器阵列和轨道机器人，能够对输气管道泄漏进行实时检测，并能在泄漏初期发生微小泄漏时对泄漏源进行定位。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述一种用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统，其特征在于：包括集成式超声传感器阵列、轨道、轨道机器人和监控中心；

所述轨道沿架空输气管道布置；所述轨道机器人包括能够在轨道上受控移动的平台、固定在平台上的机器人机身以及固定在机身上的机械臂；所述机身中安装有检测端数据采集模块、检测端数据处理模块、检测端数据存储模块和检测端无线数据收发模块；所述集成式超声传感器阵列安装在机械臂末端；所述集成式超声传感器阵列包括超声传感器阵列、摄像头、照明灯和测距仪；所述监控中心包括监控端无线数据收发模块、监控端数据存储模块、监控模块和机器人控制模块；

所述集成式超声传感器阵列与机身具有电信号连接，能够将采集的超声信号传输给机身的检测端数据采集模块；所述检测端数据采集模块与所述检测端数据处理模块具有电信号连接，所述检测端数据处理模块能够对检测端数据采集模块采集的超声信号数据进行处理，并能够根据处理结果产生平台运动控制信号和集成式超声传感器阵列图像采集信号和测距信号；所述机身与所述平台具有电信号连接，检测端数据处理模块产生的平台运动控制信号能够输入至所述平台，集成式超声传感器阵列图像采集信号以及测距信号能够输入至所述集成式超声传感器阵列；所述集成式超声传感器阵列采集的图像信号以及集成式超声传感器阵列和泄漏位置之间的距离数据能够传输给机身的检测端数据采集模块；

所述检测端数据存储模块与所述检测端数据采集模块以及所述检测端数据处理模块具有电信号连接，所述检测端数据存储模块能够存储所述检测端数据采集模块采集的超声信号数据、图像信号数据和距离数据，以及所述检测端数据处理模块产生的处理结果；

所述检测端无线数据收发模块与所述检测端数据处理模块以及所述检测端数据采集模块具有电信号连接，能够将所述检测端数据处理模块产生的处理结果、所述检测端数据采集模块采集的图像信号数据以及集成式超声传感器阵列和泄漏位置之间的距离数据传输给所述监控端无线数据收发模块；

所述监控端无线数据收发模块与所述监控端数据存储模块具有电信号连接，所述监控端数据存储模块能够存储所述监控端无线数据收发模块接收的数据；

所述监控端数据存储模块与所述监控模块具有电信号连接，所述监控模块能够将所述监控端数据存储模块存储的数据进行显示；

所述机器人控制模块与所述监控端无线数据收发模块具有电信号连接；所述机器人控制模块能够产生轨道机器人的巡检路径和工作模式数据，并通过所述监控端无线数据收发模块传递给所述检测端无线数据收发模块；所述检测端无线数据收发模块能够将轨道机器人的巡检路径和工作模式数据传递给检测端数据处理模块。

进一步的优选方案，所述一种用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统，其特征在于：所述超声传感器阵列采用平面最优随机阵列。

进一步的优选方案，所述一种用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统，其特征在于：所述机械臂为六自由度机械臂。

进一步的优选方案，所述一种用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统，其特征在于：所述集成式超声传感器阵列通过防沙多孔板安装在机械臂末端；超声传感器阵列、摄像头和照明灯集成固定在防沙多孔板上。

有益效果

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、通过将集成式超声传感器阵列和轨道机器人相结合，解决了人工巡检效率低、实时性差的问题，达到实时检测和定位的效果；

2、系统接收和采集的是微小泄漏产生的超声信号，突破了传统方法受限于气体浓度和类型的局限性，具有通用性；

3、对泄漏初期的微小泄漏阶段进行检测并定位出泄漏源，能够有效的避免安全事故发生；

4、通过机械臂控制集成式超声传感器阵列进行多方位检测定位，能够有效避免漏检。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型集成式超声传感器阵列安装模块的结构框图；

图3为本实用新型轨道机器人安装模块的结构框图；

图4为本实用新型监控中心包含模块的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，所述架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统适用于地面架空敷设的大量的天然气、煤气和暖气等输气管道，主要用于目标5处的自动巡检和目标6处可能发生的微小泄漏源定位。本实用新型优选以某架空天然气管道和其上面分布的一个阀门为例，即所述目标5优选为天然气管道，所述目标6优选为阀门。轨道机器人的移动轨道7布施在天然气管道5附近。

如图1所示，本实用新型提供一种用于架空输气管道微小泄漏源检测定位的移动超声传感器阵列系统，包括集成式超声传感器阵列1、轨道7、轨道机器人2和监控中心3。

所述轨道7沿天然气管道5布置。优选布置在天然气管道5的上方。

所述轨道机器人2包括能够在轨道上受控移动的平台、固定在平台上的机器人机身以及固定在机身上的机械臂4。

所述集成式超声传感器阵列1安装在机械臂4末端。所述机械臂4优选为六自由度机械臂，可控制所述集成式超声传感器阵列1进行多方位巡检和接受超声信号。

所述集成式超声传感器阵列1包括超声传感器阵列、摄像头、照明灯和测距仪；超声传感器阵列用于接收所述天然气管道5和阀门6可能发生微小泄漏时产生的超声信号；摄像头为定位到的微小泄漏源提供输气管道图像信息；照明灯为所述摄像头拍摄照片时提供照明功能；测距仪测量集成式超声传感器阵列和泄漏位置之间的距离。

所述超声传感器阵列为平面最优随机阵列，由16个超声传感器组成，超声传感器阵列优选SensComp公司的40LR12超声传感器，其中心检测频率为40kHz。

所述集成式超声传感器阵列通过防沙多孔板安装在机械臂末端；超声传感器阵列、摄像头、照明灯和测距仪集成固定在防沙多孔板上；所述轨道机器人内置于防沙装置内。

所述机身中安装有检测端数据采集模块、检测端数据处理模块、检测端数据存储模块和检测端无线数据收发模块。

检测端数据采集模块采用多通道数据采集卡，与集成式超声传感器阵列具有电信号连接，用于采集集成式超声传感器阵列接收的超声信号数据，以及必要时摄像头拍摄的图像信号数据和测距仪测量的距离数据。

所述检测端数据采集模块与所述检测端数据处理模块具有电信号连接，所述检测端数据处理模块能够对检测端数据采集模块采集的超声信号数据进行处理。检测端数据处理模块内置有信号实时频谱分析算法和定位算法，这两种算法是目前常用的公知算法。在轨道机器人沿巡检阶段，检测端数据处理模块通过信号实时频谱分析算法判断超声信号的幅值是否大于设定的阈值，若检测到超声信号幅值超过设定的阈值，则产生平台运动控制信号，由于所述机身与所述平台具有电信号连接，所以检测端数据处理模块产生的平台运动控制信号能够输入至所述平台，控制平台停止巡检运动。检测端数据处理模块再通过定位算法进行微小泄漏源的定位，并控制集成式超声传感器阵列进行图像采集以及测量距离。所述集成式超声传感器阵列采集的图像信号和距离数据能够传输给机身的检测端数据采集模块。

所述检测端数据存储模块与所述检测端数据采集模块以及所述检测端数据处理模块具有电信号连接，所述检测端数据存储模块能够存储所述检测端数据采集模块采集的超声信号数据、图像信号数据和距离数据，以及所述检测端数据处理模块产生的处理结果。

所述检测端无线数据收发模块与所述检测端数据处理模块以及所述检测端数据采集模块具有电信号连接。当需要进行数据传输时，检测端无线数据收发模块与所述监控端无线数据收发模块进行组网，进行无线数据传输，将所述检测端数据处理模块产生的处理结果以及所述检测端数据采集模块采集的图像信号数据和距离数据传输给所述监控端无线数据收发模块。

所述无线网络通信采用蓝牙、Wi-Fi、UWB、GPRS、CDMA、ZigBee等协议作为无线通信技术，与其他无线通信技术相比，ZigBee协议的省电、可靠、成本低、网络容量大、低复杂性和自组网等特点更适合于无线网络通信，本实施例中优选ZigBee 协议作为无线通信技术。所述无线数据收发设备采用基于ZigBee协议下CC2530开发套件中内嵌的RF收发设备。

所述监控中心包括监控端无线数据收发模块、监控端数据存储模块、监控模块和机器人控制模块。

所述监控端无线数据收发模块与所述监控端数据存储模块具有电信号连接，所述监控端数据存储模块能够存储所述监控端无线数据收发模块接收的数据。

所述监控端数据存储模块与所述监控模块具有电信号连接，所述监控模块能够将所述监控端数据存储模块存储的数据进行显示；用于监控人员观测数据存储模块中存储的数据信息和轨道机器人的位置信息，为维修人员提供微小泄漏源的准确位置。

所述机器人控制模块与所述监控端无线数据收发模块具有电信号连接；所述机器人控制模块能够产生轨道机器人的巡检路径和工作模式数据，并通过所述监控端无线数据收发模块传递给所述检测端无线数据收发模块；所述检测端无线数据收发模块能够将轨道机器人的巡检路径和工作模式数据传递给检测端数据处理模块。

本实用新型的工作过程为：如图1所示，所述轨道机器人2沿所述天然气管道5 进行巡检。通过所述检测端数据处理模块进行实时频谱分析，判断所述集成式超声传感器阵列1接收到的超声信号幅值谱是否超过设定的阈值。在所述阀门6附近，当检测到超声信号幅值谱超过设定的阈值时，所述轨道机器人2停止运动。所述集成式超声传感器阵列1采集超声信号并进行拍照测距，通过所述检测端数据处理模块进行微小泄漏源的定位。定位完成后，通过无线网络通信的方式把定位结果、拍摄照片和测距值传输给监控中心3，为维修人员提供微小泄漏源的准确位置。

结合附图即可看出本实用新型提供的系统通过结合集成式超声传感器阵列和轨道机器人，能够对架空输气管道泄漏进行实时检测，并能在泄漏初期发生微小泄漏时对泄漏源进行定位。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。