石油管道超聲波檢測方法及檢測用的機器人的製作方法
2023-06-14 03:22:26
專利名稱：石油管道超聲波檢測方法及檢測用的機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及石油管道超聲波檢測方法及檢測用的機器人。
背景技術：
管道機器人的工作空間是複雜、封閉的各種管道，包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等，它的運行距離一般較長。因此，機器人的機械結構必須靈活可靠，且有較大的牽引力。為了具有通用性，適應不同半徑的管道檢測，機器人應具有可調節半徑。
目前，已經開發的石油管道檢測機器人的驅動方式，主要包括主動式和從動式兩種，主動式可以對機器人的運動速度進行控制，但是要消耗大量的能量，所以一般採用接入電纜的方法給機器人提供動力和進行數據傳遞，這就大大限制了機器人的運動距離；從動式是依靠油管中石油的流動來運動，所以消耗的能源很少，機械結構簡單，但是機器人的運動速度不是很穩定，而且機器人的運動速度也不受控制。
國外一些著名公司如NKK、Pipetonix、TD-Willianson等在管道檢測機器人的開發與研製方面開展比較多，國內對這方面的研究尚處於起步階段。國外主要採用的多元蜂窩式檢測頭，其最多可載有566多個超聲探頭。各個超聲探頭直接向管壁發射寬頻超聲波，又直接接收反射波。這種機器人的內部還設有擺錘及自動調節機構，以免機器人在行進的過程中發生自身的偏轉，這種檢測方法叫靜態超聲波檢測。還有動態檢測，所謂動態檢測，就是探頭盤帶著若干個(我們採用四個)超聲頭在石油管道內隨石油的流動作旋轉探測。相比較而言，動態檢測的優點是成本低，檢測全面，易於採用。
發明內容
本發明提供一種石油管道超聲波檢測方法及檢測用的機器人，檢測方法採用動態超聲波檢測法實現在石油管道中的檢測；機器人採用探頭盤帶著四個超聲頭的動態檢測該管道檢測機器人，機器人能夠自動適應一定的管道半徑變化，並能夠通過曲率半徑的較大的彎道。該機器人能夠將檢測結果通過單片機記錄到存儲器中，並且能耗很低，解決了管道檢測機器人長距離工作的問題。
石油管道檢測機器人採用從動式結構，是輪式載體，機器人由機身、行駛機構和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭(含超聲波發射和接受器)，安裝在機器人的機身前端，其特點是在機器人尾部有一橡膠圓盤(為機器人提供動力)，機身由兩個圓柱體構成，分成前部和後部兩部分，機身前部和後部通過萬向節連接(使得機器人可以自動通過彎道，尤其是曲率較大的彎道)；行駛機構是從動輪，分別安裝在機身前部和後部；檢測裝置安裝在前機身上，石油管道超聲波檢測方法是預先設定好厚度，當機器人運動時，4個超聲波探頭繞周向旋轉，並發射超聲波，通過超聲波在管道內、外側的發射產生的時間差，來計算石油管道的厚度，將厚度與預先設定好的厚度進行比較，若厚度小於設定的厚度，則將讀取時間信息，並將其存放在存儲器中，機器人工作完成後，通過計算機讀取存儲器中的數據，進行分析與處理，即可得到管道的內部狀況。
本發明的有益效果是1.結構簡單，能耗低，能夠適應石油管道這種惡劣的環境，工作距離很長，而且能實時的對石油管道內的情況進行記錄存儲。
2.能夠自動適應管道直徑的變化，並且能夠通過萬向節對曲率較大的彎道進行自身的調整。
3.檢測方法採用動態超聲波檢測法，通過4個超聲波探頭隨著機器人的運動而轉動，從而實現了管道內動態超聲波檢測，提高了檢測的效率，能夠滿足管道檢測的要求。
4.採用超聲波檢測的方法，預先設定好厚度，通過超聲波在管道內、外側的發射產生的時間差，來計算石油管道的厚度，將厚度與預先設定好的厚度進行比較，若厚度小於設定的厚度，則將讀取時間信息，並將其存放在存儲器中。
5.機器人工作完成後，通過計算機讀取存儲器中的數據，即可對管道內的狀況進行分析與處理。
圖1是機器人結構示意圖。
圖2是輪子的伸縮機構示意圖。
圖3是檢測過程示意圖。
圖4是超聲波測量原理。
圖5是信號處理時序圖。
圖6是動態檢測掃描重疊示意圖。
圖7是數據處理單元框圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發明提供一種石油管道超聲波檢測方法及檢測用的機器人，機器人採用從動式結構，機器人由機身、行駛機構和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭，含超聲波發射和接受器，安裝在機器人的機身前端，其特徵在於在機器人尾部有一橡膠圓盤1，機身由兩個圓柱體構成，分成前部2和後部3兩部分，機身前部2和後部3通過萬向節4連接；行駛機構是從動輪，分別安裝在機身前部和後部；檢測裝置安裝在前機身上。
行駛機構是六組從動輪，兩個輪子5為一組，每組輪子相差120度，分別安裝在機身前部2和後部3。機器人後部的輪子為裡程輪，用於機器人的內定位，隨著機器人的行走而轉動。通過測定它的參數，確立機器人移動距離，從而得出所檢測出的缺陷在管道中的位置。
實施時，檢測裝置使用了四個超聲波探頭。
見圖1、圖2，從動輪由輪子5、輪架6、主軸7、扭簧12和曲柄滑塊機構組成，輪子5安裝在輪架6上，曲柄滑塊機構包括轉動圓盤8、曲柄9、滑塊10和支撐架11組成，曲柄9一端設置在轉動圓盤8邊緣，曲柄9另一端與滑塊10相連，滑塊10另一端與輪架6相連接，轉動圓盤8通過支撐架11安裝在機身內，並使轉動圓盤8套在主軸7上，通過曲柄滑塊機構來實現輪子的伸縮，並能夠適應一定的管道直徑變化。
石油管道超聲波檢測方法是預先設定好厚度，當機器人運動時，4個超聲波探頭繞周向旋轉，並發射超聲波，通過超聲波在管道內、外側的發射產生的時間差，來計算石油管道的厚度，將厚度與預先設定好的厚度進行比較，若厚度小於設定的厚度，則將讀取時間信息，並將其存放在存儲器中，機器人工作完成後，通過計算機讀取存儲器中的數據，進行分析與處理，即可得到管道的內部狀況。
見圖3、圖4，檢測過程如下當超聲探頭對管壁發出一個超聲脈衝後，探頭首先接收到由管壁的內表面反射回來的脈衝，這個脈衝與基準脈衝之間的間距是很容易測量的，該間距值表示為t1。然後，超聲探頭又會接收到由管壁的外表面反射回來的脈衝，這個脈衝與內表面產生的脈衝之間的間距為t2，t2值就反映了管壁的厚度。
見圖5、圖6，動態檢測掃描重疊示意圖，其中的圓形區域表示單個超聲脈衝在管壁上的覆蓋範圍，即檢測面積。檢測頭的轉動加上機器人本體的移動，就會在被測管道的管壁上產生無數的掃描帶，控制機器人的移動速度，相鄰的掃描帶的重複區域為1/4，便會形成一個連貫的掃描段。隨著檢測機器人在被測管道內的行進，便可以完成對整個管線的檢測。
由於通過超聲波計算管道的壁厚需要很大的計算量和很長的時間，所以通過先前的計算，得到允許的脈衝間距t2，當t2過大時，通過單片機將時間數據寫入存儲器中。機器人的運動可以近似看為勻速運動，所以對於時間的紀錄也就是對位置的記錄。
如圖5、圖7所示，在同步信號上升沿的作用下，超聲波產生器產生超聲脈衝，經過超聲波探頭向介質中發射，碰到輸油管內壁產生第一次反射；由該探頭接收到，放大處理產生脈衝，稱為A波；同樣在輸油管外壁也產生第二次反射，再由該探頭接收到，放大處理得到脈衝稱為B波。4路測量接收機都測到4個A波和4個B波；而溫度補償接收機得到一個溫度補償的At波。將超聲波接收系統送來的九路反射信號整形成脈衝信號，由零基準信號前沿觸發單路溫度波門形成電路，形成波門前沿，而分別在At波前沿再觸發形成波門後沿，將此波門分別控制十二位計數器，對時鐘計數，計出波門內時鐘個數，送到鎖存器中，這個數據代表了溫度補償。同樣，由A波分別觸發的四路壁厚波門形成電路，產生波門的前沿，再由B波分別觸發產生波門後沿，將此波門控制四通道八位計數器，對時鐘計數，求得波門內時鐘脈衝個數，送到鎖存器中，它代表了輸油管壁的厚度，由單片機從鎖存器循環讀出壁厚值，通過比較器，與預先設置的值進行比較，若壁厚小於設定值，則單片機讀取時間信息和壁厚信息，並將其記錄到存儲器中。
管道中異常狀況的確定機器人是利用管道中「油速、時間」與「位置」(特定布局的油管)的對應關係原理，通過存儲器中的信息(壁厚、時間)來確定管道中異常狀況的具體位置。首先，建立油管布局的三維模型，通過計算機圖形仿真來建立不同流速下的時間和位置的對應關係；其次，由存儲器中記錄的時間信息，通過計算得到管道異常狀況的具體位置(油速×時間差＝到起點的距離)；再次，通過存儲器中記錄的壁厚信息，便可知道管道中異常狀況的壁厚及其所在的位置；最後，由異常狀況的壁厚及位置信息，經分析比較篩選掉不合理的異常狀況。
權利要求
1.一種石油管道超聲波檢測方法，其特徵在於預先設定好厚度，當機器人運動時，4個超聲波探頭繞周向旋轉，並發射超聲波，通過超聲波在管道內、外側的發射產生的時間差，來計算石油管道的厚度，將厚度與預先設定好的厚度進行比較，若厚度小於設定的厚度，則將讀取時間信息，並將其存放在存儲器中，機器人工作完成後，通過計算機讀取存儲器中的數據，進行分析與處理，即可得到管道的內部狀況。
2.按權利要求1所述的石油管道超聲波檢測方法檢測用的機器人，其特徵在於石油管道檢測機器人，機器人採用從動式結構，機器人由機身、行駛機構和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭，安裝在機器人的機身前端，其特點是在機器人尾部有一橡膠圓盤(1)，機身由兩個圓柱體構成，分成前部(2)和後部(3)兩部分，機身前部(2)和後部(3)通過萬向節(4)連接；行駛機構是從動輪，分別安裝在機身前部(2)和後部(3)。
3.按權利要求2所述的石油管道超聲波檢測方法檢測用的機器人，其特徵在於行駛機構是六組從動輪，兩個輪子(5)為一組，每組輪子相差120度，分別安裝在機身前部(2)和後部(3)。
4.按權利要求2所述的石油管道超聲波檢測方法檢測用的機器人，其特徵在於檢測裝置4個超聲波探頭。
5.按權利要求2所述的石油管道超聲波檢測方法檢測用的機器人，其特徵在於從動輪由輪子(5)、輪架(6)、主軸(7)、扭簧(12)和曲柄滑塊機構組成，輪子(5)安裝在輪架(6)上，曲柄滑塊機構包括轉動圓盤(8)、曲柄(9)、滑塊(10)和支撐架(11)組成，曲柄(9)一端設置在轉動圓盤(8)邊緣，曲柄(9)另一端與滑塊(10)相連，滑塊(10)另一端與輪架(6)相連接，轉動圓盤(8)通過支撐架(11)安裝在機身內，並使轉動圓盤(8)套在主軸(7)上。
6.按權利要求2所述的石油管道超聲波檢測方法檢測用的機器人，其特徵在於機器人機身後部(3)內還部裝有電池和數據處理裝置。
7.按權利要求1所述的石油管道超聲波檢測方法，，其特徵在於機器人是利用管道中「油速、時間」與「位置」的對應關係原理，通過存儲器中的壁厚、時間信息來確定管道中異常狀況的具體位置；首先，建立油管布局的三維模型，通過計算機圖形仿真來建立不同流速下的時間和位置的對應關係；其次，由存儲器中記錄的時間信息，通過計算得到管道異常狀況的具體位置(油速×時間差＝到起點的距離)；再次，通過存儲器中記錄的壁厚信息，便可知道管道中異常狀況的壁厚及其所在的位置；最後，由異常狀況的壁厚及位置信息，經分析比較篩選掉不合理的異常狀況。
全文摘要
本發明提供一種石油管道超聲波檢測方法及檢測用的機器人，石油管道檢測機器人採用輪式載體，由機身、行駛機構和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭，安裝在機器人的機身前端，機器人尾部有一橡膠圓盤1，機身由兩個圓柱體構成，分成前部2和後部3兩部分，機身前部2和後部3通過萬向節4連接；行駛機構是從動輪，分別安裝在機身前部2和後部3；檢測方法採用動態超聲波檢測法。結構簡單，能耗低，工作距離很長，通過4個超聲波探頭隨著機器人的運動而轉動，從而實現了管道內動態超聲波檢測，提高了檢測的效率，能夠滿足管道檢測的要求。
文檔編號B25J5/00GK1982889SQ200510130338
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月12日 優先權日2005年12月12日
發明者丁希倫, 張逍, 袁海文 申請人:北京航空航天大學