输油管道探伤机器人的数据采集技术

输油管道探伤机器人的数据采集技术 赵恒凯,方振和 1) ,章 俊 (上海大学 通信与信息工程学院,上海 201800) 摘 要:数据采集技术是管道探伤机器人的关键技术之一。结合一种应用于输油管道探伤机 器人的数据采集系统,分析探伤数据采集的难点,提出解决这些难点的方法。 关键词:无损检验;输油管道;机器人;数据处理 中图分类号:TG115. 28 ; TP242 文献标识码:A 文章编号:100026656(2002)0320103205 DATA ACQUISITION TECHNIQUE FOR PIPELINE INSPECTION PIG ZHAO Heng2kai, FANG Zhen2he1), ZHANGJun (Department of Communication and Information , Shanghai University , Shanghai 201800 , China) Abstract : Data acquisition technique is a crux for pipeline inspection pig. A data acquisition system has been provided for the pig. The technical problems in developing the system have been analysed in detail , and the measures have beenput forward. Keywords :Nondestructive testing; Oil pipeline; Robot ; Data processing 输油管道的管理维护一直是困扰油气营运公司 的一大难题。新建的输油管道在启用之前都必须进 行一次全面的探伤以确认其可用性。输油管道投入 使用后,每年都需作例行的管道检查以确保油气运 输的安全。尤其是在管道投入使用多年后,由于金 属腐蚀、 疲劳、 地表运动及外力损伤等各种因素的影 响,管道出现裂缝、 扭曲及变形等的概率大大增加, 更需要作细致彻底的管道探伤以排除危及油气运输 的破损管道。因此,管道的探伤成为油气公司所要 完成的一项频繁的日常工作。而输油管线常常是绵 延数百乃至几千公里,要完成这样的工作是十分费 钱、 费时和费力的。更为困难的是,许多输油管道铺 设在环境条件十分恶劣的地方,如人迹罕至的沙漠, 或冰雪覆盖的冰川,使得探伤工作变得十分艰巨。 而对于深埋于海底或湖底的管道,其探伤工作则更 是人力所不能为的。因此,开发自动的智能化管道 探伤机器人技术,成为管道探伤的必然趋势。 在我国广阔的地域上分布着众多油田和绵长的 收稿日期:2000212207 基金项目:国家 “863” 基金资助项目(99132 01) 1) 上海市电子物理研究所,上海 201800 输油管道,伴随着西部油气田的相继开发以及近海 油气田的陆续开采,输油管道的管理维护成为日益 突出的问题。我国输油管道探伤机器人技术的研究 开发尚处于起步阶段,目前为止,全国仅从国外引进 少数试验性探伤系统,远不能满足需求。因此,急需 研究、 发展和利用管道探伤机器人技术。 国际上输油管道探伤机器人的研究开发已有多 年历史,自20世纪90年代以来,伴随着微电子技 术、 传感技术和自动控制技术的飞速发展,管道探伤 机器人在探伤分辨力、 探伤类别、 对管道多孔径和大 弯曲度的适应能力及探测长度等方面都取得了十分 显著的进步1。尽管如此,由于受到管道损伤类别 的多样性、 管道内部空间的局限性、 管道结构的复杂 性以及其它各种因素的影响,管道探伤机器人技术 仍然有许多方面需要完善。对管道探伤机器人的生 产厂商而言,其研究开发(R 另一类是超声波传感器。前者易于小 型化,因此对于小孔径的管道探伤尤为适用;后者具 有较高的分辨力和探伤有效性,对于由金属疲劳、 应 力作用等引起的金属裂缝的检测十分有效3 ,4。 信号转换部分完成模拟信号至数字信号的转 换。传感器送出的是模拟信号,为让后续部件存储、 处理和分析这些信号,先要将其转换成数字信号。 数据存储部分用来保存采集到的数据。目前, 常用的存储设备是磁带机。探伤机器人在管道内行 进过程中会遭受剧烈震动,要求其所有部件都具有 足够抗震动性能,数据存储部件也不例外。所以,数 据存储部件必需同时具备高存储容量和优异的抗震 动性。基于这些原因,磁带机成为普遍选用的存储 器件。此外,快闪存储器也正逐渐被采用5。 数据分析部分是独立于机器人的后续工作,在 机器人完成管道扫描后进行。在条件较好的计算中 心,通过对数据存储部件上保存的探伤数据作深入 细致的分析,确定管道损伤的类别、 形状和位置。数 据分析的核心是基于若干运算公式的分析软件包。 2 数据采集系统的技术难点 以我们研制的输油管道探伤机器人为例,来分 析探伤数据采集系统的技术难点。 管道受损伤的因素有地表运动、 外力的机械损 伤、 腐蚀及应力作用等,这些因素造成的损伤表现为 管道的扭曲、 变形、 管壁的金属剥落及裂缝等。管道 的扭曲、 变形情况通过探测油层圆切面的形状变化 来获得,而油层切面的形状可用各点的径向油层厚 度来反演得到;管壁的金属剥落和裂缝则可用管道 上各点的管壁厚度数据(在裂缝处,其实是被探测点 的管道内表面至管壁内的声波反射点之间的厚度, 而非实际的壁厚)来分析得到。因此,需要收集管道 的油层厚度和管壁厚度两种数据。我们选择了超声 波传感器作为探头,这样,只需一次扫描,就能同时 得到管壁厚度和油层厚度两种信息。 与此同时,另一类很重要的数据 定位信号 也需要记录保存。定位信号有两种,一种是机器人 的行程定位信号,用于确定探伤机器人在管道内的 位置;另一种是机器人的角度定位信号,用于确定传 感器所处的圆周方位角。这两种定位信号与上述探 测数据(油层厚度和管壁厚度)结合在一起,共同推 算出损伤发生的情况及发生的具体位置。行程定位 信号的获取已有很多有效的方法3;但是,关于精 确的角度定位信号的获得,一直没有较好的方法。 此外,还有一些辅助信号(如温度等)需要一并 加入到采集数据内。 这样,在传感器探头的每次扫描中,都有多个数 据需要采集,采集的数据量是非常巨大的。 假设研制的探伤机器人的分辨力为2mm ,即沿 管壁圆周每隔2mm扫描一次,为提高探伤速度,在 机器人头部沿圆周均匀放置16个探头使其同时工 作,每个探头只需扫描/ 8rad ,就完成了整个圆周 切面的扫描,大大提高探伤扫描效率。但是,机器人 在获得高检测速率的同时,对后续的数据采集系统 的数据处理和存储速度也提出了更高要求。 2. 1 数据采集量 一个分辨力为S、 探头每次扫描得到的数据为 Q(单位为 bit) 的探伤机器人,检测直径为D、 总长 度为L的输油管道,通过推导可得到整个探伤过程 中所采集到的数据总量C为 C = D S L S Q(1) 式中 D/ S 每个圆周切面需探测扫描的点数 L/ S 管道纵向所需探测扫描的次数, 即圆周切面数 在系统中,我们分配给管道壁厚的数据长度为 8bit ,这样,对于壁厚为25mm的管道,其壁厚的探 测误差可控制在0. 1mm;同时,考虑到油层厚度较 厚,因而分配给油层厚度的数据长度为12bit ,这样, 对于管径为0. 8m(半径为0. 4m)的输油管道,其油 层厚度的探测误差也可控制在0. 1mm以内。此 401 赵恒凯等:输油管道探伤机器人的数据采集技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 外,定位信号及温度信号等数据由16个探头共享, 因而,平均到每个探头为4bit的数据长度。因此, 每个探头每次扫描得到的数据量Q= 24bit。 采用该探伤机器人(分辨力为0. 002m)对一条 直径为0. 5m、 总长为100km的输油管道进行探测 所得到的数据总量为 C = 0. 5 0. 002 100 1 000 0. 002 24 = 942(Gbit) 可见,数据量是十分惊人的,要实现这样大的数 据量的存储是十分困难的。更何况由于受到管道内 空间的限制,管道探伤机器人在结构上必须非常紧 凑并具有高集成度。所以,分配给存储器的空间相 当有限,这更加制约了数据存储器的存储容量。因 此,探伤机器人存储容量的有限性与巨大的管道探 测数据量之间的矛盾变得十分突出,成为数据采集 系统实现过程中的一个难点。 2. 2 数据处理速度 一个分辨力为S、 前进速度为V、 探头每次扫 描得到的数据为Q的探伤机器人,检测直径为D、 总长度为L的输油管道,通过推导可得到数据采集 系统的数据处理速率R为 R = D S V S Q(2) 式中 V/ S 每秒需探测的圆周切面数 把前面的D , S , Q的实际数据代入上式,机器 人的前进速度V= 0. 5m/ s ,则有 R = 0. 5 0. 002 0. 5 0. 002 24 = 4. 71(Mbit/ s) 可见,对数据采集系统的数据处理速率的要求 很高。而且,由于传感器上的16个探头是并行工作 的,16组探测数据同时送出,因而,数据采集系统的 实际处理速度应比上述计算值还要高出许多,这样 高的数据处理速率成为又一技术难点。 2. 3 角度定位 机器人在管道内行进过程中,很容易发生围绕 轴心的旋转运动。一旦发生这种旋转,就会使得探 测信号中的角度数据与实际方位角度之间发生偏 差,从而使最终的数据分析在方位的确定上产生误 差。因此,如何得到一个不受机器人自身旋转运动 影响的准确的角度定位信号,也是很值得研究的。 3 解决方法 为解决上述技术难点,我们对图1系统作了改 进(图 2) 。图2数据采集系统可进一步细化(图 3) 。 图2 图3 3. 1 数据存储容量的解决方法 比较图2与图1可发现,在信号转换与数据存 储之间增加了一个新的功能部件 数据预处理。 损伤的管道往往仅占被检管道的一小部分,这 样,在传感器搜集的原始数据中,没有疑点的数据占 了大部分,很显然,如果把这些没有疑点的数据舍 弃,就能从很大程度上减少数据存储量。通过分析 探伤原理可知,探测油层厚度的目的是为了得到管 道圆周切面的变形数据。因此,最终需要的信息是 各探测点的油层厚度与标准油层厚度(即管道未变 形时的油层厚度)之间的差值。如果只保存差值而 非绝对的油层厚度,就可进一步减小数据存储量。 基于以上思想,引入了数据预处理。在数据被 最终存储之前,数据预处理部分先对其进行初步分 析,如数据没有疑点,就被舍弃,最终只保存有疑点 的异常数据。数据预处理还将信号转换部件送出的 12bit油层厚度数据压减为8bit的油层偏差数据。 这种方法使得最终被存储的数据大幅度减少。 如果管道中的损伤分布概率为1/ 100 ,则用该法处 理后,实际的数据存储量变为 C= 942 100 20 24 = 7. 85(Gbit) 可见,存储量降低到一个相当低的数量级,其实 现就变得比较容易了。 3. 2 数据处理速度的解决方法 从图3可见,16组探头扫描信号、 定位信号及 温度信号等是以并行的方式送出的,因此,要求其后 的数据采集系统具有很高的数据收集速率。为了与 这些并行信号的传递速率相匹配,在数据预处理部 件的输入端设置一高速的数据缓存(图3) ,暂时存 501 赵恒凯等:输油管道探伤机器人的数据采集技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 放未经处理的原始数据。待一次检测完成后,利用 下一次检测未开始前的空隙时间进行数据预处理并 将处理后的数据送往后续的存储部件。 在图3的数据采集系统中,我们引入了一个关 键部件 同步定时系统。为实现很高的数据处理 速度,数据采集系统除了采用高速器件以提高运行 处理速度外,还要充分利用可被使用的时间空隙,关 键是使系统的各部件在同步的前提下实现分时工 作。分析传感器工作原理可知,传感器的数据采集 和传递在时间上具有突发性。在探头采集信号的时 间段内,多组探头探测数据同时产生和送出,而在这 之后到第二次采集之前的相当长的时间段内,系统 空闲下来。如果利用这一段空闲时间进行数据预处 理和数据存储,将原来集中的数据采集和数据处理 分散在不同的时间段内进行,就可以较大幅度地降 低对数据采集系统运行速率的要求,尤其能有效地 消除数据预处理部件在信号处理速度上的瓶颈,避 免可能发生的数据溢出和数据丢失现象,从而显著 提高整个系统的数据采集能力和可靠性。 要实现数据采集、 数据预处理和数据存储的分 时进行,就要使系统的各个部件协调一致,准确地工 作在相应的时间段内。这是依靠同步定时系统来完 成的。传感器在每次探测的开始,发送一同步信号 至同步定时系统;在一次探测结束,再发送一同步信 号至同步定时系统。同步定时系统依据这两个信 号,周期性地产生数据采集同步信号和数据预处理 及数据存储同步信号,控制相应功能部件的工作,从 而准确地实现各部件的分时工作。数据预处理和数 据存储的分时工作流程分别如图4a和b所示。 3. 3 角度定位的解决方法 角度定位可采用两种方法。第一种方法是用霍 尔传感器来定零位。每当机器人开始采集数据前, 我们以一定的方式使装有探测器的转轴相对于管壁 旋转。待探测到零点后,扫过零点几度,再逆向返回 零点。这样可以基本上决定零点的位置(图 5) 。当 霍尔传感器与磁铁中心对准时,就是我们所要的零 位。若要求零点定位精度比较高,可进一步改进软 件设计,以消除齿轮等其它机械传动部件带来的误 差。在启动前,先使转轴相对于管壁上的磁铁作逆 时针转动,转过零点后再以顺时针转动并返回到零 点。这样的零位定得较准。相应的驱动程序也较复 杂。这种方法的缺点是机器人在管道内行进过程 中,必须定时监视零位信号,一旦检测到偏差,必须 (a)(b) 图4 图5 自动调用零点恢复程序 以重新决定零位,对于实 时监视实际的角度不太 方便。 另一种方法是采用 低精度的光纤陀螺或激 光陀螺。陀螺在装到机 器人上时先校正好零位。 在机器人行走中若零位偏移,只要根据陀螺输出信 号的大小就可测出它偏移零位的大小。上海航天局 803研究所研制的速率积分型光纤陀螺可满足机器 人角度定位的基本要求。显然,根据定位的精度,可 选用适当精度的陀螺以降低系统成本,并获得较好 的性能价格比。目前,国内许多单位研制的光纤陀 螺,包括上海803研究所研制的光纤陀螺,尽管能适 应目前的应用要求,但价格较高。 采用以上角度定位方法,可较精确地确定管道损 伤所在的圆周方位。当需对细小的管道损伤进行修 补时,这种方位角度的确定十分有用。但如采用截去 损伤管道的方案,则不需要精确确定损伤的方位角 度,可省去上述角度定位过程,降低系统的成本。 4 数据采集实例 为了检验探伤效果,我们模拟地搭建了一段输 油管道,并在管壁上设置了一些缺陷。为使探伤结 601 赵恒凯等:输油管道探伤机器人的数据采集技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 果更直观,我们将采集到的数据反演成探伤效果图。 图6和图7是从所得的探伤效果图中截取的两段图 片。图片将圆柱形的管道壁平铺开来显示,纵坐标 上标注的角度数表示该处管壁相对于角度定位原点 的圆周角度。图6是一段设置了腐蚀缺陷的管壁的 探伤效果图,图7是另一段没有设置腐蚀缺陷的管 壁的探伤效果图。图6十分清晰地显示出白色腐蚀 带,从数据分析可知,腐蚀带位于距起点2 355mm 附近,腐蚀区长度约11mm ,宽度约522mm ,面积约 31cm2,管壁厚度仅6. 9mm;而在图7中,由于管道 壁不存在腐蚀,因而没有白色的腐蚀带,测得的管道 壁厚为7. 5mm ,属于正常情况。 图6 图7 5 分析与讨论 探伤数据的采集是管道探伤的核心,数据采集 的性能决定了探伤性能的好坏,两者间有如下关系 数据采集速度=K1探伤分辨力 探测速度 数据存储容量= K2探伤分辨力 探测长度(管道长度) 式中 K1, K2 比例系数 因此,数据采集速度和数据存储容量不仅是数据采 集系统的技术难点,也是数据采集系统的两项核心 指标。提高这两项指标的方法如下: 5. 1 提高数据采集速度的方法 从当前的技术状况来看,可以从两个方向提高 数据采集速度,一是系统优化,二是器件优化。 (1)系统优化 系统优化是从系统的结构设计 和工作机理方面入手进行优化。上述同步分时工作 是方法之一。此外,还可采用并行处理技术,在数据 预处理部件等发生速度瓶颈的地方,采用多块并行 处理模块同时工作,以提高总的数据处理速度。 (2)器件优化 器件优化也是一种行之有效的 方法。可选用高速率芯片来提高绝对的运行处理速 度;也可采用高速数字信号处理(DSP)器件来有效 地提高系统的数据处理综合能力和速度。 5. 2 提高数据存储容量的方法 在机器人有限的内部空间中,留给存储器的空 间也十分有限,因而存储器的容量扩展受到体积的 限制。这样,寻找在有限空间内提高存储量的方法 就变得很重要。提高存储量可从以下途径考虑: (1)数据压缩处理 在数据存储前,首先进行 压缩处理,以减少所要存储的数据量,从而等效地提 高数据存储容量。上述数据预处理就是一种有效的 数据压缩方案。预处理后,如果再结合所探测的数 据性质和压缩算法进一步压缩数据,则可更大程度 地降低数据存储量。但这时对数据压缩的运算速度 有较高要求。 (2)新的存储器件的运用 目前,除磁带机外, 其它类型的存储器件也正逐步显现其使用价值,如 以快闪存储介质构造的存储器件片式闪存(DOC)和 模块式闪存(DOM)。与磁带机相比较,DOC和 DOM具有更高的单位体积存储容量、 更高的可靠 性和更好的抗震动性能等优点,且与系