CN113932154A - 测流器、管道监测装置及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了测流器、管道监测装置及***，其中用于管道监测的测流器包括：导向管、定向仪、转子流速仪、压力传感器、数据同步单元和数据通讯单元；导向管为管段状，转子流速仪设于导向管的腔体内壁；压力传感器、定向仪、数据同步单元和数据通讯单元均与导向管连接；数据同步单元用于同步记录压力传感器采集的水压压力值、定向仪采集的方向值和转子流速仪采集的水流流速值；数据通讯单元用于将同步后的水压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元。本发明可以测得待检测管段近场位置的水流数据，这样，就能够获得用于受力分析时的精确的水流数据，从而也就有效的提高了被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度。
Description
技术领域
本发明涉及长输管道管理技术领域，特别涉及测流器、管道监测装置及***。
背景技术
长输管道常常要穿越河流、湖泊等水流活动区域，如果河床的变化较为剧烈或遇大型洪水，河床砂土处于含水饱和状态，极易在水流冲刷作用下层松动或脱离，同时两侧河岸在水流作用也容易损毁。当河床冲刷到一定程度时，可能造成管道裸露或漂浮。对于跨越河流管道，也有可能因为水位上升而形成漂管现象。漂管在(含沙土)水流的作用下发生变形或振动，可导致管道弯曲、疲劳损伤，严重的情况下，甚至会导致管道的断裂。
为了预防管道的损坏，现有技术中，一般是采用无人机加载流速监测装置的方式来采集特定管段近场的水流流速数据，然后再通过洪水漂浮管道应力分析公式得出管道关键部分的受力大小及其损坏风险程度，这样就可以根据管段的损坏风险程度来确定相应的应对措施，以期能够降低管道损坏的风险。
发明人经过研究发现，现有技术中管段的损坏风险程度的判断结果准确度较差，容易造成误判，进而导致出现由于应对措施不够合理造成的管道损坏，或是由于过保护造成的成本浪费。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提高被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度。
本发明提供了一种用于管道监测的测流器，包括：导向管、定向仪、转子流速仪、压力传感器、数据同步单元和数据通讯单元；
所述导向管为管段状，所述转子流速仪设于所述导向管的腔体内壁；所述压力传感器、所述定向仪、所述数据同步单元和所述数据通讯单元均与所述导向管连接；
所述数据同步单元用于同步记录所述压力传感器采集的水压压力值、所述定向仪采集的方向值和所述转子流速仪采集的水流流速值；
所述数据通讯单元用于将同步后的水压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元。
本发明实施例的另一面，还提供了另一种用于管道监测的测流器，包括：导向板、定向仪、转子流速仪、压力传感器、数据同步单元和数据通讯单元；
两个以上的所述导向板合围设置并将所述转子流速仪设于合围而成的腔体内；所述压力传感器、所述定向仪、所述数据同步单元和所述数据通讯单元均与所述导向板连接；
所述数据同步单元用于同步记录所述压力传感器采集的水压压力值、所述定向仪采集的方向值和所述转子流速仪采集的水流流速值；
所述数据通讯单元用于将同步后的压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元。
在本发明中，所述导向管的外壁，或，所述导向板的外侧还设有导向鳍片。
在本发明中，所述压力传感器、所述定向仪、所述数据同步单元和所述数据通讯单元中的一个及其任意组合设于所述导向管的外壁。
在本发明中，所述定向仪包括陀螺仪。
在本发明中，所述导向管包括圆管或方管。
在本发明中，所述导向板的截面为弧形。
本发明实施例的另一面，还提供了一种管道监测装置，包括：如上述测流器，以及，数据接收单元、处理单元和无人机；
所述无人机通过连接线缆悬挂连接所述测流器；所述数据接收单元和所述处理单元均连接设于所述无人机；
所述数据接收单元用于接收同步后的水压压力值、方向值和水流流速值；
所述处理单元用于根据所述水压压力值生成用于控制所述无人机飞行高度，和/或，用于控制所述连接线缆的连接长度的控制指令。
在本发明中，所述处理单元包括水深计算模块；
所述水深计算模块用于根据所述水压压力值计算所述测流器的水深数据。
在本发明中，还包括：设于所述无人机的视频采集装置；
所述视频采集装置用于获取所述测流器的位置图像。
在本发明中，还包括：设于所述无人机的第一无线通信模块；
所述第一无线通信模块用于与上位机数据交互；所述数据交互包括将同步后的水压压力值、方向值和水流流速值，以及，所述测流器的位置图像发送至上位机。
在本发明中，所述数据交互还包括：
接收所述上位机发送的用于所述无人机的飞行控制指令。
本发明实施例的另一面，还提供了一种管道监测***，包括上位机，以及，如上述管道监测装置；所述上位机包括第二无线通信模块、管道受力分析模块和报警模块；
所述第二无线通信模块用于与所述第一无线通信模块数据交互；所述管道受力分析模块用于根据同步后的水压压力值、方向值和水流流速值对所述测流器近场的待检测管段进行受力分析；
所述报警模块用于根据所述受力分析结果生成警报信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中，可以在上位机的远程控制下，到达待检测管段的位置，通过进一步控制无人机的飞行高度或是控制连接线缆的连接长度，来控制测流器在水中的深度和位置，使测流器可以靠近待检测管段的近场，并测得其近场位置的水流方向和流速，这样，就能够获得用于对管道进行受力分析时的精确的水流数据，从而也就有效的提高了被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度。
上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是本发明中所述测流器的主视图的结构示意图；
图2是本发明中所述测流器的正视图的结构示意图；
图3是本发明中所述风管道监测***的结构示意图；
图4是本发明中所述测流器的又一结构示意图；
图5是本发明中所述测流器的又一结构示意图；
图6是本发明中漂浮管道受力示意图；
图7是本发明中漂浮管道穿越河流示意图；
图8是本发明中又一漂浮管道受力示意。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
实施例一
为了提高被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度，参考图1至图3，在本发明实施例中提供了一种用于管道监测的测流器01，包括：导向管101、定向仪102、转子流速仪103、压力传感器104、数据同步单元105和数据通讯单元106；
导向管101为管段状，转子流速仪103设于导向管101的腔体内壁；压力传感器104、定向仪102、数据同步单元105和数据通讯单元106均与导向管101连接；数据同步单元105用于同步记录压力传感器104采集的水压压力值、定向仪102采集的方向值和转子流速仪103采集的水流流速值；数据通讯单元106用于将同步后的水压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元(图中未示出)。
参考图3，本发明实施例中的测流器01的应用场景可以是与无人机02协同构成管道监测装置，其中无人机02的作用是悬挂测流器01到作为监测对象的管道上空，将测流器01置于待检测管段的近场的水中；测流器01则用于检测特定水深的水流流向和流速。
发明人经过研究发现，现有技术中之所以管道的损坏风险程度的判断结果准确度较差，容易造成误判，其原因至少包括：
无人机加载流速监测装置得流速监测装置一般检测的都是水流表面的流速，但是，漂浮管道在水中往往并不是处于水面位置，而是悬浮在水下，具有一定的深度；造成管道漂浮的水文场景往往是地形复杂，水面以下对漂浮管道造成冲击的位置的水流方向和流速与水面无法保持一致；因此，现有技术中根据流速监测装置获得的水流速用于后续的受力分析就无法与漂浮管道实际的受力情况保持一致，进而也导致损坏风险程度的判断结果准确度较差，容易造成误判。
基于以上发现，在本发明实施例中提供了一种由无人机02悬挂连接的水下的测流器01，来检测水下待检测管段近场位置的水流方向和流速。
本发明实施例中的测流器01需要与无人机02配合使用，具体方式包括：通过连接线缆201，测流器01悬挂于无人机02下，无人机02到达待检测管段的上空后，通过无人机02的高度调整或是连接线缆201的连接长度的调整将测流器01置于合适的水深位置。本发明实施例中的测流器01包括导向管101、定向仪102、转子流速仪103、压力传感器104、数据同步单元105和数据通讯单元106，其中：
导向管101为管段状，在实际应用中，导向管101的截面可以是圆形，也可以是方形等形状；管状的导向管101可以随着水流的方向自动的调整其方向，即，导向管101的径向方向会自动的与水流保持一致；这样，设于导向管101的定向仪102就可以测得当前水流的方向值；转子流速仪103设于导向管101的腔体内壁，来测量流过导向管101腔体内的水流速度；此外，压力传感器104获得水压压力值，通过换算可以计算出压力传感器104在水中的水深数据，这样也就获得了测流器01的水深数据；数据同步单元105可以将同一时刻获得的水压压力值、水流的方向值和水流流速值关联在一起；然后，在通过数据通讯单元106用于将同步后的水压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元。预设数据接收单元可以设置在无人机02上，通过无人机02的无线通信模块，可以将这些数据发送至上位机03以进行后续的管道受力分析。在实际应用中，压力传感器104、定向仪102、数据同步单元105和数据通讯单元106都可以设置于设于导向管01的外壁上。其中，用于测定水流的方向值的定向仪102具体可以是陀螺仪。
优选的，在本发明实施例中，在导向管01的外壁还可以设有导向鳍片107，来进一步的优化导向管01与水流方向的契合度，使导向管01能够更好地与水流方向保持一致，进而获得更加精确地水流的方向值。
综上所述，本发明实施例中的测流器可以配合无人机来根据待测管段的不同水深位置，对待测管段的近场进行水流的流速和流向的测定，能够获得用于对管道进行受力分析时的精确地水流数据，从而也就有效的提高了被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度。
实施例二
为了提高被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度，如图3所示，在本发明实施例中提供了一种用于管道监测的测流器11，包括：导向板111、定向仪112、转子流速仪113、压力传感器114、数据同步单元115和数据通讯单元116；
两个以上的导向板111合围设置并将转子流速仪113设于合围而成的腔体内；压力传感器114、定向仪112、数据同步单元115和数据通讯单元116均与导向板111连接；
数据同步单元115用于同步记录压力传感器114采集的水压压力值、定向仪112采集的方向值和转子流速仪113采集的水流流速值；
数据通讯单元116用于将同步后的压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元。
本发明实施例中的用于管道监测的测流器11，本发明实施例与图1所对应的实施例一的工作原理类似，不同的是，在本发明实施例中使用导向板111代替了实施例一中的导向管101；
如图4所示，本发明实施例中的导向板111与实施例一中的导向管101作用相同，都是用来随着水流的方向自动的调整其方向，从而使导向板111的方向自动的与水流保持一致；与导向管101为闭合管状不同，本发明实施例中的导向板111并不闭合，可以由两个或两个以上的板状的导向板111合围在一起，并将转子流速仪113设于其内，进而测得水流速度。
优选的，如图5所示，在本发明实施例中，各导向板的截面还可以设置为弧形。
由于本发明实施例中的测流器与实施例一中的测流器工作原理类似，各组成部件的作用也相同，彼此可以互相参照理解，在此就不再赘述。
实施例三
基于实施例一或实施例二中的测流器，本发明实施例中还提供了管道监测装置，如图3所示，管道监测装置包括：测流器01，以及，数据接收单元(图中未示出)、处理单元(图中未示出)和无人机02。
无人机02通过连接线缆201悬挂连接测流器01；数据接收单元和处理单元均连接设于无人机02；数据接收单元用于接收同步后的水压压力值、方向值和水流流速值；处理单元用于根据水压压力值生成用于控制无人机02飞行高度，和/或，用于控制连接线缆201的连接长度的控制指令。
本发明实施例中的管道监测装置用于与上位机03联合使用，构成管道监测***，其中管道监测装置的作用是到达待检测管段的近场测得水流数据(如水深，流速和水流方向等)；管道监测装置包括测流器01和无人机02两个主要部分，无人机02飞行悬挂测流器01到达待检测管段的上空位置，然后将测流器01置于待检测管段同水深的近场位置来测得水流数据，
本发明实施例中的测流器01的结构和工作原理可以参照实施例一或实施例二，在实际应用中，根据水压与水深的关系，可以依据压力传感器104的压力值来计算出出压力传感器104在水中的水深数据，这样也就获得了测流器01的水深数据；为此，在处理单元可以包括水深计算模块(图中未示出)来根据压力传感器104的压力值来计算出出压力传感器104在水中的水深数据。
在实际应用中，为了方便远程控制无人机02到达预设的指定位置和观察测流器01的位置，无人机02上还可以设有视频采集装置(图中未示出)；通过视频采集装置采集测流器01的位置图像，可以更好地将测流器01控制在待检测管段的近场位置。
此外，一般情况下，无人机02还会设有无线通信模块来与上位机03数据交互，本发明实施例中可称之为第一无线通信模块；本发明实施例中的通过与上位机03的第二无线通信模块的数据交互，无人机02可以接收飞行控制指令，进而实现远程控制无人机02的飞行高度、飞行路径和飞行姿态等；此外，通过数据交互，上位机03还可以接收第一无线通信模块发送的同步后的水压压力值、方向值和水流流速值以及，接收测流器01的位置图像等。
综上所述，在本发明实施例中的管道监测装置可以在上位机的远程控制下，到达待检测管段的位置，通过进一步控制无人机的飞行高度或是控制连接线缆的连接长度，来控制测流器在水中的深度和位置，使测流器可以靠近待检测管段的近场，并测得其近场位置的水流方向和流速，这样，就能够获得用于对管道进行受力分析时的精确的水流数据，从而也就有效的提高了被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度。
实施例四
在本发明实施例中，还提供了一种管道监测***，如图3所示，包括上位机03，以及，实施例三中所述的管道监测装置；上位机03包括第二无线通信模块(图中未示出)、管道受力分析模块(图中未示出)和报警模块(图中未示出)；
第二无线通信模块用于与第一无线通信模块数据交互；管道受力分析模块用于根据同步后的水压压力值、方向值和水流流速值对测流器01近场的待检测管段进行受力分析；报警模块用于根据受力分析结果生成警报信息。
上位机03的主要作用是接收和记录待检测管段的水流数据(包括水压压力值、方向值和水流流速值等)，然后再结合待检测管段的各种物理参数对待检测管段进行受力分析，进而可以在待检测管段有损坏风险时生成相应的警报信息。
本发明实施例中，待检测管段的受力分析的具体方式可以是：
待检测管段的管体受到水流拖曳力、竖向举力、重力及浮力的作用，如图6所示。图6中，W为管道的水中重量和内含物重量，FD为管道受到水流的冲击力，FL为升举力，Ff为管道浮力，V为水流速度。根据莫里逊(Morrison)方程，可求出阻力FD和举力FL，计算公式如下所示：
式中，ρ为洪水密度；D为管道的外径；
为水流流速值；CD：动水阻力系数(详见表1)；CL：动水升力系数(详见表1)。
表1水动力系数
| Re(10<sup>5</sup>) | <0.5 | 0.5～1 | 1～2.5 | 2.5～5 | >5 |
| C<sub>D</sub> | 1.3 | 1.2 | 1.53-Re/(3×10<sup>5</sup>) | 0.7 | 0.7 |
| C<sub>L</sub> | 1.5 | 1 | 2.5-Re/(5×10<sup>5</sup>) | 0.7 | 0.7 |
表1中，Re为水流的雷诺数；对于稳流情况，雷诺数Re由下式定义：
Re＝VeD/υ
式中，υ：流体运动粘度(常温下水为1×10-6m2/s)。
漂浮管段穿越河流的场景如图7所示，管道与堤岸夹角a。按作用方向将漂浮管段受到的载荷划分为两类：一是水平方向(沿流速方向)的水流拖曳力，二是沿竖直方向的浮力、升举力和重力(管道和输送介质)。由于承受两个方向上的作用力，漂浮管段表现出水平和竖向的组合弯曲变形。同时，两侧堤岸内的埋管因弯曲而受到土体抗力的作用。
假设洪水流速均匀且处处相等，则单位长度管道所受的横向作用力(qH)为水流拖曳力在垂直于管轴方向上的分量：
qH＝FDsina
竖直方向上单位长度管道所受力(qV)为：
qV＝Ff+FL-W
单位长度管道所受的合力(q)为：
如图8所示，漂浮管段可视为受均布载荷的梁，两侧埋管则视为堤岸场地土内的弹性地基梁，堤岸至远端管道受轴向摩擦Pf的作用。
计算方法采用横向滑坡的解析计算方法进行分析，步骤为：
1)由弹性地基梁理论计算AB段管道挠曲方程、B点的弯矩和转角，其中土弹簧刚度k由场地土的横向、竖向刚度复合得到；
2)计算BD段管道挠曲方程；
3)根据位移协调方程迭代求解，得到B点轴力，进而求得管道各点应力、应变分布。
综上所述，本发明实施例中，可以在上位机的远程控制下，到达待检测管段的位置，通过进一步控制无人机的飞行高度或是控制连接线缆的连接长度，来控制测流器在水中的深度和位置，使测流器可以靠近待检测管段的近场，并测得其近场位置的水流方向和流速，这样，就能够获得用于对管道进行受力分析时的精确的水流数据，从而也就有效的提高了被监测管道近场的水流的检测精度和管道受力分析的精度。
上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储设备中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储设备包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、ReRAM、MRAM、PCM、NAND Flash，NOR Flash，Memristor、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1.一种用于管道监测的测流器，其特征在于，包括：导向管、定向仪、转子流速仪、压力传感器、数据同步单元和数据通讯单元；
所述导向管为管段状，所述转子流速仪设于所述导向管的腔体内壁；所述压力传感器、所述定向仪、所述数据同步单元和所述数据通讯单元均与所述导向管连接；
所述数据同步单元用于同步记录所述压力传感器采集的水压压力值、所述定向仪采集的方向值和所述转子流速仪采集的水流流速值；
所述数据通讯单元用于将同步后的水压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元。
2.一种用于管道监测的测流器，其特征在于，包括：导向板、定向仪、转子流速仪、压力传感器、数据同步单元和数据通讯单元；
两个以上的所述导向板合围设置并将所述转子流速仪设于合围而成的腔体内；所述压力传感器、所述定向仪、所述数据同步单元和所述数据通讯单元均与所述导向板连接；
所述数据同步单元用于同步记录所述压力传感器采集的水压压力值、所述定向仪采集的方向值和所述转子流速仪采集的水流流速值；
所述数据通讯单元用于将同步后的压压力值、方向值和水流流速值传输至预设数据接收单元。
3.根据权利要求1或2所述的用于管道监测的测流器，其特征在于，所述导向管的外壁，或，所述导向板的外侧还设有导向鳍片。
4.根据权利要求1或2所述的用于管道监测的测流器，其特征在于，所述压力传感器、所述定向仪、所述数据同步单元和所述数据通讯单元中的一个及其任意组合设于所述导向管的外壁。
5.根据权利要求1或2所述的用于管道监测的测流器，其特征在于，所述定向仪包括陀螺仪。
6.根据权利要求1所述的用于管道监测的测流器，其特征在于，所述导向管包括圆管或方管。
7.根据权利要求2所述的用于管道监测的测流器，其特征在于，所述导向板的截面为弧形。
8.一种管道监测装置，其特征在于，包括：如权利要求1至7中任一所述测流器，以及，数据接收单元、处理单元和无人机；
所述无人机通过连接线缆悬挂连接所述测流器；所述数据接收单元和所述处理单元均连接设于所述无人机；
所述数据接收单元用于接收同步后的水压压力值、方向值和水流流速值；
所述处理单元用于根据所述水压压力值生成用于控制所述无人机飞行高度，和/或，用于控制所述连接线缆的连接长度的控制指令。
9.根据权利要求8所述的管道监测装置，其特征在于，所述处理单元包括水深计算模块；
所述水深计算模块用于根据所述水压压力值计算所述测流器的水深数据。
10.根据权利要求9所述的管道监测装置，其特征在于，还包括：设于所述无人机的视频采集装置；
所述视频采集装置用于获取所述测流器的位置图像。
11.根据权利要求10所述的管道监测装置，其特征在于，还包括：设于所述无人机的第一无线通信模块；
所述第一无线通信模块用于与上位机数据交互；所述数据交互包括将同步后的水压压力值、方向值和水流流速值，以及，所述测流器的位置图像发送至上位机。
12.根据权利要求11所述的管道监测装置，其特征在于，所述数据交互还包括：
接收所述上位机发送的用于所述无人机的飞行控制指令。
13.一种管道监测***，其特征在于，包括上位机，以及，如权利要求8至12中任一所述管道监测装置；所述上位机包括第二无线通信模块、管道受力分析模块和报警模块；
所述第二无线通信模块用于与所述第一无线通信模块数据交互；所述管道受力分析模块用于根据同步后的水压压力值、方向值和水流流速值对所述测流器近场的待检测管段进行受力分析；
所述报警模块用于根据所述受力分析结果生成警报信息。
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