專利名稱：紅外埋地管道探測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種管道探測儀器，具體是一種紅外埋地管道探測裝置，用于判斷埋地輸油管道的走向、管道分支以及管道泄漏位置。
背景技術：
目前，埋地輸油管道泄漏檢測方法主要有物質平衡檢測法、負壓波檢測法、聲波檢測法、電磁波法、光纖振動傳感器檢測法、同位素示蹤法。
物質平衡檢測法是根據管道的輸入量之和是否等于管道的輸出量之和來判斷管道是否發生了泄漏，該方法原理簡單，在管網現有設備基礎上不需要增加設備或增加少量設備即可以實現管道的泄漏檢測，是投資少、見效快的一種方法。該方法的優點是設備簡單、安裝方便、造價較低，缺點是要求流量檢測儀表有較高的精度(流量計精度不高不能發現微小的泄漏)，且不能確定泄漏點的位置。
負壓波檢測法是根據泄漏負壓波原理實現的。當管道發生泄漏時，在泄漏點會產生瞬時的低頻負壓波變，這個波變會在管道介質中向管道兩端傳播，根據負壓波到達壓力探測器的時間差可以計算出泄漏點的位置。該方法雖然在理論上可行，但有一定的局限性，只適合于內壓較大的主管線，對于壓力較小的支管線效果不理想。
聲波檢測法的出發點是物體間的相互碰撞均會產生振動，發出聲音，形成聲波，聲波不但能在空氣中傳播，而且能在液體和固體中傳播。聲波在空氣中傳播時，空氣阻力使聲波急劇衰減，其傳播速度僅為340m/s，而聲波在鋼管中傳播時，由于受到極小的阻力，其傳播速度可高達5000m/s以上。打孔盜油時產生的聲波沿著鋼管高速傳播，安裝在鋼管外壁上的高靈敏度聲學傳感器接受到該聲波后，對信號進行放大、濾波、一線判別，然后傳輸給總站主機。主機對接收到的信號進行特殊的數字信號檢測和二線判別，獲得正確的報警信號。由于各分站以編碼發送信號，主機定位接收信號，定位顯示報警位置，同時記錄報警時間，因此，一旦發現盜油打孔，主控計算機立刻自動啟動報警系統，發出報警信號。此方法的優點在于能夠在偷油的早期快速檢測，缺點是干擾較大，很難區分偷油打孔信號和其它干擾信號，經常有誤報或漏報的情況，定位也不準確。
電磁波法此方法只能探測地下金屬管線，而對非金屬管線則無能為力。
光纖振動傳感器檢測法的光纖振動傳感器是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖傳感器受到很微小的外力作用時，就會產生微彎曲，而其傳光能力會發生很大的變化。把光纖振動傳感器每隔一千米貼到埋地輸油管道外壁，傳感器之間用普通光纖相連，并連接到終端信號分析儀進行分析。打孔盜油時產生的振動會使光纖振動傳感器變形，其中的光信號的振幅、相位、頻率、偏振等方面將發生變化，從而分析可知偷油的位置。此方法可以做到快速準確定位偷油位置，但最大的難點在于如何區分打孔盜油和其它干擾因素(如卡車經過管道等)而引起的管道振動，常有誤報或漏報的情況，定位也不準確。
同位素法是在原油中加入某種同位素，當原油在埋地管道中傳輸時，通過同位素檢測儀便可以檢測埋地管道的走向。但此方法會造成環境污染，而且成本較高。
以上現有技術中的各種埋地管道檢測技術雖然各有優點，但卻只能解決管道泄漏中某一方面的問題。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提供一種能夠快速、直觀、準確地判斷埋地輸油管道的走向、管道分支以及管道泄漏位置的紅外埋地管道探測裝置。
本實用新型的紅外埋地管道探測裝置，包括紅外鏡頭和電源，所述的紅外鏡頭依次連接紅外探測器、熱圖采集與預處理電路、USB接口電路以及計算機處理系統；所述的紅外鏡頭用于將被測對象的熱輻射聚焦在所述的紅外探測器；所述的紅外探測器用于將光信號轉換為表征熱輻射的圖像電信號，由320×240微測熱輻射計凝視紅外焦平面陣列構成；所述的熱圖采集與預處理電路由A/D模數轉換器和數字信號處理器構成，數字信號處理器用于完成非均勻性校正、幀存儲、濾波、灰度統計、直方圖、以及測溫；所述的USB接口電路用于將經過熱圖采集與預處理電路預處理過的熱圖數字信號傳輸到計算機處理系統；所述的計算機處理系統用于紅外圖像的實時顯示，偽彩變換，圖像存儲，與圖像分析。
所述的紅外鏡頭是焦距為19mm的紅外鍺鏡頭。
所述的計算機處理系統是筆記本電腦與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果(1)本實用新型利用紅外熱成像法探測埋地管道，快速，直觀，準確的判斷埋地輸油管道的走向，管道分支，以及管道泄漏位置。包括金屬管道和其它非金屬管道；(2)本實用新型使用方便，便于攜帶，很適合野外操作；(3)對環境無任何污染，管線檢測成本很低。
圖1是本實用新型的硬件整體結構方框圖；圖2是鏡頭傾斜角度示意圖；圖3是軟件總體框架；圖4圖像數據實時處理與顯示的流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作以詳細說明。
本實用新型的紅外埋地管道探測裝置是由紅外鍺鏡頭，紅外探測器，熱圖采集與預處理電路，以及用于圖像顯示和處理的筆記本電腦組成的。其整體結構框架如圖1所示。
所述的紅外鍺鏡頭通過焦距為19mm紅外鍺鏡頭將被測對象的熱輻射聚焦在紅外焦平面陣列探測器。
所述的紅外探測器采用320×240微測熱輻射計凝視紅外焦平面陣列構成的紅外探測器。它由非晶硅電阻輻射計通過微橋結構連接到硅讀出集成電路，將光信號轉換為表征熱輻射的圖像電信號。
所述的熱圖采集和校正、濾波、測溫電路，通過14位精度的A/D進行模數轉換，然后由數字信號處理(DSP)系統完成非均勻性校正、幀存儲、濾波、灰度統計、直方圖、以及測溫等功能。
所述的USB接口電路使用USB2.0接口將經過前面采集電路預處理過的熱圖數字信號傳輸到計算機。
所述的計算機處理系統主要負責紅外圖像的實時顯示，偽彩變換，圖像存儲，與圖像分析等功能。筆記本電腦的選擇在充分考慮了整機的尺寸，重量以及圖像處理速度等要求的前提下，選擇了華碩S200。此款筆記本主頻為迅馳1GHz，硬盤40G，顯示屏為8.9英寸，分辨率為1024×1024，重量880克，很好的滿足了本項目的需要。
本實用新型中的電源，主要由于給紅外傳感器、采集與預處理電路和USB供電。根據儀器野外操作的時間一般在3小時左右，選擇了額定容量為4.5Ah的(21CR3165)型鋰離子蓄電池組，本實用新型硬件結構的特點是使用高性能的筆記本電腦作為人機控制界面和顯示設備，而沒有采用一般的視頻輸出。這樣，可以充分利用筆記本電腦強大的數據處理功能對圖像進行各種算法的在線處理，改進圖像的質量；而且當發現可疑區域時可以隨時對圖像進行存儲，便于以后的離線處理。
當計算機處理系統采用筆記本電腦后，本實用新型的紅外管道探測儀便成為一種手持式便攜探測儀器，便于攜帶和現場檢測。儀器的整機設計要充分考慮其實際用性。整機設計要考慮的幾個因素之一，鏡頭傾斜角度的確定，如圖2所示。h為人手持儀器的高度，一般在1.2～1.5m；θ為鏡頭水平視角的1/2，θ＝22.8°；L為探測的水平寬度，取值4m；S為儀器到探測點的距離；α為探測器傾斜角度。則有s＝L/2tgθ；α＝arcsin(h/s)；計算可得α≈15～21°。經過實際測量儀器的視場范圍之后，鏡頭的傾斜角度定為20°。
計算機處理系統儲存有應用軟件，用于完成紅外圖像的實時顯示，偽彩變換，圖像存儲，與圖像分析等功能。下面公開一種本實用新型設計人研制的應用軟件。
本實用新型的紅外管道探測儀的應用軟件部分是運行在筆記本電腦上的基于Windows2000操作系統的應用程序。程序設計完全根據面向對象的編程思想，采用目前流行的VisualC++6.0和微軟基礎類庫MFC為開發平臺。軟件總體框架如下圖3所示，其中包括“原始圖像數據的獲取與校正模塊”，“圖像實時處理與顯示模塊”，“偽彩處理模塊”，以及“圖像保存與離線分析模塊”等主要功能。以下幾節將分別介紹這些功能模塊。
圖像數據實時處理與顯示的流程如圖4所示。將經過校驗的圖像數據在自動或者手動選定的溫窗起點和溫窗范圍的基礎上，向256級灰度映射，然后進行灰度均衡改善圖像質量，再填充DIB結構，包括頭文件信息、調色板和圖像數據。注意DIB的圖像數據與紅外熱像儀所采的圖像數據在行上倒置。最后用PaintDIB()函數將DIB繪制在顯示器上。
偽彩處理模塊。人的視覺對彩色相當敏感。人眼一般能區分的灰度等級只有二十多個，但是能區分有不同聯度、色度、飽和度的幾千種顏色。根據人的這個特點，可將彩色用于圖像增強中，以提高圖像的可鑒別性。經過對比分析，彩虹編碼1最為符合人對顏色與溫度的認知習慣。高溫區域用暖色調顯示，低溫區域用冷色調顯示。隨著溫度由高變低，其顏色的漸變過程為白，紅，黃，綠，藍，黑。所以，紅外管道探裝置的應用軟件最終選擇彩虹編碼1對埋地輸油管道的灰度圖像進行偽彩處理。
圖像保存模塊，用紅外管道探測儀進行石油管道巡線時，需要對可疑偷油漏油區域的紅外熱圖及時保存以便進行后續的離線處理。根據本項目的實際需要，圖像保存可通過“自動保存”和“手動保存”兩個途徑來完成。“自動保存”功能無需用戶進行任何輸入操作。當巡線員發現可疑區域時，只需按一個自動保存的快捷功能鍵(數字鍵3)，當前圖像便以系統當前時刻的時間為文件名保存到磁盤上。文件路徑的具體格式為“D\discovery\年_月_日\時_分_秒.dis”，當離線再次打開由“自動保存”所存儲的圖片時，圖片采集的時間自動顯示在該圖片的左上角。“手動保存”則需要操作人員手動輸入所存圖像的一些信息，如文件名，時間，備注等，存儲路徑也需要用戶來選擇。“手動保存”比“自動保存”的一個優點在于用戶可以自行加入圖片的描述信息，方便以后的查詢分析，但同時缺點是操作比較繁瑣。當離線再次打開“手動保存”所存儲的圖片時，此圖片的所有相關描述信息也一起顯示。
圖像的離線分析模塊，對于一些可疑區，單從紅外圖像上看很難確定埋地管道的走向和分支情況，這時需要用模式識別等數字圖像處理算法對埋地管道情況進行機器識別，用以輔助人工判斷。本文應用圖像分割，數學形態學處理，以及骨架跟蹤等算法對埋地管道的紅外圖像進行處理，可以較好的判別管道的走向和分支情況。由于上述算法的運算都需要較長的時間(一般為幾秒)，所以只適合對已存儲的圖像進行離線處理。對圖像的離線處理結果可以做成分析報告的形式進行存儲或打印輸出。
人機界面設計。軟件的人機界面是與用戶接觸最為直接和緊密的部分，它是巡線員操作使用紅外管道探測儀的唯一接口。因此，人機界面的設計要本著實用的原則，一要功能突出，二要簡單易用，三要美觀大方。
根據以上要求，本紅外管道探測儀的應用軟件的界面設計，包括了標題欄、菜單欄、工具欄、客戶區和狀態欄五個部分。其中菜單欄和工具欄，集中了所有的操作命令。客戶區主要用來顯示紅外圖像，左半部分為灰度圖像顯示，右半部分為彩虹編碼的偽彩圖像顯示。
本實用新型在針對管徑、油溫、埋深、測量環境等情況不同的管道分別做了大量的現場探測實驗，其中包括(1)10寸主管道單管線檢測。檢測實時情況10寸主管道，埋地75cm，管壁溫度40~45℃，測量地點港東5站和23站交叉口，測量時間11月初中午11:20，陽光直射，風力2~3級，氣溫15℃。
(2)2寸半管道單管線檢測。檢測實時情況2寸半管道，埋地深度40cm，溫度45℃。測量地點馬西20站出油井口管線，測量時間6月初凌晨7:00，微風，氣溫18℃。
(3)2根6寸交叉管道檢測之一。檢測實時情況2根6寸管道相交匯，埋地60cm，溫度40~45℃。測量地點港東5站和23站交叉口，測量時間為11月初中午11:00，晴天陽光直射，風力2~3級，氣溫15℃。
(4)2根6寸管道交叉檢測之二。檢測實時情況埋地60cm的6寸管線，溫度40~45℃，測量地點港東5站和23站交叉口，測量時間11月初晨7:30，氣溫7℃，風力3~4級。該管道在地下向右折行。
(5)特殊地表環境下6寸管道檢測之一。檢測實時情況6寸管道，埋地60cm，溫度40~45℃。表面覆蓋40cm長的野草。測量地點港東5站和23站交叉口，測量時間11月初晚20:00，風力3~4級，氣溫8℃。
(6)特殊地表環境下6寸管道檢測之二。檢測實時情況15cm厚的水泥路面下的6寸管道，埋地40cm，溫度40~45℃。測量地點港東5站和23站交叉口，測量時間為中午11:10，晴天陽光直射，風力2~3級，氣溫15℃。該管線在水泥地面依然可見。
(7)特殊地表環境下6寸管道檢測之三。檢測實時情況6寸管道，埋地55cm，溫度40℃，測量地點港東5站和23站交叉口，測量時間11月初中午11:30，陽光直射，風力2～3級，氣溫15℃。地表面有車轍。
以上管徑、油溫、埋深、測量環境等不同情況的埋地輸油管道的現場探測實驗結果，體現了本實用新型無論對單管線、交叉管線、或是復雜地表環境下的埋地管線進行探測，其紅外熱成像的方法均能收到較好的成像效果，證明了紅外熱成像法探測埋地輸油管道的有效性，并且也驗證了紅外管道探測儀各項性能均能滿足項目需要，能夠實現對埋地輸油管道的巡線以及偷油支路的檢測。
同時也應該看到，本實用新型的紅外管道探測儀有一定的適用范圍。例如管道埋地較深，油溫較低，管徑較細時，其在地表形成的溫差也很小，甚至被完全淹沒在噪聲干擾當中，這時就很難在紅外圖像中分辨出地下管道的狀況。另外，由于夏天地溫較高，有時甚至超過了埋地輸油管道的溫度，這時熱傳導的方向會發生變化，變為從地表向管道傳輸熱量，在這種情況下，以紅外法探測地下管道將失效。
本實用新型的整機性能測試穩定性測試在實驗室對紅外管道探測儀整機進行長時間拷機測試，經過48小時的連續運行，軟硬件均未出現故障，圖像顯示正常；適用范圍測試將紅外管道探測儀在不同的環境溫度下進行測試，證明在-10~40℃的環境溫度下，儀器使用正常；當環境溫度低于-10℃時，筆記本液晶顯示有凝滯現象，此時不宜使用；電池性能測試當紅外管道探測儀的應用程序運行時，筆記本的電池可持續供電4.2小時，紅外探測器及其讀出電路的電池可持續8.3小時，所以電池整機供電可達4.2小時。
權利要求1.一種紅外埋地管道探測裝置，包括紅外鏡頭和電源，其特征是，所述的紅外鏡頭依次連接有紅外探測器，熱圖采集與預處理電路，USB接口電路，和計算機處理系統；所述的紅外鏡頭用于將被測對象的熱輻射聚焦在所述的紅外探測器；所述的紅外探測器用于將光信號轉換為表征熱輻射的圖像電信號，由320×240微測熱輻射計凝視紅外焦平面陣列構成；所述的熱圖采集與預處理電路由A/D模數轉換器和數字信號處理器構成，數字信號處理器用于完成非均勻性校正、幀存儲、濾波、灰度統計、直方圖、以及測溫；所述的USB接口電路用于將經過熱圖采集與預處理電路預處理過的熱圖數字信號傳輸到計算機處理系統；所述的計算機處理系統用于紅外圖像的實時顯示，偽彩變換，圖像存儲，與圖像分析。
2.根據權利要求1所述的一種紅外埋地管道探測裝置，其特征是，所述的紅外鏡頭是焦距為19mm的紅外鍺鏡頭。
3.根據權利要求1所述的一種紅外埋地管道探測裝置，其特征是，所述的計算機處理系統是筆記本電腦。
專利摘要本實用新型公開了一種紅外埋地管道探測裝置，用于判斷埋地輸油管道的走向、管道分支以及管道泄漏位置。本實用新型包括用于將被測對象的熱輻射聚焦的紅外鏡頭。紅外鏡頭依次連接有用于將光信號轉換為表征熱輻射的圖像電信號的紅外探測器，用于完成非均勻性校正、幀存儲、濾波、灰度統計、直方圖、以及測溫的熱圖采集與預處理電路，USB接口電路，和用于紅外圖像的實時顯示、偽彩變換、圖像存儲與圖像分析的計算機處理系統。本實用新型利用紅外熱成像法探測埋地管道，快速，直觀，準確的判斷埋地輸油管道的走向，管道分支，以及管道泄漏位置，包括金屬管道和其它非金屬管道；本實用新型使用方便，便于攜帶，很適合野外操作；對環境無任何污染，管線檢測成本很低。
文檔編號G01M3/00GK2819239SQ20052002533
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月2日 優先權日2005年3月2日
發明者王明時, 陳書旺, 周鵬, 孫紅霞, 張銳, 劉新鳴 申請人:王明時
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
