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1、利用球形内检测器测量管道走向关键技术研究ResearchonKeyTechnologiesofPipelineOrientationMeasurementusingSphericalInternalDetector学科专业：仪器科学与技术研究生：苏智超指导教师：曾周末教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要管道是输送石油、天然气和水等资源的主要方式，是国民经济的命脉。因受地理气候变化、传输介质、传输条件以及人为施工、破坏的影响，随着使用年限的增加，管道会出现焊缝开裂、腐蚀穿孔、形变等现象。一旦发生事故，将对工业生产造成巨大损失甚至威胁人
2、民的生命财产安全。定期检测是确保管道长期安全运行的有效措施。球形内检测器具有体积小、功耗低、检测灵敏度高、不会卡堵和使用安全方便的特点，在管道损伤检测及走向、地理坐标测量方面展示了巨大优势。本文围绕球形内检测器在测量现场管道走向时所面临的新挑战，在硬件优化、管道磁屏蔽模型、管道倾角测量等方面进行了深入研究，主要内容包括：优化了球形内检测器的系统设计，包括优选器件和优化配置，采用更加高效精简的系统架构等。针对新的系统架构进行了程序开发，包括各传感器数据接口驱动程序及应用程序开发。对球形内检测器进行了功耗测试、高低温测试及现场应用试验。采用有限元法和实验定
3、量研究分析了管道对地磁场的屏蔽作用，比较了两种经典管道磁屏蔽模型，明确了管道长度、壁厚、相对磁导率等对磁屏蔽系数的影响。结果表明，基于椭球体模型确定的磁屏蔽系数与管道长度、壁厚、相对磁导率的关系在变化趋势上与仿真分析结果相符，但在数值上有一定的偏差；基于无限长圆柱腔体模型确定的径向磁屏蔽系数与仿真结果吻合度非常高，但轴向磁屏蔽系数与仿真和实验结果不符。因此，实际应用中，计算径向磁屏蔽系数可以采用无限长圆柱腔体磁屏蔽模型和有限元仿真分析方法，不宜采用椭球体模型；轴向磁屏蔽系数计算可以采用有限元分析。提出了一种不使用管道磁屏蔽模型的管道倾角测量新方法，利用
4、球形内检测器在管道中运动轨迹为摆线的特点及管道单侧磁化条件下径向磁场分布不均匀的特点，经过坐标变换获取管道倾角信息，解决了管道倾角测不准的问题，仿真分析和实验验证表明,利用该方法测量管道倾角的最大相对误差为3.55%。关键词：管道，球形内检测器，倾角测量，磁屏蔽模型IIIABSTRACTPipelineisthemainwaytotransportresourcessuchasoil,naturalgasandwater,andalsoisthelifebloodofnationaleconomy.However,alongwithusingyears
5、cumulated,weldcracking,corrosionperforation,deformationandsoonwilloccurinthepipeline,becauseofthetransmissionmedium,transportationconditions,geographicalclimatechangeandman-madedestructionandconstruction.Oncetheleakageaccidentoccurs,itwillcausegreatlossestoindustrialproductionev
6、enthreatpeople'slivesandpropertysafety.Andregulartestingisanefficientwaytoensurelong-termsafeoperationofthepipeline.Thesphericalinternaldetectorhasadvantagessuchassmallsize,lowpowerconsumption,highdetectionsensitivity,nojamming,safeandconvenient.Itshowshugebenefitsinpipelinedama
7、gedetection,pipelineorientationandgeographiccoordinatemeasurement.Inthispaper,thedesignofthesphericalinternaldetector,theinclinationofthepipelineandthemagneticshieldingmodelofthepipelinehavebeenstudied.Themaincontentsinclude:Thehardwarecircuitofthesphericalinternaldetectorisimpr
8、oved,includingoptimizationofthedeviceandconfigu
