管道泄漏视频检测系统及检测方法与流程

1.本发明涉及一种管道内检测技术，特别涉及一种管道泄漏视频检测系统及检测方法。


背景技术：

2.近些年来，随着我国的管道输送量的不断提高，管道泄漏事故频发，造成了巨大经济损失和环境污染，所以需要一个能够及时发现并精确定位泄漏点的检测系统。在管道泄漏的检测中，需要对管道输送过程的各方面数据采样、保存，以待后续离线分析。自然界中，人们最直观的判断通常来自于视觉，图像信息往往是最直观的信息，因此可以通过视频对管道输送进行监控，对管道的环境状态变化信息采样，以做出真实、准确的判断。
3.现阶段机器视觉技术得到广泛发展，使得图像处理应用于各种电子产品中。因此，一种结合管道内检测技术、图像采集与实时存储技术的管道泄漏检测系统应运而生。


技术实现要素：

4.针对管道内泄漏检测问题，提出了一种管道泄漏视频检测系统及检测方法。
5.本发明的技术方案为：一种管道泄漏视频检测系统，包括置于介质流动管道内的泄漏检测器和置于管道外的地面标记盒，泄漏检测器包括最前端的防撞头和防撞头内的高速模拟摄像头、温度变送器、压差变送器、速度传感器、支撑推进装置、低频发射机和控制器，支撑推进装置推进泄漏检测器顺着介质流动方向运动，高速模拟摄像机采集到的高速模拟视频图像、压差变送器获取管道内介质压差、温度变送器获取管道介质温度、速度传感器采集泄漏检测器速度均送入控制器，控制器输出信号经低频发射机至管道外的地面标记盒。
6.优选的，所述压差变送器设置在泄漏检测器的前端不被遮挡位置，以与介质流动方向相同为佳，获取管道泄漏处的介质压差。
7.优选的，所述温度变送器设置在泄漏检测器的前端不被遮挡位置，以与介质流动方向相同为佳，获取管道泄漏处的介质温度变化。
8.优选的，所述低频信号发射器设置在泄漏检测器的尾端，发射穿透金属管道、土壤、空气和水介质的低频信号。
9.优选的，所述地面标记盒接收低频信号发射器的低频信号，对管道内的泄漏检测器进行定位跟踪，确定检测泄漏检测器的具体位置。
10.优选的，所述支撑推进系统由前后两皮碗和两个支撑轮组成；两个皮碗和管道内壁形成过盈密封配合，两个支撑轮滑动支撑在后端。
11.优选的，所述前后两皮碗之间的距离大于管道直径。
12.优选的，所述控制器由3个4-20ma模块、stm32f103微控制器、fpga芯片、视频运放、视频解码器、ddr3芯片、usb3.0接口和cyusb3014控制器组成；3个4-20ma模块分别将温度变送器、压差变送器和速度传感器采集的4-20ma电流信号转化成0-5v电压信号送stm32f103
微控制器处理；
13.stm32f103微控制器将信号转换成字符数据，通过spi总线发送给fpga芯片；模拟高速摄像机采集到的高速模拟视频图像依次通过视频运放和视频解码器，送给fpga芯片处理；
14.视频解码器的视频数据信息通过fpga芯片中的fifo缓存至ddr3芯片中；
15.fgpa芯片，将字符数据叠加至视频检测画面上后输出；
16.msata硬盘，用于存储ddr3芯片中缓存的模拟高速摄像机数据，采用sata接口和fpga芯片通讯；
17.fpga芯片通过gpif ii接口与支持usb3.0接口的cyusb3014控制器相连，使得计算机可以300mb/s的速度通过usb3.0接口20与fpga芯片通讯。
18.一种管道泄漏检测方法，基于权利要求8所述管道泄漏视频检测系统，包括如下步骤：
19.1)沿检测管道的延伸方向每隔设定距离设置所述地面标记盒，所述地面标记盒带有gps模块，读取地面标记盒数据；
20.2)读取视频叠加数据；
21.3)判断管道有无泄漏，如没有泄漏则继续读取地面标记盒数据和视频叠加数据；如果发现管道泄漏则读取泄漏点的时间信息；
22.4)读取泄漏点前通过的地面标记盒地理坐标；
23.5)读取泄漏点后通过的地面标记盒地理坐标；
24.6)依据速度传感器的数据，计算泄漏点的具体位置。
25.本发明的有益效果在于：本发明管道泄漏视频检测系统及检测方法，采用模拟高速摄像机对管道环境进行采集，可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，并通过msata硬盘记录管道环境的变化，具备直观、准确的特点；融合三类变送器，包括温度变送器、压差变送器和速度传感器，用以补偿视频图像，使得泄漏检测更加准确；采用地面标记盒辅助泄漏点定位，具有定位准确的特点。
附图说明
26.图1为本发明管道泄漏视频检测系统的结构框图；
27.图2为本发明管道泄漏视频检测系统中控制器结构框图；
28.图3为本发明管道泄漏视频检测系统中视频叠加框图；
29.图4为本发明管道泄漏视频检测系统中视频、字符叠加显示图；
30.图5为本发明管道泄漏视频检测系统中泄漏检测流程图。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
32.本发明管道泄漏视频检测系统是以fpga为核心芯片、msata硬盘为存储介质、usb3.0为数据传输媒介的高速视频字符叠加管道泄漏检测系统。如图1所示，系统包括置于
管道8内的泄漏检测器和置于管道8外的地面标记盒11，泄漏检测器包括最前端的防撞头12和防撞头内的高速模拟摄像头1、温度变送器2、压差变送器3、速度传感器4、支撑轮5、低频发射机6、皮碗7和控制器10。
33.系统工作原理是将模拟高速摄像机1设置到泄漏检测器的最前端，以与介质流动方向相同为佳，高速模拟摄像机1将采集到的高速模拟视频图像送给控制器10处理和存储。高速摄像机1设置在一防撞头12内，防撞头12采样金属材质，以防止管道内泄漏检测器与管道前方障碍物撞击而损坏高速模拟摄像机1。当管道8发生泄漏时，由于管道内介质迅速流失而产生压降，压差变送器3设置在泄漏检测器的前端不被遮挡位置，以与介质流动方向相同为佳，用于获取管道泄漏处9的介质压差。同时，管道的泄漏也会引起介质的温度发生变化，温度变送器2设置在泄漏检测器的前端不被遮挡位置，以与介质流动方向相同为佳，用于获取管道泄漏处9的介质温度变化。
34.泄漏检测器的速度在检测中也是一个重要的参数，由于泄漏点两边的液体由于压差而向泄漏点处补充，会引起介质压差而造成检测器速度降低，因此在系统中设计了一个速度传感器4，设置在管道内泄漏检测器的管节上，用于获取管道泄漏检测器的速度变化。
35.管道内的泄漏检测器的支撑推进系统由皮碗7和支撑轮5组成。管道内的泄漏检测器的动力源是皮碗7与管道内壁的密封产生的两侧压力差，从而推动整个系统前进，皮碗7需要具备一定的韧性，变形能力及耐磨性，使得皮碗和管道内壁形成过盈密封配合避免因皮碗局部变形过大、磨损而产生泄漏。由于管道泄漏点远小于管道中三通的开口尺寸，因此为了保证管道泄漏检测器能够在管道内安全运行，皮碗需要满足：两密封皮碗之间的距离必须大于管道三通的直径尺寸，以防止在管道三通处皮碗密封不严，设备前后压差不够，无法推动泄漏检测器前进。由于皮碗7在管道中受到磨损，为保证支撑强度，本发明中设计了后端两个支撑轮5，为系统提供支撑刚度，支撑轮采用金属材料制成。
36.低频信号发射器6，设置在管道泄漏检测器的尾端，用于发射一22hz低频信号，该信号能够穿透金属管道、土壤、空气和水等介质。地面标记盒11设置在地面，用于接收低频信号发射器6的22hz低频信号，对管道内的泄漏检测器进行定位跟踪，以确定检测泄漏检测器的具体位置。
37.控制器10采用高性能kintex系列fpga作为系统主控芯片，用于接收模拟摄像机1信号，采用高速复杂的接口控制，为图像传输提供了保证。控制器10连接温度变送器2、压差变送器3和速度传感器4，接收实时温度、压差和速度信号。控制器10由3个4-20ma模块13、stm32f103微控制器14、kintex-7 fpga芯片15、视频运放16、视频解码器17、msata硬盘18、ddr3芯片19、usb3.0接口20和cyusb3014控制器21组成。控制器的结构框图如图2所示
38.3个4-20ma模块13分别将温度变送器2、压差变送器3和速度传感器4采集的4-20ma电流信号转化成0-5v电压信号送stm32f103微控制器14，以便stm32f103微控制器14处理。在管道泄漏视频检测系统中，温度变送器2、压差变送器3和速度传感器4的输出信号为4-20ma，用于提高系统抗干扰能力。
39.stm32f103微控制器14用于将温度变送器2、压差变送器3和速度传感器4采集到的温度、压差和速度信息转换成字符数据，通过spi总线发送给fpga芯片15，fgpa芯片通过一定的算法处理，将字符信号叠加显示到视频检测画面上。
40.模拟高速摄像机1将采集到的高速模拟视频图像依次通过视频运放16和视频解码
器17，送给fpga 15处理。视频运放14采用低功耗、高速、电压反馈型轨到轨输出放大器，带有视频缓冲功能和多路复用器，用于切换视频信号。视频解码器17用于将模拟视频信号转化成数字信号，并利用简单的数字输出接口，与kintex-7 fpga芯片15连接。
41.视频解码器17的视频数据信息通过fpga芯片15中的fifo缓存至ddr3芯片19中。
42.msata硬盘18用于存储ddr3芯片19中缓存的模拟高速摄像机1数据，该硬盘只有一块板卡，采用sata接口和fpga芯片15通讯，通讯速率为3gbps，具有容量大，体积小，性能强。
43.fpga芯片15通过gpif ii接口与支持usb3.0接口的cyusb3014控制器21相连，使得计算机可以300mb/s的速度通过usb3.0接口20与fpga芯片15通讯，将msata硬盘18中存储的数据导入计算机进行离线解算。
44.本发明一种管道泄漏视频检测系统的一个显著特点为视频字符叠加。该发明具有图像和字符数据叠加显示功能：fpga芯片15通过spi总线接收stm32f103微控制器14采集到的温度、压差和速度的字符数据，将字符数据叠加到视频数据的指定区域叠加显示。系统的视频叠加原理如图3所示。视频、字符数据显示如图4所示。
45.管道泄漏检测人员通过导出的叠加视频数据，便可以通过对比管道的视频信息和温度、压差和速度，以判断管道的泄漏，具备直观、明了的特点。
46.作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种管道泄漏定位系统，包括地面标记盒11。所述地面标记盒11用于接收管道内的泄漏检测器发出的22hz低频信号，用以记录地面标记盒11的地理坐标信息及管道内泄漏检测器通过的时间信息，用于对管道泄漏点进行定位。较佳的，多个所述地面标记盒11沿管道的延伸方向每隔一定距离设置，地面标记盒11带有gps模块，当管道内的泄漏检测器通过时，将通过时间和gps地理位置信息记录在标记盒的内存中，管道泄漏检测人员通过得去地面标记盒11设备的数据，再根据管道泄漏检测器视频数据中记录的泄漏点信息，便可以方便的定位泄漏点在管道中的具体位置。
47.一种管道泄漏检测方法，该方法基于管道泄漏视频检测系统，所述的管道泄漏检测方法包括如下步骤：
48.(1)读取地面标记盒11数据。
49.(2)读取视频叠加数据。
50.(3)判断管道有无泄漏，如没有泄漏则继续读取地面标记盒数据和视频叠加数据；如果发现管道泄漏则读取泄漏点的时间信息。
51.(4)读取泄漏点前通过的地面标记盒地理坐标。
52.(5)读取泄漏点后通过的地面标记盒地理坐标。
53.(6)依据速度传感器的数据，依据如下公式计算泄漏点的具体位置。
54.假定泄漏点前地面标记盒11的时间为t1，泄漏点后地面标记盒的时间为tn，泄漏点的时间tm，从t1到tn泄漏检测器共采集n个速度数据分别是v1、v2、v3，...，vm，...，vn，vm为泄漏点处的速度，泄漏点到前面地面标记盒11的距离s利用速度的加权平均进行计算，如下：
55.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。