便攜式管道檢測器定位系統(tǒng)的研制

蘇宇航，吳 靜，奉華成，黃松嶺

（1.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191；2.清華大學 電機系，北京 100084）

油氣管道在進行缺陷檢測和清管作業(yè)時，偶爾會發(fā)生檢測器和清管器的丟失或卡堵等意外事故［1］，必須準確地定位并找回丟失的設備，這對于管道的維護極為關鍵。對于深埋于地下或海水中的管道，多采用基于超低頻電磁場的定位方法［2］。目前，國外已有多家管道檢測設備公司的相關產(chǎn)品用于實際的管道定位，國內(nèi)也有部分高校開展超低頻電磁場定位技術的相關研究，并已取得較好的效果。其中，CDI公司CD42型管道清管器定位系統(tǒng)，PIC公司的SPY定位系統(tǒng)，OnlinE公司的3000系列，這些產(chǎn)品大多采用了22Hz的超低頻電磁場，已用于檢測器的追蹤和定位。國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學等高校也研制了基于超低頻電磁場的示蹤定位裝置［3］，大多采用了23Hz的超低頻電磁場，但是尚無高效、實時的移動檢測設備。實現(xiàn)便攜式、實時數(shù)字顯示定位器系統(tǒng)是研究的主要目標。

1 工作原理

筆者采用22Hz的電磁場，由于頻率極低，因此對金屬管道、土壤、海水和空氣等介質(zhì)具有很強的穿透能力。超低頻電磁場發(fā)射天線采用磁性天線設計，根據(jù)天線輻射理論，距離發(fā)射器一個波長之外的發(fā)射功率為零，而在發(fā)射線圈近處也基本不向外部輻射能量［4］，因此增加了超低頻信號的接收難度。筆者主要針對超低頻電磁場的以上特點，設計了感應式接收天線，帶有高Q值、高增益的窄帶濾波的信號接收器，數(shù)據(jù)采集和LCD實時顯示模塊。檢測人員通過移動接收天線，觀察LCD顯示器實時顯示的超低頻信號幅值的變化情況，并根據(jù)磁偶極子的磁場分布特點來確定檢測器的實際位置［5－6］。

圖1所示為超低頻電磁場發(fā)射和接收系統(tǒng)示意圖。在金屬管道內(nèi)部，發(fā)射線圈隨檢測器或清管器沿管道軸向Z方向同步運行，并不斷地向管道外部輻射超低頻電磁場。當發(fā)生丟失或卡堵事故時，使用接收天線沿管道沿線尋找超低頻信號，再根據(jù)感應電壓的幅值變化情況來判斷實際位置。

圖1 超低頻電磁場發(fā)射和接收系統(tǒng)示意圖

在檢測器位置未知的情況下，操作人員無法確定接收天線應放置的位置和角度，并且手持式接收天線所處的位置和角度極大程度地影響著檢測結果，必須對此加以分析，以便確定檢測器的實際位置。

系統(tǒng)采用的電磁場頻率極低，磁性發(fā)射天線輻射的電磁波可用發(fā)射線圈周圍的磁場變化情況來描述，發(fā)射天線可以等效為磁偶極子模型［7］。接收線圈軸線與發(fā)射線圈徑向方向所成角度為θ，如圖1中所示，接收線圈通過感應在其軸向上的磁感應強度分量產(chǎn)生感應電壓。根據(jù)磁偶極子模型的數(shù)學公式［8］，計算出了當徑向距離為6m 時，θ角從0°～90°變化時（即接收線圈垂直于管道軸向逐漸旋轉到平行于管道軸向時）的磁感應強度幅值的變化情況，如圖2所示，橫坐標表示接收線圈所處位置的軸向距離，縱坐標表示磁感應強度的幅值。

從圖2可見，接收器軸向與發(fā)射器徑向所成角度從0°變化到90°時，接收到的信號幅值會從“雙峰”轉變?yōu)椤叭濉薄．斀邮掌鞔怪被蚱叫杏诠艿垒S向時接收效果最好，可分別通過確定“雙峰”的最低點或“三峰”的最高點，即可判斷檢測器的實際位置。當不能保證接收器的實際角度時，通過比較出現(xiàn)的“三峰”值的大小，不能準確地判斷檢測器的位置，峰值的最低點和最高點均與實際位置有所偏移。

圖2 θ角變化時接收線圈軸向的磁感應強度分量

2 定位系統(tǒng)設計

便攜式管道檢測器定位系統(tǒng)整體結構如圖3所示。該系統(tǒng)主要分為三個部分，即超低頻信號的發(fā)射器、接收器和數(shù)據(jù)采集部分。

圖3 便攜式管道檢測器定位系統(tǒng)框圖

2.1 發(fā)射器

發(fā)射器用于產(chǎn)生和發(fā)射超低頻電磁場信號，超低頻信號經(jīng)由功放電路從發(fā)射天線發(fā)射出去，其結構如圖4所示。

圖4 發(fā)射器結構框圖

發(fā)射天線根據(jù)磁性天線原理設計，為減小直流阻抗并增大線圈電感，采用了0.61mm線徑的銅線繞制在鐵氧體磁芯上，匝數(shù)為2500匝，天線長150mm，直徑30mm。

由信號發(fā)生器提供22Hz正弦信號，經(jīng)由TDA2030功放模塊組成的電路放大后，加載到發(fā)射線圈兩端。電源采用±6V供電，線圈電流幅值為0.1A。

2.2 接收器

超低頻電磁場從管道中心發(fā)出，經(jīng)過金屬管壁、土壤、水和空氣等介質(zhì)的衰減，到達接收處的磁場強度已變得十分微弱，因此電磁場的接收顯得格外重要和困難，接收器結構如圖5所示。

圖5 接收器結構框圖

接收器用于接收超低頻電磁場信號，依據(jù)電磁感應原理，采用感應式線圈用作接收天線。感應信號通過信號調(diào)理電路實現(xiàn)還原和放大，再送入信號采集電路，進行A／D采樣。

接收天線采用感應式線圈設計，為提高接收天線的靈敏度和信噪比，采用了多匝線圈和鐵芯材料。線圈用線徑為0.15mm的銅線繞制10000匝，直徑30mm，長300mm，并在線圈中放置了鐵磁性材料，以提高靈敏度和信噪比。

由于接收天線線圈匝數(shù)多、線徑小，造成直流阻抗大，實際測得為1.2kΩ，因此初步放大電路采用了AD公司的AD620儀表放大器，它具有很高的共模抑制比，最大為130dB，輸入阻抗為10GΩ，滿足工程要求，輸入信號初步放大100倍。工頻信號會在很大程度上干擾接收信號，采用了雙T型陷波器對其抑制，阻帶衰減為40dB。信號經(jīng)初步放大和陷波電路后，進入四級多路正反饋二階有源帶通濾波電路，以實現(xiàn)高Q值、高增益的窄帶濾波。中心頻率22Hz，帶寬1Hz，通帶增益為40dB。放大電路總的增益為10000倍。

2.3 數(shù)據(jù)采集和顯示模塊

數(shù)據(jù)采集模塊結構如圖6所示，CPU采用了Silicon Laboratories公司的C8051F020單片機。C8051F020單片機具有高速、流水線結構的8051兼容的CIP內(nèi)核，可達25MIPS，并具有64個I／O接口，是一款可滿足復雜高性能儀器儀表要求的單片機。該單片機上帶有12位100kbps的帶可編程增益放大器的ADC，可滿足超低頻信號的采樣要求。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊結構框圖

由于單片機采用3.3V供電，選用了SPX1177DC／DC變換模塊將5V輸入電壓轉換為3.3V，5V電源可由蓄電池提供。

22Hz信號經(jīng)過信號調(diào)理電路使之滿足AD采樣的電壓輸入范圍，隨后進行數(shù)據(jù)采集并存儲到板上的32MFlash上。同時，22Hz信號經(jīng)過A／D采樣直接顯示到LCD顯示器上，可觀察信號的幅值變化情況，并通過幅值的變化情況來確定檢測器的實際位置。LCD選用了南京國顯公司的2.8英寸262k色TFT LCD模塊GXF0280顯示器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速顯示。數(shù)據(jù)采集板和LCD顯示器可通過矩陣鍵盤進行控制和模式選擇。

3 試驗結果

對檢測器定位裝置進行了試驗測試，采用直徑100mm，壁厚10mm，長度為2m的鋼管作為試驗管道，將超低頻電磁場發(fā)射器沿管道軸向置于管道內(nèi)部的中心位置，并用壁厚10mm的鋼板封堵鋼管的兩端，持續(xù)向外發(fā)射超低頻電磁場。在垂直于管道軸向方向6m的距離處放置信號接收器，不斷動發(fā)射管道位置，并用示波器觀察接收信號的變化情況。調(diào)整接收器軸向與發(fā)射器徑向之間的夾角，在夾角為0°，45°和90°時，分別記錄接收器的輸出電壓幅值。圖7所示為測試結果，橫坐標表示接收線圈所處位置的管道軸向距離，縱坐標表示接收信號的幅值。

圖7 改變時接收器感應電壓實測曲線圖（徑向距離r＝6m）

為了測試定位系統(tǒng)的金屬穿透能力，采用了一塊長1m，寬0.5m，厚度為30mm的鋼板。將鋼板豎放，發(fā)射器靠近鋼板的中心放置，并不斷向周圍空間輻射超低頻電磁場。理論分析表明，發(fā)射線圈周圍磁感應強度無切向分量，大部分磁力線會在螺線管兩端附近進入鋼板。在鋼板另一側的同一水平高度，發(fā)射線圈徑向距離6m，軸向距離2m處放置接收器，如圖8所示，并通過示波器觀察電壓信號幅值，效果良好，較使用10mm厚的鋼管時的接收信號有所衰減。

圖8 金屬穿透性能示意圖（徑向距離r＝6m）

通過以上試驗測試結果可見，對于10mm厚的鋼管和30mm厚的鋼板，該裝置都有很好的穿透效果，定位時可調(diào)整接收器使之垂直或平行于發(fā)射器軸向方向，分別判斷“雙峰”的最低點或“三峰”的最高點的位置，即可精確定位檢測器。同時可見，平行接收時，峰值最高處1m范圍內(nèi)較為平坦，不利于判斷出最高點；而垂直接收時，波形的最低處為零，波形兩側較為陡峭，易于判斷出最低點，最低點的位置即為發(fā)射器的中心位置。

4 結語

針對管道檢測器的定位需求，研制了一種基于超低頻電磁場的便攜式管道檢測器定位系統(tǒng)裝置。

詳細介紹了系統(tǒng)各部分的結構，用10mm厚的鋼管和30mm厚的鋼板進行了試驗測試，并對測試結果進行了分析。分析表明，采用垂直方式接收效果較為理想和精確，從而實現(xiàn)了管道檢測器的實時定位。

該裝置具有發(fā)射信號穿透能力強、接收靈敏度高、實時顯示和便攜性好的優(yōu)點，可滿足實際的管道定位需求。

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