基于遠場感應電流法的水管檢漏測量

林楚濤， 陳金龍， 陳偉成

(佛山科學技術學院光信息工程系，廣東 佛山 528000)

0 引言

供水管道漏水是對寶貴水資源的浪費，它不僅增加了凈水成本，而且還額外地增加了供水設施的投資費用。同時，也導致了一些次生災害，如:路基、建筑物基礎的毀壞，污染物和礦物質進入水管等。目前，管道破裂檢測定位的常用方法有聽音法[1]、相關分析法[2]，壓力梯度法[3]等等。但是，這些測量方法存在著以下的缺點:聽音法受外界干擾大，特別是噪聲大的區域很難用聽音法測漏;相關分析法設備貴，投資大，而且必須知道管道的走向等具體信息以及管道的聲速(與管道的材質和管徑有關);而壓力梯度法只能適用于等溫管道或介質特性隨溫度變化很小的管道，且測量精度不高，不能準確測定漏水點的位置。

本文采用遠場渦流檢測技術對水管進行檢漏[4]。常規的遠場渦流檢測技術主要是通過遠場渦流檢測信號的相位測量來判斷管壁漏水的位置[5]，這種測量方法測量精度高、定位準，但是該方法所需要的實驗器材成本高，檢測后需要進行的相位比對的數學計算量大、花費時間長。為此，本文采用遠場渦流法測量另一個變化的物理量來實現對漏點的測量，即對檢測線圈在金屬管道中不同位置的感應電流變化情況進行動態測量，并根據感應電流在管道破損處的突變情況進行實時的判斷與定位。

1 實驗原理與裝置

由于本文采用遠場渦流法進行水管漏點位置判定的關聯物理量是檢測線圈的感應電流，所以稱該測量方法為遠場感應電流法，檢漏原理見圖1。在待測的管道中放置了一對激勵線圈和檢測線圈，對激勵線圈通以80 Hz的低頻交流電流，則激勵線圈將產生相應頻率的交變磁場。產生的交變磁場將誘導檢測線圈產生感應電流，交變磁場能量由激勵線圈向管道中檢測線圈傳播時分別有近場和遠場兩個不同的耦合方式[6-7]。由激勵線圈產生的磁場沿管道內軸向傳播到檢測線圈所產生的感應電流的磁場能量耦合方式，稱為近場耦合;由激勵線圈產生的磁場能量穿過管壁到達管道外部后又穿回管壁到達檢測線圈所產生感應電流的磁場能量耦合方式，稱為遠場耦合。因此，在激勵線圈兩側會存在兩個磁場能量耦合的區域:以近場能量耦合方式為主導的區域稱為近場區;以遠場能量耦合方式為主導的區域稱為遠場區[8]。兩個區域的具體分界處位置由管壁的厚度、磁導率、電導率和激勵頻率等因素確定[9]。但是，在管道內，隨著檢測線圈與激勵線圈之間距離的增加，近場耦合的磁場能量將以指數關系衰減。當兩線圈的間距處于2～3倍水管內徑時，近場耦合的磁場能量比管壁外遠場的磁場耦合能量衰減得更快，此時遠場耦合能量方式在管道中占據主導地位[10-12]。在遠場能量耦合的模式中，單匝檢測線圈因交變磁場產生的感應電動勢為

圖1 遠場感應電流檢漏測量原理

式中:為磁通;A為磁矢勢。

檢測線圈與管道同軸放置時，假設產生的遠場渦流模型為軸對稱[13]，則A只有圓周分量Aθ，即

若檢測線圈的半徑為r，則檢測線圈在以ω交變頻率的磁場中產生的感應電動勢相量為

若檢測線圈的匝數為N，總電阻為R，則探測到的總感應電流為

當檢漏探頭隨著水流在管道中流動時，檢漏探頭的檢測線圈能實時產生由激勵線圈所誘導的遠場磁場能量耦合的感應電流。如果水管是完好的，則檢測線圈中產生的感應電流是穩定的;水管出現破裂時，在破裂處將由于缺乏完好金屬屏蔽的遠場磁場能量將會得到增強。這樣，檢測線圈中產生的感應電流將出現異常的增大。通過對檢漏探頭的感應電流的異常變化的實時測量，就能對水管漏點進行精確的定位。

檢漏探頭能否正常工作，關鍵取決于檢測線圈能否感受到激勵線圈的交變遠場磁場能量[17]。為此，我們對檢漏探頭的激勵線圈的工作電流進行放大以增強遠場的磁場能量。圖2為激勵線圈工作電流的放大電路的原理圖，激勵線圈的放大電路采用音頻功放芯片TDA2030芯片。當放大電路工作在4.0 V時，電流放大倍數為100倍。

2 實驗數據與分析

2.1 檢漏探頭對水管沿線的測量

圖2 輸出放大電路

圖3 檢漏探頭對水管沿線的感應電流探測

采用研制的檢漏探頭對金屬水管進行無損動態測量。將探頭放進金屬水管中，探頭順著水流方向沿著管道行進，并實時反饋出管道不同位置處的感應電流大小。圖3是其相應的水管沿線不同位置處檢漏探頭中檢測線圈測量到的感應電流變化趨勢圖。從圖3可知，檢漏探頭在完好管壁的水管中流動時產生的感應電流是穩定的，感應電流值恒定為0.035 mA。當檢測線圈經過水管的漏點時，感應電流增大，達0.036 mA，并且在整個檢漏探頭(包括激勵線圈、檢測線圈和鐵棒)流過水管漏點的過程中，感應電流都保持著穩定數值不變，直到探頭的最后部分激勵線圈離開漏點后，感應電流才回落到原來完好管壁的感應電流的大小。根據圖3的感應電流變化規律，可以判定漏點位置相距管口位置30.00 cm處。

實驗還發現探頭的流速對測量結果無太大影響。而且水管在地下的埋藏深度對本探頭的工作影響不大。

2.2 測量結果的不確定度分析

為了驗證檢漏探頭測量的準確性，對TDA2030放大芯片通以不同的工作電壓，對水管進行了多次重復測量。表1為5次測量的數據。

在重復測量中，檢漏探頭的感應電流在水管漏點處均表現出相同的突變特點。通過不確定度的計算，可以找出檢漏探頭的測量誤差范圍。經外部測量，水管漏點位置在30.00 cm處。由不確定度公式可以計算探頭測量水管漏點位置的誤差范圍。

A類標準不確定度:

B類標準不確定度:

合成標準不確定度:

所以，漏點的位置判斷相對不確定度誤差范圍為

表1 檢漏探頭對水管漏點的5次重復測量數據表mA

可見，我們設計的檢漏探頭對水管漏點位置的判斷誤差范圍在1.3%以內。

3 結語

根據遠場渦流的磁場能量耦合特點，采用測量關聯物理量為感應電流，設計了遠場感應電流的檢漏探頭。該探頭對通水的水管管道進行了無損測量，判定了水管漏點的位置，查找漏點的誤差范圍小于1.3%。

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