管道清管器電磁跟蹤定位系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

艾毅然，梁華慶， 史 超， 青美伊，于 達(dá)

（1.中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

油氣管線在施工過程中，不可避免地要進(jìn)入砂石、泥土等施工雜物。管線投產(chǎn)后，也往往會積存一定的泥漿、凝析液及腐蝕產(chǎn)物，這些東西將影響輸送產(chǎn)品質(zhì)量，堵塞油氣管道，降低管線輸送效率，腐蝕管線內(nèi)壁和堵塞儀表設(shè)備，甚至?xí)磔斔徒橘|(zhì)泄露的嚴(yán)重后果。因此管線在投產(chǎn)前或運(yùn)行一定時間后，必須進(jìn)行清管[1]。

對于清管作業(yè)來說，在清管器進(jìn)入到管道以后，需要實(shí)時追蹤清管器在各個時刻的位置。尤其在清管器發(fā)生卡球事故時，需要及時準(zhǔn)確地確定清管器卡堵點(diǎn)所處的位置，以便盡快采取措施，避免更大的損失[2]。

目前常用的監(jiān)測方法是在清管器上安裝一個低頻磁脈沖發(fā)射裝置，在地面上利用接收機(jī)采集此磁脈沖信號，以此進(jìn)行跟蹤定位[2]。

上述方法在技術(shù)上的難點(diǎn)之一是微弱磁脈沖信號的準(zhǔn)確提取問題。在均勻介質(zhì)中，磁脈沖信號強(qiáng)度隨傳播距離的三次方急速衰減[3]。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，微弱的磁信號完全被環(huán)境電磁干擾和檢測電路本身的固有噪聲所淹沒，無法準(zhǔn)確檢測。在油氣管道清管器電磁智能跟蹤系統(tǒng)中，清管器發(fā)出的低頻磁脈沖信號，還需穿過金屬管道，其幅度衰減比空氣中的要嚴(yán)重得多。因此，微弱磁信號的實(shí)時檢測與正確提取，是實(shí)現(xiàn)油氣管道清管器準(zhǔn)確跟蹤定位的關(guān)鍵。

國外通過多年的經(jīng)驗(yàn)積累，形成了一套系統(tǒng)的行之有效的追蹤方法，對于清管器的跟蹤定位精度較高，但其核心技術(shù)都處在保密狀態(tài)。國內(nèi)起步較晚，存在的問題主要是微弱信號檢測精度，使得目前跟蹤的距離還不能完全達(dá)到實(shí)際工程測試的需求[4]。

本文主要針對信號低頻微弱特性，提出了清管器電磁跟蹤定位系統(tǒng)接收機(jī)的總體方案，研制了具有低噪聲、窄通帶、高精度的信號采集電路，實(shí)現(xiàn)了對清管器低頻磁場信號的精確檢測。

1 清管器電磁跟蹤定位原理與方案

1.1 跟蹤定位原理

管道清管器電磁跟蹤定位原理[5-7]示意圖如圖1所示。

沿著埋地管線布置多個清管器接收機(jī)。在清管器通過時，當(dāng)接收機(jī)檢測到清管器上發(fā)射裝置發(fā)射的低頻磁脈沖信號后，通過GPS定位模塊進(jìn)行定位，將位置信息上傳到服務(wù)器。用戶可以通過訪問服務(wù)器，對清管器的位置進(jìn)行實(shí)時追蹤。

圖1 管道清管器電磁跟蹤定位系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the electromagnetic tracking and locating system for pipeline pig

1.2 跟蹤定位接收機(jī)的組成

根據(jù)低頻磁脈沖信號特點(diǎn)，設(shè)計跟蹤系統(tǒng)接收機(jī)，其主要由磁感應(yīng)線圈、前置放大電路、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、定位模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 管道清管器跟蹤定位系統(tǒng)接收機(jī)框圖Fig.2 Block diagram of the tracking and locating system receiver for pipeline pig

各模塊的作用為：磁感應(yīng)線圈將磁場信號轉(zhuǎn)化為電信號；前置放大電路和濾波器放大電路通過放大、濾波，將磁感應(yīng)線圈輸出的低頻微弱信號轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換器能測量電信號；模數(shù)轉(zhuǎn)化電路將模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；MCU對AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行分析，若檢測到所設(shè)定的20Hz低頻信號，則通過通信接口將定位的指令發(fā)送給GPS定位模塊，對清管器進(jìn)行定位。

2 接收機(jī)電路設(shè)計

2.1 前置放大電路

前置放大電路選用低噪聲、高精度、低功耗儀表放大器AD620，對磁感應(yīng)線圈轉(zhuǎn)化得來的電信號進(jìn)行放大。在儀表放大器后面加一級跟隨電路。跟隨電路在整個電路中起到緩沖的作用，它可以有效減少信號在前級輸出阻抗上的損耗。

2.2 濾波放大電路

由于磁感應(yīng)線圈輸出信號為靜止的地磁場和低頻磁脈沖信號的疊加，在使用磁感應(yīng)線圈測量低頻磁脈沖信號時，首先采用圖3所示的帶增益的正反饋型二階有源高通濾波放大電路，既可以濾除地磁場直流分量，又可以有效的放大有用信號[8]。

為了有效地檢測出低頻的20 Hz有用信號，抑制高頻干擾，提高信噪比，選用8階巴特沃斯低通濾波器，由四級二階正反饋型低通濾波放大電路串聯(lián)構(gòu)成。二階正反饋型低通濾波放大電路如圖4所示[8]。

圖3 二階有源高通濾波放大電路Fig.3 Second-order active high-pass filter amplifier circuit

圖4 二階有源低通濾波放大電路Fig.4 Second-order active low-pass filter amplifier circuit

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Analog to digital conversion circuit

圖5 所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，選用高精度24位AD芯片AD7712，將放大濾波后的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過SDATA引腳傳送給MCU。

2.3 GPS定位模塊

定位模塊以SIM908為核心，由Cortex-M3單片機(jī)進(jìn)行控制。在接收到定位指令后，GPS定位系統(tǒng)將該點(diǎn)經(jīng)緯度上傳到服務(wù)器，然后通過服務(wù)器調(diào)用Google API，在Google地圖上進(jìn)行顯示，這樣就可以追蹤清管器的具體位置。電腦和手機(jī)可以通過訪問服務(wù)器，實(shí)時獲取清管器的位置和運(yùn)行軌跡。

3 接收機(jī)性能測試

3.1 電路噪聲

為了測試接收機(jī)信號采集電路的噪聲性能，對采集電路的輸入短路噪聲進(jìn)行了測試，實(shí)測輸入噪聲是1.49 μV。噪聲性能可以滿足實(shí)際測量需求。

3.2 濾波特性

用頻率響應(yīng)分析儀PSM1700對所設(shè)計的電路的幅頻特性進(jìn)行測量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 電路幅頻特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristics of the circuit

20 Hz頻率處增益為53.09 dB；而1 Hz以下信號的增益小于5.141 dB，相對與通帶信號衰減大于47.949 dB；而50 Hz以上信號的增益小于15.01 dB，相對與通帶信號衰減大于38.08 dB。達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計要求。

4 實(shí)測結(jié)果與分析

在完成了對接收機(jī)的聯(lián)調(diào)后，對其進(jìn)行室外測試。將發(fā)射機(jī)放置在壁厚為12.7 mm的套管中，套管兩端用金屬罩封閉來模擬實(shí)際中無限長的輸氣輸油管道。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生頻率約為20 Hz的交變磁場信號，在磁感應(yīng)線圈與發(fā)射機(jī)相距0.6、1.2、2.4、3.6、4.8、7、8、9、10 m 時， 分別用 24 位高精度采集儀DP240和自制的接收機(jī)采集電路采集此磁場信號。圖7示出3.6 m和9.0 m時，采集的信號與處理的結(jié)果。圖中（a）為高精度24位采集儀DP240采集的原始信號的時域波形，（b）為（a）中信號的頻譜，（c）為自制的接收電路采集的信號的時域波形，（d）為（c）中信號的頻譜。

圖7 3.6 m和9 m時采集的信號與處理結(jié)果Fig.7 The results of the signal acquisition and processing results at 3.6 m and 9 m

圖8 20 Hz信號的峰峰值隨距離變化Fig.8 Peak-peak value of 20 Hz signal changes with distance

從圖7可以看出，隨著距離增大，20 Hz信號的幅度急劇衰減，當(dāng)距離超過3.6米后，信號已被環(huán)境電磁干擾（主要是50 Hz工頻）和噪聲所淹沒，難以分辨。自制的采集電路可以有效地濾除20 Hz以外的噪聲和干擾，極大地提高了信噪比。

圖8所示，為接收機(jī)檢測的磁場信號的峰峰值隨收發(fā)距離變化曲線，由圖可見，信號峰峰值基本符合隨距離的立方衰減的規(guī)律，所設(shè)計的接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)10 m距離的可靠測量。

5 結(jié)束語

文中在深入分析被采集信號特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了管道清管器電磁跟蹤定位系統(tǒng)接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了低頻磁脈沖信號的高精度采樣，有效地解決強(qiáng)干擾大噪聲背景下微弱磁場信號的檢測問題。

利用GPS進(jìn)行清管器定位可以保證跟蹤定位的準(zhǔn)確性、實(shí)時性以及便捷性。

所設(shè)計的管道清管器電磁跟蹤系統(tǒng)，2014年4月已成功地應(yīng)用于新建的渤西項目登陸管道清管作業(yè)中，有效測距范圍達(dá)10 m，完全可以滿足實(shí)際清管作業(yè)的需求。

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