基于電磁法的地下金屬管線探測系統分析

章向靜

蕪湖市勘察測繪設計研究院有限責任公司 安徽 蕪湖 241000

引言

通過對發射機與接收機系統結構的優化，合理設計天線線路、工頻濾波、一、二級程控放大及數據采集等方面的功能模塊，從而構建完善的地下金屬探測系統，進而為地下管線營造一個穩定、安全的工作環境。

1 管線探測儀系統結構設計

1.1 發射機結構設計

探測儀系統發射機結構主要包括兩部分，即全橋逆變系統電路結構中的DC/AC及諧振變換器LLC裝置中的DC/DC變換結構。其中DC/DC變換結構主要是將電路系統的蓄電池裝置原始電壓，替換為相對穩定的特定幅值直流電壓，并將全面傳輸至DC/AC后級區域，作為該區域的主用直流電壓。同時將DC/AC區域線路與管線相連，并向其持續輸送特定幅值和指定頻率交流電信號。控制系統會通過內部DSP芯片來操控逆變全橋與諧振變換裝置（LLC）網絡。使諧振變換裝置通過PEM控制方式將原本48V電壓持續提升至120V。此時，控制芯片全面采集諧振變換裝置在系統運行時的全部電壓輸入數據，并將數據信息與設計標準電壓值對比分析來計算電壓差值，最后通過閉環控制方式消除電壓差值，進而使整體LLC系統始終保持長期穩定的電壓輸出。而全橋逆變系統則主要以控制滯環電流大小的方式來控制輸出電流，其可在特定輸出負載的情況下將指定功率電流信號輸出，再運用現代DSP數字芯片便可實現對主電路系統實施的全新控制。

1.2 接收機結構設計

由于外部磁場區域中普遍會疊加一定的工頻干擾，故而必須首先濾除區域內一切50Hz工頻干擾信號。當遭遇強度較大的干擾信號時，可采用硬件系統匯總噪聲抑制功能模塊對實施輕度抑制和消除，進而為后級電路放大構建運行空間。本次案例接收機系統主要采用一、二兩個不同級別的放大電路，可將程控一級電路放大時所需的電路信號應降低至微伏級，故而必須采用高精度專業放大裝置來初步放大天線線圈在系統運行中的感應信號，在一級電路信號放大完成后，可由程控二級電路進行信號放大處理，進而使信號達到系統可識別的信號強度等級。最后運用A/D轉換芯片裝置系統中信號采集功能模塊，全面采集二級電路放大輸出信號，并將采集到的相關信息數據全部傳輸于信息處理功能模塊當中，并利用模塊功能對信號實施幅值提取和降噪處理，并基于信號幅值數據處理結果來判斷地下管線的詳細位置信息[1]。

2 天線及后級信號處理電路設計

2.1 天線電路系統模塊設計

天線電路系統功能模塊主要基于電磁感應基本定律，將管線附近全部磁信號通過線圈裝置轉換為系統可識別的電信號，并在接收機裝置上的天線線圈在處于系統電路磁場中央時，交流電源V1作為一個可等效代表線路電流在經過特殊磁場后所形成的電壓。而線圈裝置通過內部繞線結構作用賦予了充分的電阻效應及電感效應。故而，此時可將等效分為R1電阻與L1電感。此外，采樣電阻R2通過串聯線路與線圈形成連接，使得R1、V1、R2及V2整體形成閉合串聯回路。除此之外，將R2電阻在線路運行時形成的電壓信號，再由一級電壓跟隨裝置輸送至后級線路后，采樣電阻值將遠遠小于電壓跟隨裝置本身的輸入電阻值，故而針對采樣電阻與線圈共同構成的回路會因跟隨器裝置本身的開路特性，而不會對采樣電壓造成任何影響。再將后級信號信息處理功能模塊與跟隨器信號信息接收功能模塊進行全線隔離處理，進而系統在采集信號時不會受到后級電路的任何影響。經過相關人員進行一系列分析研究后最終決定，將運用銅絲纏繞硅鋼片來制作本次案例系統天線線圈裝置，將硅鋼片材料相對磁導率設定為7000，并采用2.25cm2橫截面積和1.5cm邊長的方形線圈制作，同時將繞線圈數設定為375圈，材料帶電感應值設定為6.2mH，將電感等效設定為0.94Ω串聯電阻值，并采用0.01%精度的精密運算MAX44248ASA+T型運算放大器，結合1Ω阻值的采樣電阻來設計整體天線電路功能模塊[2]。

2.2 工頻濾波系統模塊設計

在整體探測系統運行空間中，電信號（50Hz工頻）在整體電力線路上屬于強電，其可能形成的磁場遠遠超過其他小頻率信號。后級放大裝置內部輸入信號會使線路系統中存在大量50Hz工頻強交流電，而使信號信息達到滿量程狀態，進而無法放大內部可用信號。故而，必須采取科學方法對50Hz工頻電流形成的噪聲實施降噪處理，進而為后級電路放大創造足夠的運行空間。為有效去除工頻干擾信號，可運用集成陷波F42N50功能模塊實施，如圖1所示。

圖1 F42N50電路系統結構圖

X_IN代表天線功能模塊全部輸入信號，50Hz噪聲在通過F42N50系統功能模塊進行降噪后，可通過C6電容裝置全面濾除其直流成分[3]。

2.3 程控一級放大模塊設計

在信號放大方面必須通過程控電路放大功能來實施，進而幫助信號A/D轉換功能模塊實施全面數據信息采集。在一級電路放大功能模塊當中，可選擇高精度專業儀表放大裝置來放大部分微弱幅值的信號。本次案例系統則主要基于AD620儀表裝置及系統儀表電路放大功能模塊，通過運用數字電位器（X9318型）來控制信號實際放大倍數。X9813作為一種數控電位裝置，其內部結構主要由程控移動開關裝置、計數器（7位）及99個不同電阻單元構成，通過運用計數器裝置內各種數據值布設移動開關裝置安裝位置，從而改變X9813整體的運行輸出電阻值，進而完成一級電路放大過程。

2.4 程控二級放大模塊設計

程控二級放大功能模塊主要由1個OPA690型和2個AD603型放大裝置構成，前兩級主要為運算放大裝置（AD603）結構中的U1、U2組成，并將2號放大裝置U2結構中第3個輸入引腳與其中1號放大裝置（AD603）U1結構中的第7個輸出引腳，運用低通濾波一級RC電路實施連接處理，進而消除U1輸出信號系統中所產生的各種高頻噪聲。針對其中不同控制模式的選擇，可將全部放大芯片AD603帶寬模式全部設定Wie90MHz。將AD603結構中的1引腳作為整體引腳放大倍數控制，并在本次案例系統中的程控二級電路放大功能模塊中，將兩個控制引腳（AD603）全部布設于同一個芯片引腳內，進而增強兩者之間的協同增益放大效果。將AD603單極增益放大區間值設定為-10dB至30dB之間，且在兩種引腳同時運行放大功能時將增益值從-10dB至30dB之間轉變為-20dB至60dB范圍內。

為使50Ω阻抗值得到應有的匹配，使得兩個AD603在中間級聯模式下所產生的放大電路運行增益值降低了6dB。為補償此期間所喪失的增益值，可在2號AD603結構模塊輸出端增設一條放大電路，進行形成三級級聯模式放大電路結構。而在R9電阻與R10電阻共同作用下使得OPA690結構喪失的6dB增益值得到補償，從而使得程控二級放大電路實際放大倍數始終處于-20dB至60dB范圍內。除此之外，兩級調偏系統電路主要由RW1滑動變阻器與RW2滑動變阻器構成，并分別連接1號AD603和2號AD603系統結構輸入端。RW1滑動變阻器主要通過兩個5.1kΩ阻值的電阻裝置連接相應的電源裝置，進而實現±15.6mV和±6.25mV的范圍調偏。通過分別調節兩個滑動變阻器結構中間劃片裝置位置，促使AD603系統芯片全部輸入信號轉變為無直流偏移數據信號。

2.5 數據采集系統模塊設計

信號經過放大功能模塊進行放大處理后會轉變為模擬信號，而系統內部數據信息處理功能模塊卻只能處理數字信號，故而必須通過運用相應的數據轉換裝置來實施轉換信號數據，而數據采集功能模塊可在對采集數據實施模數轉換后，將其傳輸至后級信息數據處理功能模塊，最后轉換成系統可識別的數字信號。本次案例系統結構中共包括兩線圈天線，也就是所謂的雙通道數據采集。在實際運行時，地下金屬管道探測工作中最多可運用到同一時刻的雙通道數據。故而，為滿足數據采集工作的多線性，本次案例系統數據信息采集功能模塊主要運用AD7606芯片制作。因AD7606芯片在日常工作運行時可達200kHz采樣率，而信號最高頻率在發射機裝置預設中僅為25kHz，通常為128kHz采樣頻率，故而采用該芯片完全能夠滿足系統對采樣率基本需求。除此之外，該芯片裝置擁有并行和串行兩種不同的數據傳輸功能，尤其并行數據傳輸模式下其整體數據采樣率可達128kHz。其詳細工作流程依次為：系統開啟、放大倍數設置、計算DA輸出電壓值、控制DA幅值輸出、改變放大倍數、系統關閉。

在并行數據傳輸模式下，芯片裝置將可通過CONVSTA、B兩個不同引腳，開啟各種數據信號接收端口的數據轉換與模數轉換，而BUSY引腳則主要負責顯示芯片實際工作狀態。當后級功能模塊所識別的BUSY引腳運行狀態為高電平時，則表示芯片正在通過內部系統功能實施全部數據格式轉換。而當后級功能模塊所識別的BUSY引腳運行狀態為低電平時，則表示芯片系統內部模擬信號已被完全轉化為系統可識別的數字信號，此時便可將處理后的信號全部傳輸，進而獲取準確的信號數據。在數據采集功能系統模塊結構中，CS則屬于系統結構片選引腳，其可結合RD/SCLK引腳功能來聯合控制DB[15:0]數據并行傳輸線上的整體傳輸模式。當CS引腳在運行時變為低電平狀態時，后級電路便會選中相應的AD7606芯片，再通過降低RD/SCLK結構中的邏輯電平的方式，即可從DB[15:0]數據傳輸線中獲取相應的采集信號，而高電平狀態下的FRSTDATA引腳則會為首次通道數據何時傳輸給予信息提示，并通過讀取該結構模塊電平值來確認內部程序執行情況，進而完成AD7606首次讀取通道數據傳輸全過程。并行模式下的系統程序流程依次為：系統開啟、進入定時器、向CONVSTA/B引腳輸出低電平脈沖、等待BUST引腳由高電平轉變為低電平狀態、數據全面采集并保持、系統關閉。通過運用定時器裝置來控制系統信號采樣率，并在裝置中輸入相應的函數信息，向CONVSTA、B兩個不同引腳實施低電平狀態下的脈沖輸出，進而實施整體數據轉換過程，最后對BUSY引腳在系統運行過程中電平值進行反復檢測，當穩定電平值形成低電平運行狀態后，即可從相應的數據信息傳輸引腳中實施全面數據采集。

3 結束語

綜上所述，通過合理設計發射機與接收機系統結構，制定不同的功能模塊設計方案，綜合設計各個電路系統元件參數，對繪制各個系統功能模塊控制流程圖及各種控制方法，進而保障整體地下金屬管線測試系統安全、穩定運行。