便携式管道检测器定位系统的研制

苏宇航，吴 静，奉华成，黄松岭

（1.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2.清华大学 电机系，北京 100084）

油气管道在进行缺陷检测和清管作业时，偶尔会发生检测器和清管器的丢失或卡堵等意外事故［1］，必须准确地定位并找回丢失的设备，这对于管道的维护极为关键。对于深埋于地下或海水中的管道，多采用基于超低频电磁场的定位方法［2］。目前，国外已有多家管道检测设备公司的相关产品用于实际的管道定位，国内也有部分高校开展超低频电磁场定位技术的相关研究，并已取得较好的效果。其中，CDI公司CD42型管道清管器定位系统，PIC公司的SPY定位系统，OnlinE公司的3000系列，这些产品大多采用了22Hz的超低频电磁场，已用于检测器的追踪和定位。国内的哈尔滨工业大学等高校也研制了基于超低频电磁场的示踪定位装置［3］，大多采用了23Hz的超低频电磁场，但是尚无高效、实时的移动检测设备。实现便携式、实时数字显示定位器系统是研究的主要目标。

1 工作原理

笔者采用22Hz的电磁场，由于频率极低，因此对金属管道、土壤、海水和空气等介质具有很强的穿透能力。超低频电磁场发射天线采用磁性天线设计，根据天线辐射理论，距离发射器一个波长之外的发射功率为零，而在发射线圈近处也基本不向外部辐射能量［4］，因此增加了超低频信号的接收难度。笔者主要针对超低频电磁场的以上特点，设计了感应式接收天线，带有高Q值、高增益的窄带滤波的信号接收器，数据采集和LCD实时显示模块。检测人员通过移动接收天线，观察LCD显示器实时显示的超低频信号幅值的变化情况，并根据磁偶极子的磁场分布特点来确定检测器的实际位置［5－6］。

图1所示为超低频电磁场发射和接收系统示意图。在金属管道内部，发射线圈随检测器或清管器沿管道轴向Z方向同步运行，并不断地向管道外部辐射超低频电磁场。当发生丢失或卡堵事故时，使用接收天线沿管道沿线寻找超低频信号，再根据感应电压的幅值变化情况来判断实际位置。

图1 超低频电磁场发射和接收系统示意图

在检测器位置未知的情况下，操作人员无法确定接收天线应放置的位置和角度，并且手持式接收天线所处的位置和角度极大程度地影响着检测结果，必须对此加以分析，以便确定检测器的实际位置。

系统采用的电磁场频率极低，磁性发射天线辐射的电磁波可用发射线圈周围的磁场变化情况来描述，发射天线可以等效为磁偶极子模型［7］。接收线圈轴线与发射线圈径向方向所成角度为θ，如图1中所示，接收线圈通过感应在其轴向上的磁感应强度分量产生感应电压。根据磁偶极子模型的数学公式［8］，计算出了当径向距离为6m 时，θ角从0°～90°变化时（即接收线圈垂直于管道轴向逐渐旋转到平行于管道轴向时）的磁感应强度幅值的变化情况，如图2所示，横坐标表示接收线圈所处位置的轴向距离，纵坐标表示磁感应强度的幅值。

从图2可见，接收器轴向与发射器径向所成角度从0°变化到90°时，接收到的信号幅值会从“双峰”转变为“三峰”。当接收器垂直或平行于管道轴向时接收效果最好，可分别通过确定“双峰”的最低点或“三峰”的最高点，即可判断检测器的实际位置。当不能保证接收器的实际角度时，通过比较出现的“三峰”值的大小，不能准确地判断检测器的位置，峰值的最低点和最高点均与实际位置有所偏移。

图2 θ角变化时接收线圈轴向的磁感应强度分量

2 定位系统设计

便携式管道检测器定位系统整体结构如图3所示。该系统主要分为三个部分，即超低频信号的发射器、接收器和数据采集部分。

图3 便携式管道检测器定位系统框图

2.1 发射器

发射器用于产生和发射超低频电磁场信号，超低频信号经由功放电路从发射天线发射出去，其结构如图4所示。

图4 发射器结构框图

发射天线根据磁性天线原理设计，为减小直流阻抗并增大线圈电感，采用了0.61mm线径的铜线绕制在铁氧体磁芯上，匝数为2500匝，天线长150mm，直径30mm。

由信号发生器提供22Hz正弦信号，经由TDA2030功放模块组成的电路放大后，加载到发射线圈两端。电源采用±6V供电，线圈电流幅值为0.1A。

2.2 接收器

超低频电磁场从管道中心发出，经过金属管壁、土壤、水和空气等介质的衰减，到达接收处的磁场强度已变得十分微弱，因此电磁场的接收显得格外重要和困难，接收器结构如图5所示。

图5 接收器结构框图

接收器用于接收超低频电磁场信号，依据电磁感应原理，采用感应式线圈用作接收天线。感应信号通过信号调理电路实现还原和放大，再送入信号采集电路，进行A／D采样。

接收天线采用感应式线圈设计，为提高接收天线的灵敏度和信噪比，采用了多匝线圈和铁芯材料。线圈用线径为0.15mm的铜线绕制10000匝，直径30mm，长300mm，并在线圈中放置了铁磁性材料，以提高灵敏度和信噪比。

由于接收天线线圈匝数多、线径小，造成直流阻抗大，实际测得为1.2kΩ，因此初步放大电路采用了AD公司的AD620仪表放大器，它具有很高的共模抑制比，最大为130dB，输入阻抗为10GΩ，满足工程要求，输入信号初步放大100倍。工频信号会在很大程度上干扰接收信号，采用了双T型陷波器对其抑制，阻带衰减为40dB。信号经初步放大和陷波电路后，进入四级多路正反馈二阶有源带通滤波电路，以实现高Q值、高增益的窄带滤波。中心频率22Hz，带宽1Hz，通带增益为40dB。放大电路总的增益为10000倍。

2.3 数据采集和显示模块

数据采集模块结构如图6所示，CPU采用了Silicon Laboratories公司的C8051F020单片机。C8051F020单片机具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP内核，可达25MIPS，并具有64个I／O接口，是一款可满足复杂高性能仪器仪表要求的单片机。该单片机上带有12位100kbps的带可编程增益放大器的ADC，可满足超低频信号的采样要求。

图6 数据采集模块结构框图

由于单片机采用3.3V供电，选用了SPX1177DC／DC变换模块将5V输入电压转换为3.3V，5V电源可由蓄电池提供。

22Hz信号经过信号调理电路使之满足AD采样的电压输入范围，随后进行数据采集并存储到板上的32MFlash上。同时，22Hz信号经过A／D采样直接显示到LCD显示器上，可观察信号的幅值变化情况，并通过幅值的变化情况来确定检测器的实际位置。LCD选用了南京国显公司的2.8英寸262k色TFT LCD模块GXF0280显示器，实现数据的快速显示。数据采集板和LCD显示器可通过矩阵键盘进行控制和模式选择。

3 试验结果

对检测器定位装置进行了试验测试，采用直径100mm，壁厚10mm，长度为2m的钢管作为试验管道，将超低频电磁场发射器沿管道轴向置于管道内部的中心位置，并用壁厚10mm的钢板封堵钢管的两端，持续向外发射超低频电磁场。在垂直于管道轴向方向6m的距离处放置信号接收器，不断动发射管道位置，并用示波器观察接收信号的变化情况。调整接收器轴向与发射器径向之间的夹角，在夹角为0°，45°和90°时，分别记录接收器的输出电压幅值。图7所示为测试结果，横坐标表示接收线圈所处位置的管道轴向距离，纵坐标表示接收信号的幅值。

图7 改变时接收器感应电压实测曲线图（径向距离r＝6m）

为了测试定位系统的金属穿透能力，采用了一块长1m，宽0.5m，厚度为30mm的钢板。将钢板竖放，发射器靠近钢板的中心放置，并不断向周围空间辐射超低频电磁场。理论分析表明，发射线圈周围磁感应强度无切向分量，大部分磁力线会在螺线管两端附近进入钢板。在钢板另一侧的同一水平高度，发射线圈径向距离6m，轴向距离2m处放置接收器，如图8所示，并通过示波器观察电压信号幅值，效果良好，较使用10mm厚的钢管时的接收信号有所衰减。

图8 金属穿透性能示意图（径向距离r＝6m）

通过以上试验测试结果可见，对于10mm厚的钢管和30mm厚的钢板，该装置都有很好的穿透效果，定位时可调整接收器使之垂直或平行于发射器轴向方向，分别判断“双峰”的最低点或“三峰”的最高点的位置，即可精确定位检测器。同时可见，平行接收时，峰值最高处1m范围内较为平坦，不利于判断出最高点；而垂直接收时，波形的最低处为零，波形两侧较为陡峭，易于判断出最低点，最低点的位置即为发射器的中心位置。

4 结语

针对管道检测器的定位需求，研制了一种基于超低频电磁场的便携式管道检测器定位系统装置。

详细介绍了系统各部分的结构，用10mm厚的钢管和30mm厚的钢板进行了试验测试，并对测试结果进行了分析。分析表明，采用垂直方式接收效果较为理想和精确，从而实现了管道检测器的实时定位。

该装置具有发射信号穿透能力强、接收灵敏度高、实时显示和便携性好的优点，可满足实际的管道定位需求。

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