一种长输油气管道ACVG信号测量方法与应用

国机传感科技有限公司 张 军 诸海博 宋华东 徐春风 董 冰

在长输油气管道管道的外防腐层评价工作中，ACVG信号测量是一种重要的检测手段。文中针对ACVG信号的特点，设计了一种高精度ACVG信号测量电路和软件处理程序。该方法应用了差动低噪声放大技术和数字信号处理技术，有效提高了测量的准确度和分辨力。基于此技术研制的外检测设备在现场测试中效果良好，大大提高了外防腐层缺陷的检测能力和效率。

长输油气管道采用密闭、自动化传输介质，具有传输量大、安全可靠的优点，大大优于传统的公路、铁路、航空、水运等运输方式，但由于传输介质的特殊性，对管道安全运行提出了非常高的要求。埋地钢质管道不可避免地会发生腐蚀穿孔、破裂等，引发严重事故，造成可观的经济损失。通常对管道实施外防腐层和阴极保护，实现对在役油气管道腐蚀的控制。ACVG信号测量，是一种评价外防腐层窗台和阴极保护有效性的行之有效的方法。本文针对ACVG信号的特点，提出了一种高精度测量ACVG信号的方法，并应用于所研制的管道外检测设备中。经过现场测试，证明本方法精确、可靠，对于一般微弱交流信号测量亦具有一定的参考价值。

1 ACVG技术简介

ACVG(Alternating Current Voltage Gradient)，即交流地电位梯度法，是一种检测埋地钢质管道外防腐层状况的广泛使用的方法。其通过交流发射机发射超低频电流信号，电流信号自沿管道向远处传播，在传播的过程中逐渐衰减，形成一个缓慢变化的电场，具有局部相对稳定的电场梯度。当管道外防腐层发生破损时，局部阻抗减小，电流从破损点流向土壤，在局部形成一个具有较大梯度的电场。电场中一定间距的两点间的电位，可反映管道的腐蚀情况，此电位信号称之为ACVG。

目前的现场应用中，绝大部分采用进口设备如PCM+A字架开展测量，国产外检测设备实际应用较少。

2 ACVG信号测量方法

2.1 ACVG信号的特点

ACVG信号由超低频发射机发出，包含单一频率分量或者2～3种频率分量。采用多种频率分量方式发射时，其中一种较高频率用于防腐层破损程度判定，另外的较低频率分量用于缺陷点的位置识别。

超低频发射机发出的信号随着与发射机距离的增大逐渐衰减，信号强度为数百mV到uV级别，常以0dB表示1uVrms的信号。ACVG信号幅度低、动态范围大，对测量设备提出了较高的要求。

另外，杂散电流的存在也严重影响ACVG测量。在实际测量中，以工频及其谐波干扰最为常见，其中又以工频基频分量以及其奇次谐波分量最为显著。杂散电流所带来是交流干扰电势远远高于ACVG信号幅度，因此在信号输入端，信噪比一般为负值，常规的万用表测量方法难以实现有效测量。

综上所述，信号幅度低、动态范围大、信噪比低、工频干扰强是ACVG信号的特点。

2.2 ACVG信号测量硬件电路

根据ACVG信号的特点，设计了一种信号测量电路，并通过数字信号处理技术精确还原了原始信号。ACVG测量系统结构框图见图1所示，测量电路原理图见图2所示。

图1 ACVG信号测量系统结构框图

图2 ACVG信号测量电路原理图

ACVG测量电路硬件主要包含三个部分：单片机U01、AD转换器U02和差动放大电路U03。

单片机选用了STM32H750VB，该系列微控制器包含Arm®Cortex®-M7内核（含有双精度浮点运算单元），CPU主频可达480MHz，内嵌的128KB闪存和1MB静态随机存储器可满足音频和图像处理的需要。本设计中利用了单片机的SAI音频通讯接口，与电路中的音频ADC实现PCM协议通讯，以DMA方式采集数据。利用该单片机的高主频优势，以及集成的双精度浮点单元，以及DSP库函数，极大提高了测量的精度和数据处理效率。单片机外围有11.0592M高频晶振和32.768k的低频晶振。单片机内部的时钟管理单元，生成480MHz的CPU时钟和120MHz的外设时钟。32.768k晶振作为低功耗精密时钟源，供单片机内RTC定时器使用。

ADC芯片U02选用了TI公司的先进的高性能音频ADC芯片TLV320ADC5140，具有24位转换精度，采样率最高达768kSPS，内置DRE、AGC、增益校准、相位校准、信道混合等多种音频处理功能。

ADC芯片的的通讯接口包括SPI控制接口和SAI接口。其中SPI接口包括ACCS、ACSCK、ACDO、ACDI信号，由单片机进行参数配置可运行控制。SAI接口包括ACSDOUT、ACBCLK、ACFSYNC信号，与单片机的SAI接口相连，完成音频数据传输。

差动放大芯片U03选用了LME49721低噪声音频放大器，典型输入噪声密度仅为4nV/√Hz @ 1kHz，总谐波失真为0.0001%（RL=600Ω），增益带宽积为20MHz，具有103dB的电源共模抑制性能，支持2.2V～5.5V电源供电，静态电流运维2mA。电路中C5和C9是交流输入耦合电容，用于滤除直流信号。电阻R3和R5是交流输入电阻，与ACVG信号实现阻抗匹配。ACBIAS节点是参考电位节点，电压为1.6V。放大器U03A、U03B与外围的电阻R2、R4、R6构成差动放大电路，C7和C8是高频消噪电容，能够降低高频信号增益，将高于ADC采样率的信号滤除，避免出现采样混叠。C4和C6是输出耦合电容，将放大后的信号输入到ADC中。

2.3 ACVG信号测量软件结构

ACVG信号测量的软件流程见图3所示。

图3 ACVG信号测量软件流程图

上电后单片机对芯片内部的设备和ADC芯片进行初始化和运行设置，内部设备包括系统时钟、GPIO、定时器、通讯端口、DMA、中断等，对ADC的设置包括时钟、采样率、数据格式、通讯速率、模拟通道、功耗控制等。初始化完成后控制ADC启动一次数据采集，采样时间为500ms。单片机原地等待，并实时扫描数据就绪标志位，如果发生超时情况，表示设备异常，需要重新进行初始化过程。

ADC芯片接收到启动转换指令后开始运行，模数转换后的数据通过DMA接口保存到单片机的采样数据缓存区。到达指定采样时间后，DMA数据传输结束，在DMA传输结束中断中将数据就绪标志置位，本次转换结束。

单片机检测到数据就绪标志位置位的状态后，将采样数据读取到计算缓存区，然后进行数字信号处理，并将计算结果保存，然后启动下一次ADC的数据转换。

2.4 ACVG信号数字处理技术

ACVG信号的数字处理技术针对信号幅度低、动态范围大、信噪比低、工频干扰强的特点，采用了数据加窗、单点离散傅立叶变换实现了测量目标。

2.4.1 数据加窗

在现代信号处理中，通过时域转频域的方式，提取信号的频域特征，是一种有效的的分析手段。根据数字信号理论，从连续的无限长度的数据中取出一段时间内的数据信号，相当于对数据进行了一次截断的过程，等效于对数据进行了一次加窗操作。实际的采样信号和被测信号存在相位随机性，在频谱分析的过程中就会在真实谱线两侧出现一些较小幅值的谱线，称为“频谱泄漏”。时域中的数据截断是在离散傅立叶变换之前进行的，是必须东上二过程，因此频谱泄露不可避免，但是可以通过数据加窗的方法进行抑制。

常用的窗函数很多，例如矩形窗、三角窗、汉明窗、汉宁窗、Kaiser窗等。本设计采用了具有较强的旁瓣抑制能力的凯撒窗（Kaiser）窗函数，其时域形式可以表示为：

公式(1)中的I0(β)是第1类变形的贝塞尔函数（零阶），可用幂级数表示为：

公式(1)中的是窗函数β的形状参数，由下式确定：

α定义为凯塞窗函数的旁瓣抑制能力（主瓣幅值值与旁瓣幅值的差值dB），本设计中大于50。最终确定的α数值为190，β数值为20。仿真获得的窗函数幅度响应和频谱响应图见图4所示。

图4 窗函数幅度响应和频谱响应

2.4.2 单点离散傅立叶变换

离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT），也是对信号进行频域分析的常用方法和工具。快速傅立叶变换是一种快速计算DFT的方法，能够一次计算出所有的频率分量幅值，计算点数较多时，FFT的运算效率优势明显。在本应用中，由于被测ACVG信号为单一频率信号，因此应用DFT比FFT效率更高。

单次采样期间的ADC转换数据通过DMA传输以数组形式保存在单片机的内存中，采样结束以后，暂停接收数据，对数据进行加窗计算并保存在原位置然后进行后续数据处理。数据处理主要包含相关平均计算和离散傅立叶变换（DFT）两个步骤。具体示例如下：

（1）设被测ACVG信号频率为128Hz，ADC采样率为48kHz，采样时间0.5秒，共计有24000点采样数据，每个ACVG信号周期内有48000/128=375点数据。

（2）准备平均值数组avg[1..375]，按照公式(4)计算avg[i]。

（3）经过以上处理后，得到ACVG信号的一个信号周期的数据，共计375点，保存在数组avg[1..375]中。数据的采样率为Fs=48kHz，用以上数据进行单点DFT（离散傅立叶变换），就可以得到ACVG信号的幅值信息。

2.5 在外检测设备中的应用

基于以上ACVG测量技术研制的管道综合外检测设备，在实验室与进口PCM设备进行了对比测试，测试结果（见表1）表明，本技术具有更高的测量分辨力和测量精度。在管道外检测现场与其他设备进行了实际应用对比测试，证明该测量技术具有明显的优越性和实用性。

表1 管道综合外检测设备与PCM设备对比测试数据表

针对国内埋地管道外防腐层检测技术的现状，本文提出的长输油气管道ACVG信号测量方法，具有测量准确度高和分辨力强的特点。基于此测量方法研制的管道综合外检测设备在实际应用中效果良好，有望成为进口产品的有力竞争者。本文中提出的交流小信号测量方法具有较强的通用性，可以应用于其他微弱交流信号的测量，因此在传感器与仪表检测领域具有广泛的参考价值。