基于北斗GNSS的交直流电位梯度测量系统设计

张 军,诸海博,宋华东,蔡 军,张文强,胡文广

(国机传感科技有限公司,辽宁沈阳 110043)

0 引言

国家管网在多条管道上开发应用了基于多源数据融合的智能一体化管理平台,实现了管道完整性大数据融合、建模、决策支持,对管道数据融合提出了要求[1]。综合利用管道内、外腐蚀直接评估技术,通过数据挖掘和评估,能够有效预判并发现管道内、外壁因腐蚀诱发的体积型缺陷,对保证长输油气管道的安全稳定运营具有重要的意义[2]。文献[2-4]将管道内检测数据与外检测数据对齐,形成以位置信息为基准的管道信息数据库,并结合实践对管道腐蚀趋势进行综合分析与开挖验证,完善了管道完整性评价体系。文献[5]使用机器学习算法构建了里程预测模型,平均绝对百分误差小于0.10%,决定系数为99.99%,满足了数据对齐的要求。文献[5-7]提出管道数据融合的关键在于管道数据记录的时间、空间一致性。

外检测数据获取的主要方法是外腐蚀直接评价(external corrosion defect assessment,ECDA)技术,主要应用交流电压梯度法(alternative current voltage gradient,ACVG)和直流电压梯度法(direct current voltage gradient,DCVG)[8]。文献[9]使用A字架进行管道ACVG测量,测量数据缺少精确定位信息,导致数据有效性降低。文献[10]介绍了Spectrum XLI管道综合外检测设备的应用情况,通过GPS和惯性绘图装置记录管道检测数据和测量点地理信息,但是在国内应用定位精度仅能达到亚米级别。文献[11]研制的综合外检测设备,通过一体式探杖同时测量DCVG和ACVG,实现了多项测试功能的集成,但是数据记录的定位信息与探杖测量点之间存在较大的偏差,在大间距测量中更严重,影响了缺陷的准确定位。

本文针对管道外检测需求,设计了一种基于北斗GNSS的交直流电位梯度测量系统。采用微型化定位终端硬件,实现了测量点的cm级别定位;采用包含参比电极和钢钎电极的复合测量探杖结合精密测量单元,实现DCVG和ACVG的同步同点精密测量;将电位梯度数据与位置数据融合,形成精确、完整、准确的交直流电位梯度数据记录;融合地理坐标信息与测量数据的数据记录具有良好的关联性和可追溯性,满足了智慧管网数据融合的要求,提高了数据的利用率和管道的健康评价水平。

测量系统的总体结构示意图如图1所示。

图1 测量系统总体结构示意图

1 电子测量单元设计

1.1 电子测量单元构成

为了提高电子测量单元的集成度,减小整个测量系统的体积和重量,将电子测量单元安装于探杖内部。电子测量单元的硬件结构如图2所示。

图2 电子测量单元硬件结构图

电子测量单元中,饱和硫酸铜(Cu/CuSO4)参比电极(以下简称参比电极)和钢钎电极分别安装于探杖的下端,接触土壤获得大地电位信号。其中参比电极用作DCVG信号输入,钢钎电极用作ACVG信号输入。通过主副探杖之间的信号传输电缆,副探杖上电极的电位信号进入主探杖的测量控制模块进行信号调理和模拟数字转换,再由单片机进行数据采集和运算处理,获得DCVG和ACVG测量数据。

差分定位模块安装于探杖顶端,距离参比电极和钢钎电极测量点约1.5 m。探杖内有倾斜传感模块,能够测量探杖的姿态并提示用户将探杖保持垂直,此时差分定位模块的天线位置与电极测量点位置在垂直方向上的投影近乎重合,就能够以差分定位模块位置代替电位测量点位置,而不会产生明显的水平定位误差。

通讯模块用于实现电子测量单元与数据终端之间的数据交换,采用低功耗蓝牙串口通讯模块,一段与测量系统中的单片机串口相连。

探杖上安装的按钮开关是数据保存的触发开关,电子测量单元检测到按键动作以后,数据终端保存数据到磁盘文件中。

1.2 电子测量单元硬件电路设计

电子测量单元关键电路原理图见图3。

图3 电子测量单元关键电路原理图

图3中的VGIN_M和VGIN_S信号为被测电压信号,来自于主探杖和副探杖的参比电极或者钢钎电极,经过分压电阻网络R1～R4得到分压后的差分电压信号,R2和R3的中点参考电位接在偏置电压VBIAS上。R1～R4采用精密低温漂电阻,精度为0.1%以上,温度系数不大于25 ppm(1 ppm=10-6)。

偏置电压发生器电路用于产生电路必须的工作电压参考点VBIAS,包括电阻R5、R6、电容C1和运算放大器U3。等值的电阻R5和R6对3.3 V电源信号进行串联分压,分压后的信号接到U3的同相输入引脚3,电压约为1.65 V,R6两端并联滤波电容C1可降低噪声。U3的反相输入引脚4与输出引脚1短接,构成同相跟随器电路,在引脚1获得低阻抗的偏置电压信号VBIAS。该信号分别连接到电阻分压网络、仪表放大器U1参考电压引脚5和U2的输入引脚4,为其提供合适的工作点。

由仪表放大器芯片U1(型号为INA333),将衰减后的高阻抗差动电压信号转换为低阻抗信号作为ADC芯片U2的测量输入。

ADC芯片U2(型号为ADS131M04)将来自差动仪表放大器输出的模拟电压信号转换为24位分辨率的数字信号,并通过SPI接口将数据传送到单片机。

单片机采用HC32F460KETA,利用SPI接口实现对ADC芯片的运行控制,并通过DMA方式读取转换后的数据,最高数据采样率可达到32 kSPS。

对采样数据进行离散傅里叶变换,可取得信号中的直流分量和交流分量数值,在通过雷电和满度修正,即可取得交直流电位梯度的最终测量结果。

1.3 北斗GNSS定位终端

中国北斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system,BDS)是继GPS、GLONASS之后的第3个成熟的卫星导航系统[12]。基于北斗GNSS(global navigation satellite system)建立的多系统、多层面、多模式的增强型定位系统,可显著提高系统的可用性水平[12]。文献[13]对北斗三号新信号数据质量和中长基线双频实时动态(real-time kinematic,RTK)载波相位差分技术的定位精度进行了研究与验证,证明可为用户提供cm级定位精度。文献[14]表明:基于千寻北斗地基增强系统的观测方式可以得到优于1 cm的平面定位结果,与传统GNSS单基站RTK定位精度相当。以上基于RTK的北斗GNSS设备其体积、重量、功耗均较大,不适合与本测量系统集成。

在保证定位性能的前提下,为了实现小型化、轻量化、低功耗的目标,设计了微型定位终端,称为TinyRTK。TinyRTK主要部件为圆柱天线和定位板卡,分别安装于探杖顶端和探杖内部电路基板上。

圆柱天线采用了BT560A四星九频螺旋天线,其具有体积小、定位精度高、质量轻等特点,外径为Φ27.3 mm,与探杖外径Φ30 mm接近,便于安装。

定位板卡采用UM982多模多频高精度定位定向RTK板卡,支持全系统全频点片上RTK定位及双天线定向解算,采用了双RTK引擎技术,能够自适应识别差分输入RTCM格式,尺寸为16 mm×21 mm×2.7 mm。

圆柱天线和定位板卡基板之间连接同轴电缆线,传输信号的同时为天线内的LNA(低噪声放大器)提供电源。定位板卡的SPI通讯接口与电子测量单元中的单片机相连。天线和定位板卡取得粗略定位数据,借助蓝牙端口传输到数据终端,并通过移动网络上传到千寻服务器,千寻服务器对数据进行解析,解算得到当前的差分修正数据,改数据沿原路返回到定位板卡,由板卡中的RTK引擎解算出最终的高精度定位数据,并通过定位板卡的其他端口发送给单片机,至此电子测量系统和数据终端均取得了测量点的精确定位信息。

TinyRTK定位终端能够以3 Hz以上的速率输出实时定位数据,满足电位测量的实时定位需求。当探杖符合垂直度要求时,将定位数据作为测量点的定位数据,并将其与电位测量数据和其他数据相结合,形成一条完整的数据记录,自动或者手动保存到电子测量系统和数据终端的存储器中。

1.4 单片机软件设计

电子测量单元中单片机软件流程见图4,任务处理流程如下:

图4 电子测量单元中单片机软件流程图

(1)上电初始化阶段完成单片机和外围芯片的初始化设定。

(2)定时读取ADC的测量数据。

(3)读取倾斜传感器模块的姿态数据。

(4)以蓝牙通讯模块为中介,与数据终端进行数据交换。

(5)读取TinyRTK定位终端的数据,取得探杖测量点的精确定位数据。

(6)计算交直流电位梯度数据。

(7)将测量数据与定位数据结合形成完整的测量数据记录,通过数据终端显示,检测到用户按键后保存数据。

2 样机与现场应用

2.1 样机设计

基于北斗GNSS的交直流电位梯度测量系统由主副探杖、安卓终端、交流发射机、管道定位探测仪、移动电源、连接电缆等组成。主副探杖均安装参比电极、钢钎电极和触发按键,在主探杖内安装电子测量单元和TinyRTK定位终端,完成高精度定位和数据采集、运算任务,是整个测量系统的核心。

安卓终端采用工业级三防平板或者三防手机,运行数据采集软件,通过蓝牙接口与主探杖内的电子测量单元和TinyRTK定位终端实现数据交互。安卓终端采用4G+5G全网通制式,保证网络可用性良好。

交流发射机、管道定位探测仪、绕线器、移动电源均为标准设备,根据实际需要选用。

2.2 现场应用

本测量系统工程样机在鲁宁线曲阜输油站附近进行了现场测试应用,并与英国雷迪公司的PCM设备和加拿大阴极技术公司的DCVG设备进行了测量比对,表明本样机在测量精度方面与进口设备持平,在数据归一化和完整性方面具有优势。现场部分测量数据对比见表1和表2,表中测量项目DCVG和ACVG的标准值通过Fluke公司F289万用表测得,位置定位以华测中绘i50小型化智能RTK测量仪+千寻见微(FindMM)服务的测量结果作为定位参考,本设计样机的定位精度≤0.05 m,作为对比的进口设备的定位精度为2～10 m。

表1 DCVG测量数据对比 mV

表2 ACVG测量数据对比 dB

3 结束语

本文利用北斗GNSS系统的精密导航定位优势,结合RTK技术、姿态传感技术、蓝牙技术设计了微型化RTK定位终端;以精密采样技术和数字信号处理技术,实现了交直流电位梯度的高精度测量;二者结合以后形成了包含精密位置信息的电位梯度数据记录,有效提高了数据的可信度水平,为管道的外腐蚀直接评价和管道内外检测数据对齐提供了有力保证。在现场验证测试中发现,姿态调整功能需要耗费一定的时间,在一定程度上降低了作业效率,未来考虑在探杖内安装微型IMU单元,通过软件自动修正探杖姿态的变化;另外,根据用户需求,计划增加密间隔电位测量(CIPS)功能,进一步提高设备的现场适用性和功能性。