便攜式管道檢測(cè)器定位系統(tǒng)的研制

蘇宇航，吳 靜，奉華成，黃松嶺

（1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.清華大學(xué) 電機(jī)系，北京 100084）

油氣管道在進(jìn)行缺陷檢測(cè)和清管作業(yè)時(shí)，偶爾會(huì)發(fā)生檢測(cè)器和清管器的丟失或卡堵等意外事故［1］，必須準(zhǔn)確地定位并找回丟失的設(shè)備，這對(duì)于管道的維護(hù)極為關(guān)鍵。對(duì)于深埋于地下或海水中的管道，多采用基于超低頻電磁場(chǎng)的定位方法［2］。目前，國(guó)外已有多家管道檢測(cè)設(shè)備公司的相關(guān)產(chǎn)品用于實(shí)際的管道定位，國(guó)內(nèi)也有部分高校開(kāi)展超低頻電磁場(chǎng)定位技術(shù)的相關(guān)研究，并已取得較好的效果。其中，CDI公司CD42型管道清管器定位系統(tǒng)，PIC公司的SPY定位系統(tǒng)，OnlinE公司的3000系列，這些產(chǎn)品大多采用了22Hz的超低頻電磁場(chǎng)，已用于檢測(cè)器的追蹤和定位。國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也研制了基于超低頻電磁場(chǎng)的示蹤定位裝置［3］，大多采用了23Hz的超低頻電磁場(chǎng)，但是尚無(wú)高效、實(shí)時(shí)的移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)便攜式、實(shí)時(shí)數(shù)字顯示定位器系統(tǒng)是研究的主要目標(biāo)。

1 工作原理

筆者采用22Hz的電磁場(chǎng)，由于頻率極低，因此對(duì)金屬管道、土壤、海水和空氣等介質(zhì)具有很強(qiáng)的穿透能力。超低頻電磁場(chǎng)發(fā)射天線(xiàn)采用磁性天線(xiàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)天線(xiàn)輻射理論，距離發(fā)射器一個(gè)波長(zhǎng)之外的發(fā)射功率為零，而在發(fā)射線(xiàn)圈近處也基本不向外部輻射能量［4］，因此增加了超低頻信號(hào)的接收難度。筆者主要針對(duì)超低頻電磁場(chǎng)的以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了感應(yīng)式接收天線(xiàn)，帶有高Q值、高增益的窄帶濾波的信號(hào)接收器，數(shù)據(jù)采集和LCD實(shí)時(shí)顯示模塊。檢測(cè)人員通過(guò)移動(dòng)接收天線(xiàn)，觀察LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示的超低頻信號(hào)幅值的變化情況，并根據(jù)磁偶極子的磁場(chǎng)分布特點(diǎn)來(lái)確定檢測(cè)器的實(shí)際位置［5－6］。

圖1所示為超低頻電磁場(chǎng)發(fā)射和接收系統(tǒng)示意圖。在金屬管道內(nèi)部，發(fā)射線(xiàn)圈隨檢測(cè)器或清管器沿管道軸向Z方向同步運(yùn)行，并不斷地向管道外部輻射超低頻電磁場(chǎng)。當(dāng)發(fā)生丟失或卡堵事故時(shí)，使用接收天線(xiàn)沿管道沿線(xiàn)尋找超低頻信號(hào)，再根據(jù)感應(yīng)電壓的幅值變化情況來(lái)判斷實(shí)際位置。

圖1 超低頻電磁場(chǎng)發(fā)射和接收系統(tǒng)示意圖

在檢測(cè)器位置未知的情況下，操作人員無(wú)法確定接收天線(xiàn)應(yīng)放置的位置和角度，并且手持式接收天線(xiàn)所處的位置和角度極大程度地影響著檢測(cè)結(jié)果，必須對(duì)此加以分析，以便確定檢測(cè)器的實(shí)際位置。

系統(tǒng)采用的電磁場(chǎng)頻率極低，磁性發(fā)射天線(xiàn)輻射的電磁波可用發(fā)射線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)變化情況來(lái)描述，發(fā)射天線(xiàn)可以等效為磁偶極子模型［7］。接收線(xiàn)圈軸線(xiàn)與發(fā)射線(xiàn)圈徑向方向所成角度為θ，如圖1中所示，接收線(xiàn)圈通過(guò)感應(yīng)在其軸向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量產(chǎn)生感應(yīng)電壓。根據(jù)磁偶極子模型的數(shù)學(xué)公式［8］，計(jì)算出了當(dāng)徑向距離為6m 時(shí)，θ角從0°～90°變化時(shí)（即接收線(xiàn)圈垂直于管道軸向逐漸旋轉(zhuǎn)到平行于管道軸向時(shí)）的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的變化情況，如圖2所示，橫坐標(biāo)表示接收線(xiàn)圈所處位置的軸向距離，縱坐標(biāo)表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值。

從圖2可見(jiàn)，接收器軸向與發(fā)射器徑向所成角度從0°變化到90°時(shí)，接收到的信號(hào)幅值會(huì)從“雙峰”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭濉?。?dāng)接收器垂直或平行于管道軸向時(shí)接收效果最好，可分別通過(guò)確定“雙峰”的最低點(diǎn)或“三峰”的最高點(diǎn)，即可判斷檢測(cè)器的實(shí)際位置。當(dāng)不能保證接收器的實(shí)際角度時(shí)，通過(guò)比較出現(xiàn)的“三峰”值的大小，不能準(zhǔn)確地判斷檢測(cè)器的位置，峰值的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)均與實(shí)際位置有所偏移。

圖2 θ角變化時(shí)接收線(xiàn)圈軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量

2 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜式管道檢測(cè)器定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，即超低頻信號(hào)的發(fā)射器、接收器和數(shù)據(jù)采集部分。

圖3 便攜式管道檢測(cè)器定位系統(tǒng)框圖

2.1 發(fā)射器

發(fā)射器用于產(chǎn)生和發(fā)射超低頻電磁場(chǎng)信號(hào)，超低頻信號(hào)經(jīng)由功放電路從發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射出去，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 發(fā)射器結(jié)構(gòu)框圖

發(fā)射天線(xiàn)根據(jù)磁性天線(xiàn)原理設(shè)計(jì)，為減小直流阻抗并增大線(xiàn)圈電感，采用了0.61mm線(xiàn)徑的銅線(xiàn)繞制在鐵氧體磁芯上，匝數(shù)為2500匝，天線(xiàn)長(zhǎng)150mm，直徑30mm。

由信號(hào)發(fā)生器提供22Hz正弦信號(hào)，經(jīng)由TDA2030功放模塊組成的電路放大后，加載到發(fā)射線(xiàn)圈兩端。電源采用±6V供電，線(xiàn)圈電流幅值為0.1A。

2.2 接收器

超低頻電磁場(chǎng)從管道中心發(fā)出，經(jīng)過(guò)金屬管壁、土壤、水和空氣等介質(zhì)的衰減，到達(dá)接收處的磁場(chǎng)強(qiáng)度已變得十分微弱，因此電磁場(chǎng)的接收顯得格外重要和困難，接收器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 接收器結(jié)構(gòu)框圖

接收器用于接收超低頻電磁場(chǎng)信號(hào)，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，采用感應(yīng)式線(xiàn)圈用作接收天線(xiàn)。感應(yīng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)還原和放大，再送入信號(hào)采集電路，進(jìn)行A／D采樣。

接收天線(xiàn)采用感應(yīng)式線(xiàn)圈設(shè)計(jì)，為提高接收天線(xiàn)的靈敏度和信噪比，采用了多匝線(xiàn)圈和鐵芯材料。線(xiàn)圈用線(xiàn)徑為0.15mm的銅線(xiàn)繞制10000匝，直徑30mm，長(zhǎng)300mm，并在線(xiàn)圈中放置了鐵磁性材料，以提高靈敏度和信噪比。

由于接收天線(xiàn)線(xiàn)圈匝數(shù)多、線(xiàn)徑小，造成直流阻抗大，實(shí)際測(cè)得為1.2kΩ，因此初步放大電路采用了AD公司的AD620儀表放大器，它具有很高的共模抑制比，最大為130dB，輸入阻抗為10GΩ，滿(mǎn)足工程要求，輸入信號(hào)初步放大100倍。工頻信號(hào)會(huì)在很大程度上干擾接收信號(hào)，采用了雙T型陷波器對(duì)其抑制，阻帶衰減為40dB。信號(hào)經(jīng)初步放大和陷波電路后，進(jìn)入四級(jí)多路正反饋二階有源帶通濾波電路，以實(shí)現(xiàn)高Q值、高增益的窄帶濾波。中心頻率22Hz，帶寬1Hz，通帶增益為40dB。放大電路總的增益為10000倍。

2.3 數(shù)據(jù)采集和顯示模塊

數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示，CPU采用了Silicon Laboratories公司的C8051F020單片機(jī)。C8051F020單片機(jī)具有高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP內(nèi)核，可達(dá)25MIPS，并具有64個(gè)I／O接口，是一款可滿(mǎn)足復(fù)雜高性能儀器儀表要求的單片機(jī)。該單片機(jī)上帶有12位100kbps的帶可編程增益放大器的ADC，可滿(mǎn)足超低頻信號(hào)的采樣要求。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

由于單片機(jī)采用3.3V供電，選用了SPX1177DC／DC變換模塊將5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，5V電源可由蓄電池提供。

22Hz信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路使之滿(mǎn)足AD采樣的電壓輸入范圍，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)到板上的32MFlash上。同時(shí)，22Hz信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D采樣直接顯示到LCD顯示器上，可觀察信號(hào)的幅值變化情況，并通過(guò)幅值的變化情況來(lái)確定檢測(cè)器的實(shí)際位置。LCD選用了南京國(guó)顯公司的2.8英寸262k色TFT LCD模塊GXF0280顯示器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速顯示。數(shù)據(jù)采集板和LCD顯示器可通過(guò)矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行控制和模式選擇。

3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)檢測(cè)器定位裝置進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，采用直徑100mm，壁厚10mm，長(zhǎng)度為2m的鋼管作為試驗(yàn)管道，將超低頻電磁場(chǎng)發(fā)射器沿管道軸向置于管道內(nèi)部的中心位置，并用壁厚10mm的鋼板封堵鋼管的兩端，持續(xù)向外發(fā)射超低頻電磁場(chǎng)。在垂直于管道軸向方向6m的距離處放置信號(hào)接收器，不斷動(dòng)發(fā)射管道位置，并用示波器觀察接收信號(hào)的變化情況。調(diào)整接收器軸向與發(fā)射器徑向之間的夾角，在夾角為0°，45°和90°時(shí)，分別記錄接收器的輸出電壓幅值。圖7所示為測(cè)試結(jié)果，橫坐標(biāo)表示接收線(xiàn)圈所處位置的管道軸向距離，縱坐標(biāo)表示接收信號(hào)的幅值。

圖7 改變時(shí)接收器感應(yīng)電壓實(shí)測(cè)曲線(xiàn)圖（徑向距離r＝6m）

為了測(cè)試定位系統(tǒng)的金屬穿透能力，采用了一塊長(zhǎng)1m，寬0.5m，厚度為30mm的鋼板。將鋼板豎放，發(fā)射器靠近鋼板的中心放置，并不斷向周?chē)臻g輻射超低頻電磁場(chǎng)。理論分析表明，發(fā)射線(xiàn)圈周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度無(wú)切向分量，大部分磁力線(xiàn)會(huì)在螺線(xiàn)管兩端附近進(jìn)入鋼板。在鋼板另一側(cè)的同一水平高度，發(fā)射線(xiàn)圈徑向距離6m，軸向距離2m處放置接收器，如圖8所示，并通過(guò)示波器觀察電壓信號(hào)幅值，效果良好，較使用10mm厚的鋼管時(shí)的接收信號(hào)有所衰減。

圖8 金屬穿透性能示意圖（徑向距離r＝6m）

通過(guò)以上試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于10mm厚的鋼管和30mm厚的鋼板，該裝置都有很好的穿透效果，定位時(shí)可調(diào)整接收器使之垂直或平行于發(fā)射器軸向方向，分別判斷“雙峰”的最低點(diǎn)或“三峰”的最高點(diǎn)的位置，即可精確定位檢測(cè)器。同時(shí)可見(jiàn)，平行接收時(shí)，峰值最高處1m范圍內(nèi)較為平坦，不利于判斷出最高點(diǎn)；而垂直接收時(shí)，波形的最低處為零，波形兩側(cè)較為陡峭，易于判斷出最低點(diǎn)，最低點(diǎn)的位置即為發(fā)射器的中心位置。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)管道檢測(cè)器的定位需求，研制了一種基于超低頻電磁場(chǎng)的便攜式管道檢測(cè)器定位系統(tǒng)裝置。

詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)，用10mm厚的鋼管和30mm厚的鋼板進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。分析表明，采用垂直方式接收效果較為理想和精確，從而實(shí)現(xiàn)了管道檢測(cè)器的實(shí)時(shí)定位。

該裝置具有發(fā)射信號(hào)穿透能力強(qiáng)、接收靈敏度高、實(shí)時(shí)顯示和便攜性好的優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足實(shí)際的管道定位需求。

［1］金瑩，鐘維斌.磁力清管器在管道清洗中的應(yīng)用［J］.洗凈技術(shù)，2003（7）：36－38.

［2］李孟杰.海底管道軌跡在線(xiàn)精確測(cè)量技術(shù)研究［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2004，19（6）：46－49.

［3］齊海銘.管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人示蹤定位技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］王林章，張美璣，張錦生.清管器跟蹤儀的超低頻發(fā)射機(jī)研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，1983（6）：16－39.

［5］陳聰，李定國(guó)，候世喜.運(yùn)動(dòng)磁偶極子感應(yīng)電場(chǎng)的理論和試驗(yàn)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（10）：116－118.

［6］Mcfee J E，Das Y.Magnetic localization and parameter estimation method based on frequency domain［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1981，29（2）：282－287.

［7］高松巍，孫小京，楊理踐.基于極低頻電磁波的管道檢測(cè)定位技術(shù)［J］.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（3）：266－270.

［8］Durrani S H.Air to undersea communication with magnetic dipoles［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1964，12（4）：464－470.