基于遠(yuǎn)場(chǎng)感應(yīng)電流法的水管檢漏測(cè)量

林楚濤， 陳金龍， 陳偉成

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院光信息工程系，廣東 佛山 528000)

0 引言

供水管道漏水是對(duì)寶貴水資源的浪費(fèi)，它不僅增加了凈水成本，而且還額外地增加了供水設(shè)施的投資費(fèi)用。同時(shí)，也導(dǎo)致了一些次生災(zāi)害，如:路基、建筑物基礎(chǔ)的毀壞，污染物和礦物質(zhì)進(jìn)入水管等。目前，管道破裂檢測(cè)定位的常用方法有聽(tīng)音法[1]、相關(guān)分析法[2]，壓力梯度法[3]等等。但是，這些測(cè)量方法存在著以下的缺點(diǎn):聽(tīng)音法受外界干擾大，特別是噪聲大的區(qū)域很難用聽(tīng)音法測(cè)漏;相關(guān)分析法設(shè)備貴，投資大，而且必須知道管道的走向等具體信息以及管道的聲速(與管道的材質(zhì)和管徑有關(guān));而壓力梯度法只能適用于等溫管道或介質(zhì)特性隨溫度變化很小的管道，且測(cè)量精度不高，不能準(zhǔn)確測(cè)定漏水點(diǎn)的位置。

本文采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)水管進(jìn)行檢漏[4]。常規(guī)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)信號(hào)的相位測(cè)量來(lái)判斷管壁漏水的位置[5]，這種測(cè)量方法測(cè)量精度高、定位準(zhǔn)，但是該方法所需要的實(shí)驗(yàn)器材成本高，檢測(cè)后需要進(jìn)行的相位比對(duì)的數(shù)學(xué)計(jì)算量大、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。為此，本文采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法測(cè)量另一個(gè)變化的物理量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)漏點(diǎn)的測(cè)量，即對(duì)檢測(cè)線圈在金屬管道中不同位置的感應(yīng)電流變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，并根據(jù)感應(yīng)電流在管道破損處的突變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的判斷與定位。

1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

由于本文采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法進(jìn)行水管漏點(diǎn)位置判定的關(guān)聯(lián)物理量是檢測(cè)線圈的感應(yīng)電流，所以稱該測(cè)量方法為遠(yuǎn)場(chǎng)感應(yīng)電流法，檢漏原理見(jiàn)圖1。在待測(cè)的管道中放置了一對(duì)激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈，對(duì)激勵(lì)線圈通以80 Hz的低頻交流電流，則激勵(lì)線圈將產(chǎn)生相應(yīng)頻率的交變磁場(chǎng)。產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)將誘導(dǎo)檢測(cè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，交變磁場(chǎng)能量由激勵(lì)線圈向管道中檢測(cè)線圈傳播時(shí)分別有近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩個(gè)不同的耦合方式[6-7]。由激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿管道內(nèi)軸向傳播到檢測(cè)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)能量耦合方式，稱為近場(chǎng)耦合;由激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量穿過(guò)管壁到達(dá)管道外部后又穿回管壁到達(dá)檢測(cè)線圈所產(chǎn)生感應(yīng)電流的磁場(chǎng)能量耦合方式，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)耦合。因此，在激勵(lì)線圈兩側(cè)會(huì)存在兩個(gè)磁場(chǎng)能量耦合的區(qū)域:以近場(chǎng)能量耦合方式為主導(dǎo)的區(qū)域稱為近場(chǎng)區(qū);以遠(yuǎn)場(chǎng)能量耦合方式為主導(dǎo)的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)[8]。兩個(gè)區(qū)域的具體分界處位置由管壁的厚度、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率和激勵(lì)頻率等因素確定[9]。但是，在管道內(nèi)，隨著檢測(cè)線圈與激勵(lì)線圈之間距離的增加，近場(chǎng)耦合的磁場(chǎng)能量將以指數(shù)關(guān)系衰減。當(dāng)兩線圈的間距處于2～3倍水管內(nèi)徑時(shí)，近場(chǎng)耦合的磁場(chǎng)能量比管壁外遠(yuǎn)場(chǎng)的磁場(chǎng)耦合能量衰減得更快，此時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)耦合能量方式在管道中占據(jù)主導(dǎo)地位[10-12]。在遠(yuǎn)場(chǎng)能量耦合的模式中，單匝檢測(cè)線圈因交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)感應(yīng)電流檢漏測(cè)量原理

式中:為磁通;A為磁矢勢(shì)。

檢測(cè)線圈與管道同軸放置時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流模型為軸對(duì)稱[13]，則A只有圓周分量Aθ，即

若檢測(cè)線圈的半徑為r，則檢測(cè)線圈在以ω交變頻率的磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相量為

若檢測(cè)線圈的匝數(shù)為N，總電阻為R，則探測(cè)到的總感應(yīng)電流為

當(dāng)檢漏探頭隨著水流在管道中流動(dòng)時(shí)，檢漏探頭的檢測(cè)線圈能實(shí)時(shí)產(chǎn)生由激勵(lì)線圈所誘導(dǎo)的遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng)能量耦合的感應(yīng)電流。如果水管是完好的，則檢測(cè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流是穩(wěn)定的;水管出現(xiàn)破裂時(shí)，在破裂處將由于缺乏完好金屬屏蔽的遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng)能量將會(huì)得到增強(qiáng)。這樣，檢測(cè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流將出現(xiàn)異常的增大。通過(guò)對(duì)檢漏探頭的感應(yīng)電流的異常變化的實(shí)時(shí)測(cè)量，就能對(duì)水管漏點(diǎn)進(jìn)行精確的定位。

檢漏探頭能否正常工作，關(guān)鍵取決于檢測(cè)線圈能否感受到激勵(lì)線圈的交變遠(yuǎn)場(chǎng)磁場(chǎng)能量[17]。為此，我們對(duì)檢漏探頭的激勵(lì)線圈的工作電流進(jìn)行放大以增強(qiáng)遠(yuǎn)場(chǎng)的磁場(chǎng)能量。圖2為激勵(lì)線圈工作電流的放大電路的原理圖，激勵(lì)線圈的放大電路采用音頻功放芯片TDA2030芯片。當(dāng)放大電路工作在4.0 V時(shí)，電流放大倍數(shù)為100倍。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 檢漏探頭對(duì)水管沿線的測(cè)量

圖2 輸出放大電路

圖3 檢漏探頭對(duì)水管沿線的感應(yīng)電流探測(cè)

采用研制的檢漏探頭對(duì)金屬水管進(jìn)行無(wú)損動(dòng)態(tài)測(cè)量。將探頭放進(jìn)金屬水管中，探頭順著水流方向沿著管道行進(jìn)，并實(shí)時(shí)反饋出管道不同位置處的感應(yīng)電流大小。圖3是其相應(yīng)的水管沿線不同位置處檢漏探頭中檢測(cè)線圈測(cè)量到的感應(yīng)電流變化趨勢(shì)圖。從圖3可知，檢漏探頭在完好管壁的水管中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流是穩(wěn)定的，感應(yīng)電流值恒定為0.035 mA。當(dāng)檢測(cè)線圈經(jīng)過(guò)水管的漏點(diǎn)時(shí)，感應(yīng)電流增大，達(dá)0.036 mA，并且在整個(gè)檢漏探頭(包括激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈和鐵棒)流過(guò)水管漏點(diǎn)的過(guò)程中，感應(yīng)電流都保持著穩(wěn)定數(shù)值不變，直到探頭的最后部分激勵(lì)線圈離開(kāi)漏點(diǎn)后，感應(yīng)電流才回落到原來(lái)完好管壁的感應(yīng)電流的大小。根據(jù)圖3的感應(yīng)電流變化規(guī)律，可以判定漏點(diǎn)位置相距管口位置30.00 cm處。

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)探頭的流速對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)太大影響。而且水管在地下的埋藏深度對(duì)本探頭的工作影響不大。

2.2 測(cè)量結(jié)果的不確定度分析

為了驗(yàn)證檢漏探頭測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)TDA2030放大芯片通以不同的工作電壓，對(duì)水管進(jìn)行了多次重復(fù)測(cè)量。表1為5次測(cè)量的數(shù)據(jù)。

在重復(fù)測(cè)量中，檢漏探頭的感應(yīng)電流在水管漏點(diǎn)處均表現(xiàn)出相同的突變特點(diǎn)。通過(guò)不確定度的計(jì)算，可以找出檢漏探頭的測(cè)量誤差范圍。經(jīng)外部測(cè)量，水管漏點(diǎn)位置在30.00 cm處。由不確定度公式可以計(jì)算探頭測(cè)量水管漏點(diǎn)位置的誤差范圍。

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

所以，漏點(diǎn)的位置判斷相對(duì)不確定度誤差范圍為

表1 檢漏探頭對(duì)水管漏點(diǎn)的5次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)表mA

可見(jiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的檢漏探頭對(duì)水管漏點(diǎn)位置的判斷誤差范圍在1.3%以內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的磁場(chǎng)能量耦合特點(diǎn)，采用測(cè)量關(guān)聯(lián)物理量為感應(yīng)電流，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)場(chǎng)感應(yīng)電流的檢漏探頭。該探頭對(duì)通水的水管管道進(jìn)行了無(wú)損測(cè)量，判定了水管漏點(diǎn)的位置，查找漏點(diǎn)的誤差范圍小于1.3%。

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