埋地管道定位用環(huán)型電子標(biāo)簽的研發(fā)

加拿大JLY Consulting Inc. 梁 堅深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 梁莎莎

埋地管道定位用環(huán)型電子標(biāo)簽的研發(fā)

加拿大JLY Consulting Inc. 梁 堅深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 梁莎莎

電子標(biāo)簽是埋地聚乙烯管道檢測定位的重要裝置，傳統(tǒng)的電子標(biāo)簽價格高昂，還存在被拆移使之偏離管道的風(fēng)險，文中介紹的環(huán)型電子標(biāo)簽價格低廉且直接套在管道上，較好地滿足了數(shù)字化安全管理的要求。

市政埋地管道，聚乙烯管道，坐標(biāo)定位，電子標(biāo)簽

1 問題的提出

與鋼管相比，聚乙烯管材具有無腐蝕風(fēng)險、耐土壤沉降、施工簡便和造價便宜等優(yōu)點，已成為中小口徑市政埋地管道的首選，美中不足的是檢測定位比較困難。聚乙烯管體無法傳遞電信號，只能借助同溝敷設(shè)的金屬示蹤線或定點埋設(shè)的電子標(biāo)簽間接定位。示蹤線容易受到周邊金屬管道的干擾導(dǎo)致誤判，使電子標(biāo)簽應(yīng)用越來越廣泛，同時它也是市政埋地管道實現(xiàn)數(shù)字化安全管理的重要工具。

按照有關(guān)技術(shù)規(guī)范，電子標(biāo)簽除埋設(shè)在管道每個節(jié)點處外，平直管段間隔不得大于50 m，弧形段還要適當(dāng)加密。由于傳統(tǒng)的電子標(biāo)簽價格昂貴，實際生產(chǎn)中通常僅用于三通、彎頭等重要節(jié)點，平直管段極少埋設(shè)，弧形管段埋設(shè)間距也偏大。此外，捆綁埋設(shè)在管道上的電子標(biāo)簽容易被其他人拆移，使其偏離管道的實際位置，由此導(dǎo)致埋地管道被第三方施工時挖穿或鉆透的嚴(yán)重后果。針對上述問題，我們研發(fā)了環(huán)型電子標(biāo)簽，可經(jīng)濟(jì)合理地保證市政埋地管道的安全運行。

2 電子標(biāo)簽工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀

電子標(biāo)簽系統(tǒng)(Electronic Marking System)由埋地電子標(biāo)簽及地面檢測器兩部分組成。電子標(biāo)簽可內(nèi)置芯片，存儲地理坐標(biāo)、節(jié)點類型、口徑和壓力等相關(guān)信息的代碼。電子標(biāo)簽內(nèi)的線圈與電容組成諧振電路，無需安裝電池，見圖1。

圖1 電子標(biāo)簽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)檢測器接近電子標(biāo)簽時，其所發(fā)射特定頻率的無線電波，使電子標(biāo)簽內(nèi)部與之頻率相應(yīng)的線圈與電容發(fā)生諧振產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流的磁場信號又可被檢測器感知，信號最強(qiáng)點即為電子標(biāo)簽正上方地表。這有些類似手電筒和反光鏡的關(guān)系，檢測器相當(dāng)于手電筒，電子標(biāo)簽相當(dāng)于反光鏡。憑借感應(yīng)電流所獲得的能量，電子標(biāo)簽還能發(fā)送出存儲在芯片中的相關(guān)信息，由檢測器接收。

目前國內(nèi)市政埋地管道使用效果最好的是美國產(chǎn)全向電子標(biāo)簽，內(nèi)有三組正相交金屬線圈的塑料球，直徑100 mm。三組正相交線圈受激諧振產(chǎn)生的全向磁場，使檢測器無論自哪個方位接近，都能產(chǎn)生最佳響應(yīng)。根據(jù)劉波“埋地PE燃?xì)夤艿赖氖聚櫯c定位”一文介紹，從距離電子標(biāo)簽5 m遠(yuǎn)處開始檢測到完成準(zhǔn)確定位，所用時間不超過1 min。其最大被探測深度1.5 m，滿足大部分市政埋地管道的要求。

傳統(tǒng)電子標(biāo)簽用尼龍扎帶或膠布捆綁固定在管道或管件上，很容易被其他人拆除或移位，近年法國燃?xì)馓K伊士集團(tuán)開始測試新的解決方案，在聚乙烯管材生產(chǎn)過程中將電子標(biāo)簽直接植入管壁內(nèi)，確保其不會與管道分離。

3 研發(fā)技術(shù)方案

實現(xiàn)埋地聚乙烯管道準(zhǔn)確定位，一要有足夠的電子標(biāo)簽數(shù)量，二要保證每個電子標(biāo)簽都不會與管道脫離，二者缺一不可。管材內(nèi)預(yù)埋電子標(biāo)簽是理想的解決方案，但相關(guān)技術(shù)研發(fā)和引進(jìn)都需要時間，其造價在近期恐怕也難被國內(nèi)管道運營企業(yè)所接受。

為此，我們考慮研發(fā)直接套在管道上的環(huán)型電子標(biāo)簽，這樣就徹底杜絕了其與管道分離的風(fēng)險。安裝后諧振線圈與地面非水平狀態(tài)，使得查找速度略慢，但對于第三方施工前檢測定位，查找速度并不需要太快。

從美國產(chǎn)電子標(biāo)簽產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及實際操作經(jīng)驗可知，埋地電子標(biāo)簽的線圈對地面垂直投影面積越大，反應(yīng)信號就越強(qiáng)，投影直徑100 mm的水平線圈就可以充分滿足管頂埋深1.2 m的定位要求，這是大多數(shù)埋地市政管道的埋深。鑒于市政埋地管道口徑多在200 mm以下，就以200 mm為例討論。

制備環(huán)型電子標(biāo)簽樣品：取直徑225 mm的聚乙烯管材，長度30 mm，在外壁上纏繞諧振線圈，電容則置于內(nèi)側(cè)，不設(shè)存貯芯片以降低造價。將樣品斜套在口徑200 mm的聚乙烯管道上，此時諧振線圈對地面垂直投影為短軸103 mm、長軸225 mm的橢圓，投影面積已經(jīng)超過直徑100 mm全向電子標(biāo)簽的投影面積，見圖2。

圖2 環(huán)型電子標(biāo)簽安裝示意

該標(biāo)簽用于更小口徑聚乙烯管道時，投影面積更大效果更好。

4 現(xiàn)場測試結(jié)果

分別選用口徑200 mm、150 mm、100 mm聚乙烯管道進(jìn)行測試。將環(huán)型電子標(biāo)簽直接斜跨在管道外側(cè)，兩個接觸點分別位于管頂與管底，以使之盡量靠近水平狀態(tài)，因為水平狀態(tài)線圈對地面垂直投影面積最大。

檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與全向電子標(biāo)簽不同，環(huán)型電子標(biāo)簽信號強(qiáng)度變化曲線是不對稱的，見圖3。

圖3 環(huán)型電子標(biāo)簽信號強(qiáng)度變化曲線

自環(huán)型電子標(biāo)簽中心線所對的 A處開始較快增強(qiáng)，到電子標(biāo)簽正上方B處達(dá)到最大值，之后快速衰減，到C處幾乎為零。這是因為在A→B區(qū)間探測器與電子標(biāo)簽線圈間距減小使信號增強(qiáng)，但與線圈平面夾角變化卻使信號減弱，二者作用相反；而在B→C區(qū)間二者作用均為使信號強(qiáng)度減弱。我們曾擔(dān)心兩種作用交互的結(jié)果，會使響應(yīng)信號最大值偏離電子標(biāo)簽正上方，現(xiàn)場測試結(jié)果表明，間距的影響遠(yuǎn)大于夾角變化的影響，無論聚乙烯管道口徑大小，響應(yīng)信號最大值點始終在電子標(biāo)簽正上方。

對于平直管段和直埋弧形段，管道口徑、壓力等信息在管理資料中都有且很少改變，電子標(biāo)簽僅用于現(xiàn)場定位，故環(huán)型電子標(biāo)簽不需內(nèi)置存貯芯片以降低造價，實測產(chǎn)品價格僅為全向電子標(biāo)簽的一半。

這就意味著，在平直管段和直埋弧形段均可加倍安裝環(huán)型電子標(biāo)簽，從而實現(xiàn)管道走向的精確示蹤定位；同時，由于安裝間距減半，使得檢測范圍大大縮小，加快了查找速度。

5 結(jié)語

環(huán)型電子標(biāo)簽不會與管道分離且價格低廉，可大大提高平直管段和直埋弧形段的定位檢測精度，與重要節(jié)點安裝的全向電子標(biāo)簽互相配合，可高效經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)市政埋地管道的數(shù)字化安全管理。

Research on Ring E-Tag Used to Orient the Buried Pipeline

Canada JLY Consulting Inc. Liang Jian Shenzhen Gas Group CO., Ltd. Liang Shasha

It is an important device for the e-tag to orient the buried PE pipeline, but the traditional e-tag is expensive and has the risk of deviation which can’t orient the pipeline precisely. A new ring e-tag put forward in the paper is cheap and can be set on the pipeline, which can meet the demand of digital safety management.

buried pipeline, PE pipeline, coordinate orientation, e-tag