基于PCM 的地下金屬管線信號接收系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

由鄭，任旭虎，劉松卓，王瀚林，趙雪陽

（中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580）

隨著城市的發(fā)展，地下金屬管線的鋪設(shè)規(guī)模逐漸擴大，長期埋在地下的金屬管線由于內(nèi)腐蝕和外腐蝕導(dǎo)致防腐層損壞而引發(fā)管線泄露，造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染[1]。因此，在管線破損時，如何選用一種快速有效的方法確定管線的位置以及可能存在的多處泄露點成為了亟待解決的問題。

多頻管中電流法（PCM）因設(shè)備性能優(yōu)良、操作簡單，已成為地下金屬管線探測中最常用的方法之一[2-3]。目前市面上常見的PCM 檢測系統(tǒng)大多依賴進口，英國雷迪公司的RD4000 和RD8000 一直活躍在國內(nèi)各檢測現(xiàn)場，其價格昂貴且技術(shù)支持困難[4]。國內(nèi)對地下管線探測的相關(guān)研究都處于初始階段，主要有秦傲公司的GXY-2000/3000 型地下管線探測系統(tǒng)；南通萬能檢測儀有限責(zé)任公司的SL480；陳旭提出一種可伸縮的三點式“T”形檢測模式，設(shè)計出一種新型地下管線探測系統(tǒng)；李若曦對管線探測系統(tǒng)進行對比分析，得出電磁管線探測系統(tǒng)在埋深1.5 m 范圍內(nèi)埋深精度可達±0.15 m 的結(jié)論[5-7]。相對于國外，國內(nèi)檢測系統(tǒng)整體性能不高、精度低，功能實現(xiàn)效果差。

針對上述問題，該文基于多頻管中電流法（PCM），研制了一款工作頻率可選、接收線圈具有多種組合方式的新型地下金屬管線信號接收系統(tǒng)，以期解決此類系統(tǒng)的性價矛盾，緩解國外探測系統(tǒng)大量占領(lǐng)國內(nèi)市場的不良現(xiàn)狀。

1 PCM工作原理

PCM 管線檢測系統(tǒng)由超大功率發(fā)射機和信號接收機兩部分組成，如圖1 所示。發(fā)射機將多頻（4 Hz、128 Hz、512 Hz）的交流信號施加在被測管線上，接收機接收管線輻射出的信號并對接收的信號進行放大，通過信號處理算法對信號噪聲進行濾波。流經(jīng)管道的交流電根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生交變的電磁場，信號接收電路通過測得感應(yīng)電動勢來確定磁場分布，并根據(jù)磁場的分布特征，通過定位算法測得管道的走向和深度。

圖1 多頻管中電流法示意圖

1.1 無限長直導(dǎo)線在空間的磁場分布

當(dāng)在地下金屬管線上施加交變的電流信號后，理想情況下，管線可以簡化為一根施加正弦電流的無限長的直導(dǎo)線，管線的軸心會產(chǎn)生交變磁場。

管線直徑可忽略不計，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律可知：

式中：μ為土壤的磁導(dǎo)率；I為管線軸心點處的電流大??；dI為管線軸心點處的單位管線單位長度；r為管線軸心點到測試點的直線距離；dB為測試點處的磁場強度。

經(jīng)計算，測試點處的磁場強度與管線軸心點處的電流大小成正比，與兩點之間的直線距離成反比。

1.2 管線定位原理

PCM 定位管線的常用方法有兩種，即峰值法和谷值法[8-9]。峰值法和谷值法示意圖如圖2 所示。峰值法根據(jù)線圈相對管線角度和距離的不同可以感應(yīng)到不同大小的磁場強度，進而得到管線相對于接收系統(tǒng)的位置。線圈平行于地面且與管線垂直，線圈的感應(yīng)電動勢大小反映出磁場強度水平分量的大小。線圈由位置1 移動到位置2 的過程中，在位置2時線圈與管線的距離最短，穿過線圈的磁力線最多，此時磁場強度達到頂峰，谷值法則與峰值法相反，線圈垂直于地面與管線，線圈由位置1 移動到位置2 的過程中，在位置2 時線圈與管線的距離最短，穿過線圈的磁力線最少，此時磁場強度達到谷值。

圖2 峰值法和谷值法示意圖

1.3 管線測深原理

二次差分測深法示意圖如圖3 所示，線圈1 和線圈2 在水平方向上分布，二次差分測深法使用兩個水平方向的線圈進行深度的測量。

圖3 二次差分測深法示意圖

二次差分測深法計算公式如下：

式中，VH為線圈1 的感應(yīng)電動勢；VL為線圈2 的感應(yīng)電動勢；H為線圈2 與管線軸心之間的距離；Δh為線圈1 與線圈2 之間的距離。

1.4 管線探傷原理

找到管線的位置之后，向管線施加4 Hz 交流信號時，管線中電流的強度隨離發(fā)射機的距離增加而衰減，其衰減程度取決于管線及其防腐層的情況。若管線不存在破損點，則信號在往遠處傳播的過程中會呈現(xiàn)穩(wěn)定的衰減狀態(tài)；若管線存在破損點，則電流大部分從破損點流進土壤，在該點正上方所測到的管線電流信號會出現(xiàn)驟減[10-11]。

2 需求分析及總體方案設(shè)計

2.1 需求分析

地下金屬管線周圍存在電力線等其他管線，會對信號接收帶來大量噪聲。系統(tǒng)需要在強噪聲環(huán)境下采集管線輻射出的微弱的多頻信號，因此，系統(tǒng)需要設(shè)計靈敏的信號接收裝置，用于采集微弱信號，并需要對采集到的信號進行放大、調(diào)理，再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換將信號送入主控單片機。同時系統(tǒng)需要設(shè)計友好的人機交互界面，方便使用者操作。

在定位管線過程中，峰值法僅依靠一個極大值點即可定位管線走向，但定位結(jié)果不準(zhǔn)確，存在較大誤差。谷值法依靠兩個極大值點之間的極小值點來定位管線走向，定位結(jié)果準(zhǔn)確、誤差小，但尋找三個特征點操作繁瑣，依賴使用者的操作經(jīng)驗。因此，系統(tǒng)選定峰值法和谷值法聯(lián)合的定位方案，先采用峰值法確定管線大致走向，再采用谷值法精確定位管線走向。二次差分測深法作為定位深度方案，其接收傳感器如圖4 所示。

圖4 接收傳感器

2.2 PCM信號接收系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路部分主要包括信號接收模塊、預(yù)放大模塊、信號調(diào)理模塊、程控放大模塊、主控模塊（STM32 單片機）、A/D 采集模塊、人機交互模塊、電源模塊。系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)總體硬件系統(tǒng)方案

2.2.1 預(yù)放大模塊

接收到的信號一般都是微伏級別的信號[10-11]，且其中還存在大量的干擾信號，故需對信號作200 倍預(yù)放大，預(yù)放大電路如圖6 所示。

圖6 預(yù)放大電路

AD8227 儀表運算放大器，其具有5～1 000 的放大增益，通過R1可變換增益，其增益公式如下：

式中，G為放大增益；RG為控制放大增益的外接電阻。外接電阻為412 Ω，其增益為200。

2.2.2 信號調(diào)理模塊

NJM5532 是高性能、低噪聲的雙路運算放大器，具有良好的噪聲性能、較寬的功率帶寬，且價格優(yōu)惠、使用范圍廣，因此，系統(tǒng)使用NJM5532 搭建信號調(diào)理電路?？臻g中存在一定量高頻分量信號的干擾，且地下管線周圍存在高壓輸電線，接收的磁場信號會有大量的50 Hz 工頻干擾，因此，設(shè)計了1 kHz 的低通濾波器設(shè)計、陷波器電路。系統(tǒng)接收到的信號為用于探傷的4 Hz 甚低頻信號和用于定位的128 Hz、512 Hz 等信號。因此，設(shè)計低通濾波和高通濾波電路分別對兩種信號進行濾波處理。

2.2.3 程控放大模塊

線圈接收到的信號在經(jīng)過信號調(diào)理后幅值太小，若將信號直接進行A/D 采樣，會產(chǎn)生較大的誤差，因此，需要對信號進行二次放大。且由于線圈接收到信號的強度會隨著線圈與管線之間距離的增加而迅速衰減。如果設(shè)置固定的放大倍數(shù)，則容易導(dǎo)致進入A/D 采樣模塊的信號幅值太小。所以二次放大應(yīng)采用可編程放大器。

PGA281 是一款可實現(xiàn)程控增益的高精度儀表放大器，該芯片擁有較高的輸入阻抗，可以單端輸入，差分輸出。如圖7 所示，可通過控制G0-G3 對信號進行0.125～176 倍的增益調(diào)整。

圖7 程控放大電路

2.2.4 A/D采集模塊

系統(tǒng)共用三個線圈，經(jīng)過程控放大后的信號是差分信號，共6 路信號，需同步采集，單片機內(nèi)部ADC 精度低且幅值最高僅為3.3 V，不滿足該系統(tǒng)需求。因此，系統(tǒng)采用的是18 位電荷再分配逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7608，可支持8 路同步采樣差分輸入[12]。其電路如圖8 所示，將采集的數(shù)據(jù)傳入上位機，經(jīng)過分析計算得到管線的位置信息。

圖8 A/D采集模塊電路

2.2.5 主控模塊

綜合該系統(tǒng)的設(shè)計需求，采用ST 公司設(shè)計的STM32F103 系列單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，以Cortex-M3 內(nèi)核作為硬件架構(gòu)，其功耗低，并且具有性價比高、運行速度快、尋址方式靈活、執(zhí)行效率高等優(yōu)點。內(nèi)部集成64 K 字節(jié)的閃存程序存儲器，高達20 K 字節(jié)的SRAM，且其支持直接存儲器訪問，不需要依賴CPU 的大量中斷負載，且其有豐富的I/O接口，滿足該系統(tǒng)的設(shè)計需求[13]。

2.3 PCM信號接收系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)最終需實現(xiàn)在強噪聲環(huán)境下采集管線輻射出的微弱多頻信號，并對管線進行定位、測深和探傷。系統(tǒng)軟件由主程序和七大模塊化子程序構(gòu)成，其子程序包括初始化程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、程控放大程序、卡爾曼最優(yōu)估計程序、管線定位測深程序、管線探傷程序。軟件總體流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)軟件總體流程圖

先對各模塊進行初始化，再對信號進行A/D 轉(zhuǎn)換。通過卡爾曼濾波算法對采集信號進行最優(yōu)估計，得到估計后的信號求其均方根，最后得到信號的幅值。若信號幅值過小或過大，則控制PGA281 將信號調(diào)理為正常幅值，用于后續(xù)管線定位算法；檢測到管線位置后，系統(tǒng)處于管線正上方時，再進行探傷算法。

2.3.2 卡爾曼最優(yōu)估計

卡爾曼濾波是使用線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)的輸入和輸出觀察數(shù)據(jù)，以最佳地估計系統(tǒng)的狀態(tài)。因觀測的數(shù)據(jù)包括噪聲和干擾，故最佳估計也可以視為濾波過程[14]。該算法易實現(xiàn)，適用范圍廣，并且可以實時處理采集到的數(shù)據(jù)，該算法已在數(shù)字信號處理等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

卡爾曼最優(yōu)估計在計算過程中，通過建立信號量和狀態(tài)量的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，堅持實際值與估計值之間均方誤差最小的準(zhǔn)則，使得處理對象的估計值逐漸逼近實際值，進而提高預(yù)測準(zhǔn)確度?？柭鼮V波算法遞推步驟如下[15-17]：

1）狀態(tài)預(yù)測：

2）誤差矩陣預(yù)測：

3）卡爾曼增益計算：

4）狀態(tài)校正：

5）誤差矩陣更新：

式中，xk為k時刻的估計狀態(tài)；A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Pk為k時刻的誤差協(xié)方差矩陣；Q為預(yù)測噪聲協(xié)方差矩陣；Kk為k時刻卡爾曼增益；H為觀測矩陣；R為測量噪聲協(xié)方差矩陣；zk為k時刻觀測值；I為單位矩陣。

2.3.3 管線定位測深程序

將三個呈“工”字型擺放的線圈作為接收傳感器的定位方案[18]，圖4 中線圈1 和線圈2 用于測量管線深度，線圈3 用于定位管線走向。定位測深程序流程如圖10 所示，先對采集到的信號求平均，判斷線圈2 和線圈3 感應(yīng)電動勢的大小和方向，設(shè)置一個閾值，將線圈感應(yīng)電動勢與閾值進行比較，從而判斷管線相對系統(tǒng)位置。

圖10 管線定位和測深流程

通過計算圖4 中的線圈1 和線圈2 的感應(yīng)電動勢，根據(jù)式（2）可計算出管線的深度。

2.3.4 PCM信號接收系統(tǒng)人機交互界面

該系統(tǒng)人機交互主要通過組態(tài)串口屏和按鍵實現(xiàn)。系統(tǒng)開機后，進入系統(tǒng)初始化界面。通過“管線定位”按鍵進入埋地管線定位界面，界面中顯示當(dāng)前管線與該系統(tǒng)的相對位置。在確保該系統(tǒng)位于管線正上方時，可由界面上的深度顯示得知埋地管線的深度。通過“腐蝕點檢測”按鍵進入管線腐蝕檢測界面，界面中顯示接收信號的波形，信號幅值驟減，系統(tǒng)開始警告出現(xiàn)腐蝕點。在進行管線腐蝕檢測前，需要先確定管線位置，沿管線走向方向進行測試。通過“數(shù)據(jù)存儲”按鍵可查看存儲的測試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)人機交互界面如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)人機交互界面

3 系統(tǒng)測試

對搭建的模擬管線施加4 Hz 和128 Hz 的混合信號，系統(tǒng)接收模擬管線產(chǎn)生的交變磁場，利用Matlab 對接收到的數(shù)據(jù)進行分析，驗證卡爾曼濾波算法的可靠性。通過組態(tài)串口屏驗證系統(tǒng)的定位和探傷功能。

3.1 卡爾曼濾波驗證

將采集到的信號通過串口發(fā)回計算機，利用Matlab 對接收到的數(shù)據(jù)進行分析。以系統(tǒng)位于模擬管線正上方0.6 m 處為例，將采集到的128 Hz 原始信號和卡爾曼濾波優(yōu)化信號對比進行，結(jié)果如圖12所示。

圖12 卡爾曼濾波對比結(jié)果

經(jīng)過卡爾曼濾波后的信號濾除了雜波，信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都得以提高，可用于后續(xù)定位算法和探傷算法。

3.2 功能測試

上位機選用中科世為串口屏，其串口屏功能強大、運算能力強，可有效緩解單片機的運算負擔(dān)。通過Flythings 軟件進行上位機界面開發(fā)，系統(tǒng)信號接收正常，管線定位檢測和腐蝕點檢測功能正常。

系統(tǒng)的深度測試結(jié)果如表1 所示，其深度測試誤差率在5%以內(nèi)，系統(tǒng)可以有效地檢測出模擬管線的位置。

表1 測試結(jié)果

在管線腐蝕點檢測時，實驗室環(huán)境下，對模擬管線進行幅值衰減。腐蝕點檢測結(jié)果如圖13 所示，約1.7 s 時信號幅值衰減超過某一閾值，信號接收系統(tǒng)進行腐蝕點預(yù)警，可以有效地判斷出管線可能存在的腐蝕點。

圖13 腐蝕點檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

該文設(shè)計了基于PCM 地下金屬管線信號接收系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、上位機開發(fā)。經(jīng)過綜合測試，驗證了該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的合理性和功能性，且系統(tǒng)成本低、操作簡單。由于時間和實驗條件的限制，該系統(tǒng)的探測范圍較窄，當(dāng)系統(tǒng)距離管線超過一定范圍時，檢測的結(jié)果誤差率較大，系統(tǒng)還需進一步優(yōu)化和完善。