基于北斗GNSS的交直流電位梯度測量系統(tǒng)設計

張 軍,諸海博,宋華東,蔡 軍,張文強,胡文廣

(國機傳感科技有限公司,遼寧沈陽 110043)

0 引言

國家管網(wǎng)在多條管道上開發(fā)應用了基于多源數(shù)據(jù)融合的智能一體化管理平臺,實現(xiàn)了管道完整性大數(shù)據(jù)融合、建模、決策支持,對管道數(shù)據(jù)融合提出了要求[1]。綜合利用管道內(nèi)、外腐蝕直接評估技術(shù),通過數(shù)據(jù)挖掘和評估,能夠有效預判并發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)、外壁因腐蝕誘發(fā)的體積型缺陷,對保證長輸油氣管道的安全穩(wěn)定運營具有重要的意義[2]。文獻[2-4]將管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與外檢測數(shù)據(jù)對齊,形成以位置信息為基準的管道信息數(shù)據(jù)庫,并結(jié)合實踐對管道腐蝕趨勢進行綜合分析與開挖驗證,完善了管道完整性評價體系。文獻[5]使用機器學習算法構(gòu)建了里程預測模型,平均絕對百分誤差小于0.10%,決定系數(shù)為99.99%,滿足了數(shù)據(jù)對齊的要求。文獻[5-7]提出管道數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵在于管道數(shù)據(jù)記錄的時間、空間一致性。

外檢測數(shù)據(jù)獲取的主要方法是外腐蝕直接評價(external corrosion defect assessment,ECDA)技術(shù),主要應用交流電壓梯度法(alternative current voltage gradient,ACVG)和直流電壓梯度法(direct current voltage gradient,DCVG)[8]。文獻[9]使用A字架進行管道ACVG測量,測量數(shù)據(jù)缺少精確定位信息,導致數(shù)據(jù)有效性降低。文獻[10]介紹了Spectrum XLI管道綜合外檢測設備的應用情況,通過GPS和慣性繪圖裝置記錄管道檢測數(shù)據(jù)和測量點地理信息,但是在國內(nèi)應用定位精度僅能達到亞米級別。文獻[11]研制的綜合外檢測設備,通過一體式探杖同時測量DCVG和ACVG,實現(xiàn)了多項測試功能的集成,但是數(shù)據(jù)記錄的定位信息與探杖測量點之間存在較大的偏差,在大間距測量中更嚴重,影響了缺陷的準確定位。

本文針對管道外檢測需求,設計了一種基于北斗GNSS的交直流電位梯度測量系統(tǒng)。采用微型化定位終端硬件,實現(xiàn)了測量點的cm級別定位;采用包含參比電極和鋼釬電極的復合測量探杖結(jié)合精密測量單元,實現(xiàn)DCVG和ACVG的同步同點精密測量;將電位梯度數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)融合,形成精確、完整、準確的交直流電位梯度數(shù)據(jù)記錄;融合地理坐標信息與測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄具有良好的關(guān)聯(lián)性和可追溯性,滿足了智慧管網(wǎng)數(shù)據(jù)融合的要求,提高了數(shù)據(jù)的利用率和管道的健康評價水平。

測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1 電子測量單元設計

1.1 電子測量單元構(gòu)成

為了提高電子測量單元的集成度,減小整個測量系統(tǒng)的體積和重量,將電子測量單元安裝于探杖內(nèi)部。電子測量單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電子測量單元硬件結(jié)構(gòu)圖

電子測量單元中,飽和硫酸銅(Cu/CuSO4)參比電極(以下簡稱參比電極)和鋼釬電極分別安裝于探杖的下端,接觸土壤獲得大地電位信號。其中參比電極用作DCVG信號輸入,鋼釬電極用作ACVG信號輸入。通過主副探杖之間的信號傳輸電纜,副探杖上電極的電位信號進入主探杖的測量控制模塊進行信號調(diào)理和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換,再由單片機進行數(shù)據(jù)采集和運算處理,獲得DCVG和ACVG測量數(shù)據(jù)。

差分定位模塊安裝于探杖頂端,距離參比電極和鋼釬電極測量點約1.5 m。探杖內(nèi)有傾斜傳感模塊,能夠測量探杖的姿態(tài)并提示用戶將探杖保持垂直,此時差分定位模塊的天線位置與電極測量點位置在垂直方向上的投影近乎重合,就能夠以差分定位模塊位置代替電位測量點位置,而不會產(chǎn)生明顯的水平定位誤差。

通訊模塊用于實現(xiàn)電子測量單元與數(shù)據(jù)終端之間的數(shù)據(jù)交換,采用低功耗藍牙串口通訊模塊,一段與測量系統(tǒng)中的單片機串口相連。

探杖上安裝的按鈕開關(guān)是數(shù)據(jù)保存的觸發(fā)開關(guān),電子測量單元檢測到按鍵動作以后,數(shù)據(jù)終端保存數(shù)據(jù)到磁盤文件中。

1.2 電子測量單元硬件電路設計

電子測量單元關(guān)鍵電路原理圖見圖3。

圖3 電子測量單元關(guān)鍵電路原理圖

圖3中的VGIN_M和VGIN_S信號為被測電壓信號,來自于主探杖和副探杖的參比電極或者鋼釬電極,經(jīng)過分壓電阻網(wǎng)絡R1～R4得到分壓后的差分電壓信號,R2和R3的中點參考電位接在偏置電壓VBIAS上。R1～R4采用精密低溫漂電阻,精度為0.1%以上,溫度系數(shù)不大于25 ppm(1 ppm=10-6)。

偏置電壓發(fā)生器電路用于產(chǎn)生電路必須的工作電壓參考點VBIAS,包括電阻R5、R6、電容C1和運算放大器U3。等值的電阻R5和R6對3.3 V電源信號進行串聯(lián)分壓,分壓后的信號接到U3的同相輸入引腳3,電壓約為1.65 V,R6兩端并聯(lián)濾波電容C1可降低噪聲。U3的反相輸入引腳4與輸出引腳1短接,構(gòu)成同相跟隨器電路,在引腳1獲得低阻抗的偏置電壓信號VBIAS。該信號分別連接到電阻分壓網(wǎng)絡、儀表放大器U1參考電壓引腳5和U2的輸入引腳4,為其提供合適的工作點。

由儀表放大器芯片U1(型號為INA333),將衰減后的高阻抗差動電壓信號轉(zhuǎn)換為低阻抗信號作為ADC芯片U2的測量輸入。

ADC芯片U2(型號為ADS131M04)將來自差動儀表放大器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為24位分辨率的數(shù)字信號,并通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳送到單片機。

單片機采用HC32F460KETA,利用SPI接口實現(xiàn)對ADC芯片的運行控制,并通過DMA方式讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),最高數(shù)據(jù)采樣率可達到32 kSPS。

對采樣數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換,可取得信號中的直流分量和交流分量數(shù)值,在通過雷電和滿度修正,即可取得交直流電位梯度的最終測量結(jié)果。

1.3 北斗GNSS定位終端

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(beidou navigation satellite system,BDS)是繼GPS、GLONASS之后的第3個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[12]?；诒倍稧NSS(global navigation satellite system)建立的多系統(tǒng)、多層面、多模式的增強型定位系統(tǒng),可顯著提高系統(tǒng)的可用性水平[12]。文獻[13]對北斗三號新信號數(shù)據(jù)質(zhì)量和中長基線雙頻實時動態(tài)(real-time kinematic,RTK)載波相位差分技術(shù)的定位精度進行了研究與驗證,證明可為用戶提供cm級定位精度。文獻[14]表明:基于千尋北斗地基增強系統(tǒng)的觀測方式可以得到優(yōu)于1 cm的平面定位結(jié)果,與傳統(tǒng)GNSS單基站RTK定位精度相當。以上基于RTK的北斗GNSS設備其體積、重量、功耗均較大,不適合與本測量系統(tǒng)集成。

在保證定位性能的前提下,為了實現(xiàn)小型化、輕量化、低功耗的目標,設計了微型定位終端,稱為TinyRTK。TinyRTK主要部件為圓柱天線和定位板卡,分別安裝于探杖頂端和探杖內(nèi)部電路基板上。

圓柱天線采用了BT560A四星九頻螺旋天線,其具有體積小、定位精度高、質(zhì)量輕等特點,外徑為Φ27.3 mm,與探杖外徑Φ30 mm接近,便于安裝。

定位板卡采用UM982多模多頻高精度定位定向RTK板卡,支持全系統(tǒng)全頻點片上RTK定位及雙天線定向解算,采用了雙RTK引擎技術(shù),能夠自適應識別差分輸入RTCM格式,尺寸為16 mm×21 mm×2.7 mm。

圓柱天線和定位板卡基板之間連接同軸電纜線,傳輸信號的同時為天線內(nèi)的LNA(低噪聲放大器)提供電源。定位板卡的SPI通訊接口與電子測量單元中的單片機相連。天線和定位板卡取得粗略定位數(shù)據(jù),借助藍牙端口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端,并通過移動網(wǎng)絡上傳到千尋服務器,千尋服務器對數(shù)據(jù)進行解析,解算得到當前的差分修正數(shù)據(jù),改數(shù)據(jù)沿原路返回到定位板卡,由板卡中的RTK引擎解算出最終的高精度定位數(shù)據(jù),并通過定位板卡的其他端口發(fā)送給單片機,至此電子測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)終端均取得了測量點的精確定位信息。

TinyRTK定位終端能夠以3 Hz以上的速率輸出實時定位數(shù)據(jù),滿足電位測量的實時定位需求。當探杖符合垂直度要求時,將定位數(shù)據(jù)作為測量點的定位數(shù)據(jù),并將其與電位測量數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)相結(jié)合,形成一條完整的數(shù)據(jù)記錄,自動或者手動保存到電子測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)終端的存儲器中。

1.4 單片機軟件設計

電子測量單元中單片機軟件流程見圖4,任務處理流程如下:

圖4 電子測量單元中單片機軟件流程圖

(1)上電初始化階段完成單片機和外圍芯片的初始化設定。

(2)定時讀取ADC的測量數(shù)據(jù)。

(3)讀取傾斜傳感器模塊的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

(4)以藍牙通訊模塊為中介,與數(shù)據(jù)終端進行數(shù)據(jù)交換。

(5)讀取TinyRTK定位終端的數(shù)據(jù),取得探杖測量點的精確定位數(shù)據(jù)。

(6)計算交直流電位梯度數(shù)據(jù)。

(7)將測量數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)結(jié)合形成完整的測量數(shù)據(jù)記錄,通過數(shù)據(jù)終端顯示,檢測到用戶按鍵后保存數(shù)據(jù)。

2 樣機與現(xiàn)場應用

2.1 樣機設計

基于北斗GNSS的交直流電位梯度測量系統(tǒng)由主副探杖、安卓終端、交流發(fā)射機、管道定位探測儀、移動電源、連接電纜等組成。主副探杖均安裝參比電極、鋼釬電極和觸發(fā)按鍵,在主探杖內(nèi)安裝電子測量單元和TinyRTK定位終端,完成高精度定位和數(shù)據(jù)采集、運算任務,是整個測量系統(tǒng)的核心。

安卓終端采用工業(yè)級三防平板或者三防手機,運行數(shù)據(jù)采集軟件,通過藍牙接口與主探杖內(nèi)的電子測量單元和TinyRTK定位終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。安卓終端采用4G+5G全網(wǎng)通制式,保證網(wǎng)絡可用性良好。

交流發(fā)射機、管道定位探測儀、繞線器、移動電源均為標準設備,根據(jù)實際需要選用。

2.2 現(xiàn)場應用

本測量系統(tǒng)工程樣機在魯寧線曲阜輸油站附近進行了現(xiàn)場測試應用,并與英國雷迪公司的PCM設備和加拿大陰極技術(shù)公司的DCVG設備進行了測量比對,表明本樣機在測量精度方面與進口設備持平,在數(shù)據(jù)歸一化和完整性方面具有優(yōu)勢。現(xiàn)場部分測量數(shù)據(jù)對比見表1和表2,表中測量項目DCVG和ACVG的標準值通過Fluke公司F289萬用表測得,位置定位以華測中繪i50小型化智能RTK測量儀+千尋見微(FindMM)服務的測量結(jié)果作為定位參考,本設計樣機的定位精度≤0.05 m,作為對比的進口設備的定位精度為2～10 m。

表1 DCVG測量數(shù)據(jù)對比 mV

表2 ACVG測量數(shù)據(jù)對比 dB

3 結(jié)束語

本文利用北斗GNSS系統(tǒng)的精密導航定位優(yōu)勢,結(jié)合RTK技術(shù)、姿態(tài)傳感技術(shù)、藍牙技術(shù)設計了微型化RTK定位終端;以精密采樣技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù),實現(xiàn)了交直流電位梯度的高精度測量;二者結(jié)合以后形成了包含精密位置信息的電位梯度數(shù)據(jù)記錄,有效提高了數(shù)據(jù)的可信度水平,為管道的外腐蝕直接評價和管道內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)對齊提供了有力保證。在現(xiàn)場驗證測試中發(fā)現(xiàn),姿態(tài)調(diào)整功能需要耗費一定的時間,在一定程度上降低了作業(yè)效率,未來考慮在探杖內(nèi)安裝微型IMU單元,通過軟件自動修正探杖姿態(tài)的變化;另外,根據(jù)用戶需求,計劃增加密間隔電位測量(CIPS)功能,進一步提高設備的現(xiàn)場適用性和功能性。