楊理踐，申 晗，高松巍，劉 斌

(沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

信息科學(xué)與工程

低頻電磁的管道內(nèi)檢測器跟蹤定位技術(shù)*

楊理踐，申 晗，高松巍，劉 斌

(沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

針對管道內(nèi)檢測器在運(yùn)行過程中的跟蹤定位問題，提出了基于低頻電磁的管道內(nèi)檢測器跟蹤定位方法，分析了低頻磁信號傳播特性和發(fā)射線圈磁場分布特點(diǎn)，設(shè)計了搭載在管道內(nèi)檢測器上的低頻磁信號發(fā)射機(jī)和手持式低頻磁信號接收機(jī).采用高磁導(dǎo)率坡莫合金管作為發(fā)射線圈磁芯，減少了渦流損耗，采用串聯(lián)諧振提高了發(fā)射效率；設(shè)計感應(yīng)式接收線圈，通過并聯(lián)諧振提高了信號接收范圍和信噪比.結(jié)果表明，該跟蹤定位系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，接收信號具有對稱特性.在實際工程應(yīng)用中，該系統(tǒng)有效定位距離可達(dá)8 m，提高了管道內(nèi)檢測器跟蹤定位范圍.

低頻；發(fā)射線圈；接收線圈；管道內(nèi)檢測；跟蹤定位；串聯(lián)諧振；并聯(lián)諧振；渦流損耗

油氣管道是國家的能源命脈，為保障管道長期安全、正常運(yùn)行，必須對管道進(jìn)行定期檢測與維護(hù).目前，主要的檢測方式是采用管道內(nèi)檢測器進(jìn)入管道內(nèi)部沿管線運(yùn)行而實現(xiàn)對管道的在線無損檢測.在檢測過程中，為監(jiān)測管道內(nèi)檢測器實時位置，確保管道內(nèi)檢測器安全有效運(yùn)行，必須實時跟蹤定位檢測器的位置和運(yùn)行狀態(tài).

本文分析了低頻信號的傳播特性和發(fā)射線圈磁場分布特點(diǎn)，設(shè)計了管道內(nèi)檢測器跟蹤定位系統(tǒng).該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，在實際工程中應(yīng)用中，有效定位距離可達(dá)8 m，接收信號具有對稱特性，提高了管道內(nèi)檢測器跟蹤定位范圍.

1 內(nèi)檢測器低頻跟蹤定位原理

管道內(nèi)檢測器跟蹤定位主要根據(jù)發(fā)射機(jī)經(jīng)過接收機(jī)下方時，接收機(jī)接收到的信號變化判斷發(fā)射機(jī)位置，從而實現(xiàn)對管道內(nèi)檢測器的跟蹤定位，圖1所示為管道內(nèi)檢測器跟蹤定位示意圖.

圖1 管道內(nèi)檢測器跟蹤定位示意圖Fig.1 Schematic tracking and positioning diagram for pipeline internal detector

在管道內(nèi)檢測器電池節(jié)上安裝1個低頻磁發(fā)射機(jī)，并沿著管線在地面上每隔一定距離放置一個低頻磁接收機(jī).當(dāng)進(jìn)行管道內(nèi)檢測時，裝載有低頻磁發(fā)射機(jī)的管道內(nèi)檢測器經(jīng)過低頻磁接收機(jī)下方，低頻磁接收機(jī)通過接收判斷低頻磁發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的低頻磁信號，實現(xiàn)對管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤定位.

1.1 低頻信號傳播特性

在實際工作中，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁信號受到管壁、土壤及海水等介質(zhì)屏蔽和阻礙，磁場強(qiáng)度以指數(shù)形式衰減.衰減率α與頻率f和介質(zhì)電導(dǎo)率σ乘積的平方根成正比，趨膚深度δ和衰減率α與頻率f的關(guān)系式[8]分別為

(1)

(2)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率.

由式(1)、(2)可知，信號的衰減率α與信號頻率f和介質(zhì)的電導(dǎo)率σ有關(guān).當(dāng)介質(zhì)電導(dǎo)率σ一定時，信號頻率f越低，衰減率α越低，趨膚深度δ越大.

在實際工程中，管道內(nèi)檢測器通常工作在地下管道或海底管道中，具有高電導(dǎo)率的金屬管壁是導(dǎo)致信號衰減的主要因素，因此欲提高傳輸距離，必須采用低頻信號.

1.2 發(fā)射線圈磁場分布

圖2所示為發(fā)射線圈磁場分布示意圖，由于發(fā)射線圈具有對稱性，只需計算yoz平面內(nèi)磁場的分布即可描述整個發(fā)射線圈磁場分布特點(diǎn)，y、z方向分別表示徑向和軸向.

圖2 發(fā)射線圈磁場分布示意圖Fig.2 Schematic magnetic field distribution diagram for launch coil

在yoz平面內(nèi)取點(diǎn)P(0，y0，z0)，在軸向方向上z處取厚度為dz的環(huán)，該環(huán)電流為I′=nldz.在A點(diǎn)處取電流元I′dl，根據(jù)畢奧薩伐爾定律，電流元I′dl在點(diǎn)P產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(3)

式中：r為電流環(huán)到P的距離；I為發(fā)射線圈上電流；n為發(fā)射線圈單位長度匝數(shù)；dl為電流的微小線元素.

利用矢量乘法可計算得磁感應(yīng)強(qiáng)度dB在yoz平面上的軸向分量，即

(4)

式中：y0為P點(diǎn)距發(fā)射線圈徑向距離；θ為A點(diǎn)與x軸方向夾角.

對式(4)進(jìn)行積分運(yùn)算，發(fā)射線圈在P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向分量為

(5)

若令發(fā)射線圈半徑R=10 mm，長度L=20 mm，則當(dāng)距發(fā)射線圈徑向距離y0不變時，軸向分量磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz隨軸向距離z變化的曲線如圖3所示.

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨軸向距離變化的曲線Fig.3 Varying curve of magnetic induction intensity with axial distance

發(fā)射線圈軸向方向磁感應(yīng)強(qiáng)度隨軸向距離的增加，先增加后減小，位于發(fā)射線圈中心位置時磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，發(fā)射線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線呈對稱分布特性.

由發(fā)射線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線呈對稱分布特性可知，當(dāng)?shù)皖l磁接收機(jī)放置在與管道軸向方向平行的地面上，管道內(nèi)檢測器由遠(yuǎn)及近逐漸通過低頻磁接收機(jī)正下方時，接收機(jī)接收信號幅值亦呈對稱分布，接收機(jī)信號幅值逐漸變大再變小，實現(xiàn)對管道內(nèi)檢測器的跟蹤定位.

2 跟蹤定位系統(tǒng)

管道內(nèi)檢測器跟蹤定位系統(tǒng)主要由低頻磁發(fā)射機(jī)和低頻磁接收機(jī)兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.

信號單元產(chǎn)生方波電壓信號，通過驅(qū)動電路加載到發(fā)射線圈，激勵出一定頻率的電流信號，在空間建立磁場.變化的磁場信號透過管道及其所處環(huán)境的介質(zhì)，被位于表面的接收線圈接收，發(fā)射機(jī)移動時，接收線圈接收的磁場信號也隨之變化，對接收到的信號進(jìn)行處理，提取所需信號信息進(jìn)行顯示，實現(xiàn)跟蹤定位.

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of system

2.1 低頻磁信號發(fā)射

低頻磁發(fā)射機(jī)采用STM32系列單片機(jī)作為信號產(chǎn)生單元，產(chǎn)生23 Hz方波信號，經(jīng)過MAX9768BE功放模塊驅(qū)動后，加載到發(fā)射線圈兩端，在空間建立低頻磁場，將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)“聯(lián)系”起來.低頻磁發(fā)射機(jī)體積小，便于攜帶，采用12 V電源供電，功耗低，電流幅值僅為78 mA.

為提高發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，采用漆包線纏繞磁芯形式構(gòu)成發(fā)射線圈，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，聚酯亞胺薄膜用于絕緣和保護(hù)線圈.

磁芯材料選用坡莫合金，坡莫合金具有很高的弱磁場磁導(dǎo)率，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)0.6～1 T，電阻率為60～85 μΩcm，適合在低頻條件下使用.

磁芯渦流損耗為發(fā)射線圈主要損耗[9]，設(shè)單位體積磁性材料的渦流損耗為p，渦流損耗p與磁芯材料參數(shù)及尺寸關(guān)系[10]為

(6)

式中：Ce為磁芯渦流損耗系數(shù)，取決于磁芯材料電阻率；a為磁芯材料厚度；f為發(fā)射線圈中通入電流頻率；Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值；V為磁芯體積.

由式(6)可知，磁芯的渦流損耗與材料的厚度平方成正比，為減小渦流損耗，傳感器磁芯采用管狀形式，利用漆包線繞制在坡莫合金管磁芯外部，構(gòu)成發(fā)射線圈.

為提高發(fā)射線圈發(fā)射信號磁場強(qiáng)度，選擇合適匹配電容與發(fā)射線圈構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，發(fā)射線圈及其等效電路如圖6所示.

圖6 發(fā)射線圈及等效電路Fig.6 Launch coil and equivalent circuit

圖6中，w為信號單元產(chǎn)生的23 Hz低頻方波信號，L為線圈電感值，C為線圈分布電容和傳感器匹配電容，r0為線圈內(nèi)阻.

發(fā)射線圈相當(dāng)于電感，根據(jù)式(7)選取合適參數(shù)的匹配電容，構(gòu)成串聯(lián)回路，即

(7)

串聯(lián)回路的輸入阻抗為

(8)

當(dāng)電路諧振頻率與信號頻率相同，則電路發(fā)生諧振時，容抗和感抗相等，電路中阻抗最小，呈現(xiàn)純阻特性，電流最大.此時發(fā)射線圈電感和電容兩端電壓升高，有利于提高低頻磁發(fā)射機(jī)發(fā)射效率.

2.2 低頻磁信號接收與處理

低頻信號經(jīng)管道和土壤等介質(zhì)屏蔽，分布在空間中的磁場信號極其微弱，易被背景噪聲所掩蓋，因此低頻磁接收機(jī)設(shè)計中采用高分辨率接收線圈接收低頻磁信號，同時對信號進(jìn)行放大、濾波調(diào)理，提高信號信噪比，低頻磁信號接收與處理框圖如圖7所示.

接收線圈主要用于接收低頻磁發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的低頻磁信號，采用感應(yīng)式磁傳感器形式，外部包裹鋁箔屏蔽層用于屏蔽高頻信號干擾.

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，匝數(shù)為N，截面積為As的線圈放在隨時間變化的磁場B(t)中時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

(9)

圖7 低頻磁信號接收與處理框圖Fig.7 Block diagram for receiving and processing of low frequency magnetic signal

式中：As為接收線圈的等效橫截面積；μr為磁芯相對磁導(dǎo)率；i(t)為激勵電流.

實際上，接收線圈輸出的電壓信號并不是接收線圈上的感應(yīng)電動勢ε，而是電容兩端的電壓輸出U，接收線圈及其等效電路如圖8所示.

圖8 接收線圈及等效電路Fig.8 Receiving coil and equivalent circuit

由圖8分析可知，接收線圈輸出的電壓為

(10)

接收線圈輸出的電壓信號不僅與發(fā)射線圈產(chǎn)生的空間磁場強(qiáng)度有關(guān)，還與接收線圈本身的材料屬性和尺寸參數(shù)有關(guān).接收線圈采用具有高磁導(dǎo)率的1J85坡莫合金作為磁芯，采用多匝線圈密繞形式制成，接收效果良好.

信號調(diào)理電路主要用于對接收線圈產(chǎn)生的低頻電壓信號進(jìn)行放大、濾波處理，提供給MCU電路進(jìn)行判決處理.

前置放大器是降低噪聲電壓的關(guān)鍵，選用TLC2652芯片，其具有優(yōu)異的直流特性，共模抑制比高，適合于微弱信號的放大.為滿足系統(tǒng)需求，采用兩級放大電路，反饋電路中通過調(diào)節(jié)電阻R13和電阻R17阻值實現(xiàn)不同放大倍數(shù)，前置放大電路如圖9所示.

圖9 前置放大電路Fig.9 Preamplifier circuit

低通濾波電路主要采用LTC10691八階低通橢圓濾波芯片，其具有陡峭的衰減特性，利用MCU中定時器提供所需的時鐘脈沖信號，用于濾除前置放大器輸出信號中的高頻噪聲信號和工頻干擾信號，提高信噪比.

信號經(jīng)前置放大和低通濾波處理后，再通過LTC1068-200芯片組成的多級帶通濾波電路，以實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)、高增益的窄帶濾波處理，最終實現(xiàn)信號調(diào)理.

微控制器處理單元采用STM32F103RBT6單片機(jī)，其帶有12位的具有直接存儲器存取的ADC，滿足低頻信號的采樣需求.接收到的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，滿足單片機(jī)AD采樣的電壓輸入范圍.將調(diào)理后的信號利用MCU內(nèi)部的ADC進(jìn)行采樣，通過DMA通道對信號進(jìn)行峰值檢測和頻率檢測.將采集后的數(shù)據(jù)存儲到片內(nèi)存儲中，設(shè)置閾值，對信號進(jìn)行判別，利用蜂鳴器和LED指示燈陣列變化情況，判定接收機(jī)與發(fā)射機(jī)相對位置的變化.

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗方法

將低頻磁發(fā)射機(jī)搭載在管道內(nèi)檢測器上，放置在與管道軸向方向平行的管道內(nèi)部，將低頻磁接收機(jī)平行放置在管道上方的地面上，低頻磁發(fā)射機(jī)持續(xù)向外發(fā)射低頻磁信號，實驗示意圖如圖10所示.

3.2 結(jié)果分析

當(dāng)管道內(nèi)檢測器在管道中由遠(yuǎn)及近逐漸通過低頻磁接收機(jī)正下方時，接收線圈上輸出電壓具有對稱分布特性；當(dāng)管道內(nèi)檢測器上的發(fā)射機(jī)位于低頻磁接收機(jī)正下方時，接收線圈輸出電壓最大；當(dāng)發(fā)射機(jī)逐漸遠(yuǎn)離低頻磁接收機(jī)時，接收線圈輸出電壓逐漸變小.當(dāng)二者距離約為8 m時，調(diào)理輸出信號電壓幅值趨近于零，說明在實際工程應(yīng)用中，該低頻定位系統(tǒng)有效跟蹤定位距離可達(dá)8 m.

圖10 實驗示意圖Fig.10 Schematic diagram for experiment

當(dāng)管道內(nèi)檢測器行進(jìn)速度分別為1、2、3和4 m/s時，接收機(jī)接收信號判別情況如表1所示.

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

由表1可知，管道內(nèi)檢測器運(yùn)行速度越快，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場通過接收機(jī)的時間越短，檢測信號越難判別，系統(tǒng)的準(zhǔn)確率越低.當(dāng)管道內(nèi)檢測器在管道中以4 m/s的速度運(yùn)行時，跟蹤定位系統(tǒng)仍能可靠工作，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，滿足實際工程中管道內(nèi)檢測器實時跟蹤定位需求.

4 結(jié) 論

通過以上分析，可以得到結(jié)論如下：

1) 信號頻率越低，衰減率越小，低頻信號可透過土壤和管壁傳播，適合在管道內(nèi)檢測定位應(yīng)用；

2) 發(fā)射線圈軸向方向磁感應(yīng)強(qiáng)度隨軸向距離的增加，先增加后減小，位于發(fā)射線圈中心位置時磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，發(fā)射線圈軸向方向磁感應(yīng)強(qiáng)度具有對稱分布特性；

3) 采用高磁導(dǎo)率坡莫合金管結(jié)構(gòu)作為發(fā)射線圈磁芯，可有效減少渦流損耗，提高信號發(fā)射效率；

4) 基于低頻電磁技術(shù)的管道內(nèi)檢測器跟蹤定位系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，在實際工程中應(yīng)用時，有效定位距離可達(dá)8 m，滿足長輸油氣管道工程中對管道內(nèi)檢測器的實時跟蹤定位需求.

[1] 楊理踐，李暉，靳鵬，等.管道地理位置測量系統(tǒng)的動態(tài)初始對準(zhǔn)方法 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，37(6)：656-661.

(YANG Li-jian，LI Hui，JIN Peng，et al.Dynamic initial alignment method for geographic position measurement system of pipeline [J].Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(6)：656-661.)

[2] 蔡雄，陳水平，張志文，等.油氣管道檢測用極低頻磁信號收發(fā)系統(tǒng)的實驗研究 [J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，54(12)：1615-1620.

(CAI Xiong，CHEN Shui-ping，ZHANG Zhi-wen，et al.Experimental research on the transmitting and receiving system for ELF magnetic signals for oil and gas pipeline inspections [J].Journal of Tsinghua University (Science and Technology)，2014，54(12)：1615-1620.)

[3] 陳水平，郭靜波，胡鐵華.鐵磁管道環(huán)境下極低頻微弱磁場的分布及檢測 [J].儀器儀表學(xué)報，2011，32(10)：2348-2356.

(CHEN Shui-ping，GUO Jing-bo，HU Tie-hua.Distribution and detection of ELF weak magnetic field in ferromagnetic pipeline environment [J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，32(10)：2348-2356.)

[4] 郭靜波，譚博，蔡雄.基于反相雙峰指數(shù)模型的微弱瞬態(tài)極低頻信號的估計與檢測 [J].儀器儀表學(xué)報，2015，36(8)：1682-1691.

(GUO Jing-bo，TAN Bo，CAI Xiong.Estimation and detection of the weak transient ELF signal based on the phase inverting double-peak exponential model [J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2015，36(8)：1682-1691.)

[5] Qi H，Ye J，Zhang X，et al.Wireless tracking and locating system for in-pipe robot [J].Sensors & Actuators A Physical，2010，159(1)：117-125.

[6] Qi H，Zhang X，Chen H，et al.Global localization of in-pipe robot based on ultra-long wave antenna array and global position system [J].High Tech Communication，2009，15(2)：120-125.

(WEI Ming-sheng，TONG Min-ming，ZI Bin.Pipeline robot localization system based on PSO-BFGS hybrid algorithm [J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2012，33(11)：2594-2600.)

[8] 王少平，劉金海，高丁，等.海底管道內(nèi)檢測器實時跟蹤與精確定位 [J].無損檢測，2013，35(9)：26-30.

(WANG Shao-ping，LIU Jin-hai，GAO Ding，et al.A method of tracking and precisely pocating submarine in-line inspection Tool [J].Nondestructive Testing，2013，35(9)：26-30.)

[9] 邵英秋，程德福，王言章，等.高靈敏度感應(yīng)式磁傳感器的研究 [J].儀器儀表學(xué)報，2012，33(2)：349-355.

(SHAO Ying-qiu，CHENG De-fu，WANG Yan-zhang，et al.Research of high sensitivity inductive magnetic sensor [J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2012，33(2)：349-355.)

[10]陶偉，張世田，劉新安，等.極低頻/超低頻/甚低頻寬帶磁傳感器技術(shù)研究 [J].電波科學(xué)學(xué)報，2012，27(3)：182-186.

(TAO Wei，ZHANG Shi-tian，LIU Xin-an，et al.ELF/SLF/VLF broadband H-filed sensor [J].Journal of Radio Science，2012，27(3)：182-186.)

Lowfrequencyelectromagnetictrackingandpositioningtechnologyforpipelineinternaldetector

YANG Li-jian, SHEN Han, GAO Song-wei, LIU Bin

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the tracking and positioning problem of pipeline internal detector in its operating process, a low frequence electromagnetic tracking and positioning method for the pipeline internal detector was proposed, and the propagation characteristics of low frequency magnetic signal and the distribution characteristics of magnetic field generated by the launch coil were analyzed.In addition, a low frequency magnetic signal transmitter mounted on the pipeline internal detector and a portable low frequency magnetic signal receiver were designed.The permalloy with high magnetic permeability was taken as the magnetic core of launch coil to reduce the eddy current loss, and the series resonance was used to improve the emission efficiency.The induction type receiving coil was designed, and the signal receiving range and signal noise ratio were improved through adopting the parallel resonance.The results show that the proposed tracking and positioning system has good stability and reliability, and the

signal has the symmetrical characteristics.In the practical engineering application, the effective positioning distance of the system is 8 m, and the tracking and positioning range of pipeline internal detector gets improved.

low frequency; launch coil; receiving coil; pipeline internal detection; tracking and positioning; series resonance; parallel resonance; eddy current loss

2016-12-22.

國家自然科學(xué)基金資助項目(61571308)；科技部國家重大儀表專項基金資助項目(2012YQ090175)；遼寧省教育廳資助項目(L2015388).

楊理踐(1957-)，男，湖南長沙人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事管道檢測及無損檢測技術(shù)等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶12在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2112.030.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2018.01.09

TM 937

A

1000-1646(2018)01-0048-06

景 勇 英文審校：尹淑英)