云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局 杜金鐘

在交流電的應(yīng)用設(shè)計(jì)中電磁法是最常見的一種，而電磁法一般又被分為航空電磁、地面電磁、井下電磁等，本設(shè)計(jì)采用的是比較實(shí)用的地面電磁。地面電磁法是利用地下的導(dǎo)電體來工作的，導(dǎo)電地質(zhì)會與磁場之間相互作用形成交變磁場，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流與地下地質(zhì)之間還會產(chǎn)生二次反應(yīng)形成磁場，該磁場的強(qiáng)度與時間有密切的聯(lián)系，通過對空間、時間的分布研究與計(jì)算可以分析出地下導(dǎo)電體的狀態(tài)[1]。

圖1為電磁探測的原理，這當(dāng)中存在交變電壓，在其中線圈內(nèi)出現(xiàn)交變電流，線圈內(nèi)的交變電流會在周圍形成磁場H1。如果在該磁場附近的地下當(dāng)中有導(dǎo)電體，則該磁場內(nèi)部的H1將產(chǎn)生改變磁場的感應(yīng)電流并形成電磁場H2。比對一次磁場和二次磁場的數(shù)據(jù)，然后可以獲知地下探測區(qū)的導(dǎo)電屬性，以此來判斷地下導(dǎo)體的屬性。

1 電磁感應(yīng)探測模型計(jì)算

將接收和發(fā)射線圈之間的長度設(shè)為r，將線圈和地面之間的距離設(shè)為h，當(dāng)發(fā)射線圈發(fā)射電流后接收線圈會收到兩部分電流，其中包含了一次磁場和二次磁場，將其帶入到均勻空間電磁傳播公式后可以得到如下公式[2]：

式中M所表示的是線圈的發(fā)射距離，ω代表發(fā)射率為發(fā)射線圈的發(fā)射頻率，r是接收和發(fā)射線 圈之間的長度，ht與hR分別是發(fā)射和接收線圈與地面的距離，dm代表地面與導(dǎo)電體之間的距離，σm代表地面導(dǎo)電性，HZ是一次和二次磁場的磁場強(qiáng)度，Hr僅代表二次磁場強(qiáng)度。通過公式可發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射頻率、磁矩相同的前提下，兩次磁場的大小取決于線圈與地面之間的距離與地面的導(dǎo)電性等參數(shù)，并且地面與導(dǎo)電物之間的距離對磁場反饋產(chǎn)生了很大的影響，在所有參數(shù)一樣的條件下，一般來說二次磁場的強(qiáng)度是由地下導(dǎo)電體所導(dǎo)致的，以此來獲得地下的信息。

2 接地網(wǎng)絡(luò)腐蝕探測儀整體設(shè)計(jì)

為了能夠精確的測算地下導(dǎo)體所反饋出來的二次磁場信息，本文將采用接地網(wǎng)絡(luò)探測儀來測算。該儀器主要分為發(fā)射和接收兩大模塊（圖2），本儀器所采用的是DSP平臺，主要利用脈沖調(diào)制方法，首先發(fā)射正弦電流，然后采集信息，利用的是AD芯片，將前置和濾波電路結(jié)合來接收二次磁場強(qiáng)度信號，隨后將接收到的數(shù)據(jù)儲存在設(shè)備中利用計(jì)算機(jī)處理[3]。

結(jié)合圖2可知，該儀器的發(fā)射部分為DSPTMS3 20F28335，該模塊會產(chǎn)生發(fā)射的脈沖電波，輸出的脈沖為固定頻率，是正弦電波PWM序列，隨后的隔離組建將隔離驅(qū)動信號，以免其影響DSP，當(dāng)脈沖信號被放大之后將會產(chǎn)生驅(qū)動控制反應(yīng)，導(dǎo)致MOSFET組件影響H橋電路，最終電平由單極轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極，發(fā)射線圈在接受了H橋的電流之后出現(xiàn)交變電壓，在內(nèi)部產(chǎn)生交變電路后出現(xiàn)一次磁場，再由于地下導(dǎo)體的原因使地下導(dǎo)體產(chǎn)生電流渦流，在磁場周圍生成二次磁場，儀器的接收組件將接受這一部分的信號，處理二次磁場的信號，在處理放大電路和濾波電路之后再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成信號，最終用戶將接收到數(shù)字訊號，DSP將數(shù)據(jù)利用單片機(jī)發(fā)送到計(jì)算機(jī)儲存設(shè)備中，以備后續(xù)處置[4]。

3 基于MATLAB的發(fā)射波形仿真

設(shè)計(jì)好方案之后就應(yīng)該驗(yàn)證方案是否可行。本設(shè)計(jì)將仿真發(fā)射相同波形來驗(yàn)證其可行性。本文所采用仿真模塊為Simulink，有較多實(shí)用模塊，其器件開關(guān)和發(fā)射模型均可以自由的設(shè)置，并且參數(shù)調(diào)節(jié)也比較自由，所以選用Simulink來仿真發(fā)射波形有很高的參考價(jià)值[5]。

要進(jìn)行仿真試驗(yàn)的第一步就是制作仿真的信號發(fā)射模塊，再將信號傳送到H橋的開關(guān)控制組件。將信號發(fā)射模塊的參數(shù)調(diào)好，設(shè)置與其參數(shù)相對應(yīng)的頻率參數(shù)，比較前后輸出兩種邏輯電平的高低，控制相互作用的兩路電平的后續(xù)電路，在橋路設(shè)計(jì)當(dāng)中設(shè)置頻率和載波比，當(dāng)一切調(diào)整完成之后發(fā)射脈沖。在橋路設(shè)計(jì)當(dāng)中要對多個參數(shù)進(jìn)行仿真，其中包含導(dǎo)通壓降、拖尾、下降時間等，其目的是使橋路設(shè)計(jì)盡量真實(shí)，所以開關(guān)組件的參數(shù)調(diào)整要盡量使其理想化，將下降時間、拖尾時間忽略，利用示波器來記錄和計(jì)算探測到的數(shù)據(jù)。

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終如表1。試驗(yàn)發(fā)射信號頻率是50Hz，仿真時長經(jīng)過計(jì)算是0.04s，電源電壓12V，采用RLC模塊來仿真線圈的各項(xiàng)指標(biāo)。另圖3所記錄脈沖波形，輸出電壓電流波形如圖4。

表1 發(fā)射仿真參數(shù)

對圖4進(jìn)行分析可知，本次測試的電壓信號設(shè)置和脈沖電流預(yù)設(shè)都比較適中，利用Simulink可以得到比較理想的波形狀態(tài)，本次試驗(yàn)當(dāng)中所采用的線圈電感比較低，所以得到的最終電流信號不夠穩(wěn)定，在測繪圖中有較為明顯的鋸齒。

4 結(jié)語

模擬實(shí)驗(yàn)通過數(shù)據(jù)和表格表明，本文所設(shè)計(jì)的方法真實(shí)有效。