一種基于感應原理的城市地下管道檢查孔定位系統

摘要：介紹一種用于城市各種地下管道中被覆蓋的檢查孔定位的檢測系統。系統的傳感器由探頭及發(fā)射和接收電路組成。根據電磁感應原理設計了實(shí)用的探頭線(xiàn)圈。發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射線(xiàn)圈所需的激勵，接收電路處理來(lái)自接收線(xiàn)圈的檢測信號。由地面上的數據采集系統根據檢測信號以及距離檢測結果得到被覆蓋檢查孔的準確定位信息。經(jīng)過(guò)實(shí)際管道中的現場(chǎng)實(shí)驗，得到了令人滿(mǎn)意的測試結果。

所謂檢查孔是指城市中被公路或人行道路面所覆蓋的各種地下管道中為方便管道維護所預留的出入口。由于年代久遠等原因，有關(guān)這些檢查孔位置的資料往往不是很全，而檢查孔本身又會(huì )被路面瀝青或其它物體所覆蓋，這就給城市管道的維護檢修帶來(lái)了極大的困難。為了在不需要大規模開(kāi)挖的情況下在幾千米的管道范圍內準確地找到所需要的檢查孔位置，一種以閉路電視設備為核心的檢查孔定位系統曾經(jīng)在一些國家得到了應用。但是這種系統不僅價(jià)格昂貴，而且操作復雜，工作時(shí)需要由人工在顯示器上根據圖像進(jìn)行實(shí)際的判斷。所以對于負責地下管道維護的市政單位來(lái)說(shuō)，急需一種既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟實(shí)用的檢查孔定位檢測系統。

利用電磁感應原理的測量技術(shù)在工業(yè)中的應用由來(lái)已久。渦流無(wú)損檢測技術(shù)可以用來(lái)對導電材料的材質(zhì)、厚度、位移等進(jìn)行在線(xiàn)檢測。石油工業(yè)中廣泛應用的感應測井技術(shù)可以對井下地層的物理性質(zhì)進(jìn)行分析，從而獲得地下的含油氣參數[1～2]。根據同樣原理設計的檢查孔定位系統由地下和地面兩部分組成。地下部分由感應探頭及其相應的電路組成；地面部分由以霍爾傳感器為主的距離測量裝置及以便攜式計算機為主的數據采集處理裝置組成。地面部分和地下部分通過(guò)電纜聯(lián)接。工作時(shí)，探頭由掛在它前端的鋼纜拖拉以提供在地下管道中前進(jìn)的動(dòng)力。根據探頭位置所在的環(huán)境介質(zhì)的電導率及當時(shí)的距離信號，就可以得到相應的數據處理結果。由于在大多數情況下，地下管道周?chē)寥赖碾妼室话阍?.01s/m～0.1s/m之間[3]，而在充滿(mǎn)空氣的檢查孔中，探頭周?chē)橘|(zhì)的電導率會(huì )下降到0.005s/m以下，所以這種方法可以很準確地為被覆蓋的檢查孔定位。

1 檢測原理及探頭的設計

感應探頭中設計有發(fā)射和接收線(xiàn)圈，如圖1所示。當發(fā)射線(xiàn)圈T通有恒定的交流電流時(shí)，由于電磁感應的作用，在接收線(xiàn)圈R中將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射電流頻率相同、相位滯后π/2的感應電動(dòng)勢ex。同時(shí)發(fā)射線(xiàn)圈T上的交變電流周?chē)纬傻慕蛔冸姶艌?chǎng)會(huì )在探頭周?chē)橘|(zhì)中產(chǎn)生與線(xiàn)圈同軸的渦流電流。同樣，由交變渦流電流所形成的電磁場(chǎng)作用到接收線(xiàn)圈R上，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與探頭周?chē)橘|(zhì)的導電率有關(guān)的感應電動(dòng)勢eR。這個(gè)由二次交變電磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的電動(dòng)勢就是定位系統所需要的檢測信號。

由于直接耦合作用在接收線(xiàn)圈R上產(chǎn)生的磁通量可以表示為：

式中，nT和nR分別為發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的匝數；So為線(xiàn)圈的橫截面積；I為發(fā)射線(xiàn)圈中的電流；μ為介質(zhì)磁導率；D1為T(mén)、R兩線(xiàn)圈之間的距離；MTR為兩線(xiàn)圈互感系數。所以由此而產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢為：

式中，ω為發(fā)射電流的頻率。由式(2)可以看出，ex是一個(gè)落后于發(fā)射電流π/2且與探頭周?chē)橘|(zhì)導電率無(wú)關(guān)的電勢信號。在系統的接收信號中，它表現為一個(gè)幅值較大的背景噪音。

在發(fā)射頻率不高、介質(zhì)導電率較小的條件下，可忽略電磁波傳播效應和渦流損耗，用幾何因子理論對接收線(xiàn)圈中的二次感應電動(dòng)勢進(jìn)行計算[4]，將同軸于z的兩線(xiàn)圈周?chē)橘|(zhì)中的感應渦流分割成以探頭軸心為圓心、半徑為r、距線(xiàn)圈T和R距離分別為PT和PR的小單元環(huán)電流。將探頭周?chē)橘|(zhì)看作是均勻無(wú)限介質(zhì)，把所有的單元環(huán)感生的電動(dòng)勢疊加在一起得到：

式中，σ為線(xiàn)圈周?chē)橘|(zhì)的導電率。

這表明當發(fā)射電流恒定以后，k只與線(xiàn)圈的結構參數有關(guān)，故其被稱(chēng)為線(xiàn)圈系數。

當D1確定后，g只取決于單元環(huán)相對于線(xiàn)圈系的空間幾何位置，故其被稱(chēng)為單元環(huán)幾何因子。由式(3)可將電導率定義為：