一種基于感應(yīng)原理的城市地下管道檢查孔定位系統(tǒng)

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(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的傳感器由探頭及發(fā)射和接收電路組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了實(shí)用的探頭線圈。發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射線圈所需的激勵(lì)，接收電路處理來自接收線圈的檢測(cè)信號(hào)。由地面上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)以及距離檢測(cè)結(jié)果得到被覆蓋檢查孔的準(zhǔn)確定位信息。經(jīng)過實(shí)際管道中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得到了令人滿意的測(cè)試結(jié)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(hù)所預(yù)留的出入口。由于年代久遠(yuǎn)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(hù)檢修帶來了極大的困難。為了在不需要大規(guī)模開挖的情況下在幾千米的管道范圍內(nèi)準(zhǔn)確地找到所需要的檢查孔位置，一種以閉路電視設(shè)備為核心的檢查孔定位系統(tǒng)曾經(jīng)在一些國家得到了應(yīng)用。但是這種系統(tǒng)不僅價(jià)格昂貴，而且操作復(fù)雜，工作時(shí)需要由人工在顯示器上根據(jù)圖像進(jìn)行實(shí)際的判斷。所以對(duì)于負(fù)責(zé)地下管道維護(hù)的市政單位來說，急需一種既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的檢查孔定位檢測(cè)系統(tǒng)。

利用電磁感應(yīng)原理的測(cè)量技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用由來已久。渦流無損檢測(cè)技術(shù)可以用來對(duì)導(dǎo)電材料的材質(zhì)、厚度、位移等進(jìn)行在線檢測(cè)。石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的感應(yīng)測(cè)井技術(shù)可以對(duì)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(shù)[1～2]。根據(jù)同樣原理設(shè)計(jì)的檢查孔定位系統(tǒng)由地下和地面兩部分組成。地下部分由感應(yīng)探頭及其相應(yīng)的電路組成；地面部分由以霍爾傳感器為主的距離測(cè)量裝置及以便攜式計(jì)算機(jī)為主的數(shù)據(jù)采集處理裝置組成。地面部分和地下部分通過電纜聯(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(jù)探頭位置所在的環(huán)境介質(zhì)的電導(dǎo)率及當(dāng)時(shí)的距離信號(hào)，就可以得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。由于在大多數(shù)情況下，地下管道周圍土壤的電導(dǎo)率一般在0.01s/m～0.1s/m之間[3]，而在充滿空氣的檢查孔中，探頭周圍介質(zhì)的電導(dǎo)率會(huì)下降到0.005s/m以下，所以這種方法可以很準(zhǔn)確地為被覆蓋的檢查孔定位。

1 檢測(cè)原理及探頭的設(shè)計(jì)

感應(yīng)探頭中設(shè)計(jì)有發(fā)射和接收線圈，如圖1所示。當(dāng)發(fā)射線圈T通有恒定的交流電流時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，在接收線圈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(yīng)電動(dòng)勢(shì)ex。同時(shí)發(fā)射線圈T上的交變電流周圍形成的交變電磁場(chǎng)會(huì)在探頭周圍介質(zhì)中產(chǎn)生與線圈同軸的渦流電流。同樣，由交變渦流電流所形成的電磁場(chǎng)作用到接收線圈R上，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與探頭周圍介質(zhì)的導(dǎo)電率有關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eR。這個(gè)由二次交變電磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就是定位系統(tǒng)所需要的檢測(cè)信號(hào)。

由于直接耦合作用在接收線圈R上產(chǎn)生的磁通量可以表示為：

式中，nT和nR分別為發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)；So為線圈的橫截面積；I為發(fā)射線圈中的電流；μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率；D1為T、R兩線圈之間的距離；MTR為兩線圈互感系數(shù)。所以由此而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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且與探頭周圍介質(zhì)導(dǎo)電率無關(guān)的電勢(shì)信號(hào)。在系統(tǒng)的接收信號(hào)中，它表現(xiàn)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(dǎo)電率較小的條件下，可忽略電磁波傳播效應(yīng)和渦流損耗，用幾何因子理論對(duì)接收線圈中的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行計(jì)算[4]，將同軸于z的兩線圈周圍介質(zhì)中的感應(yīng)渦流分割成以探頭軸心為圓心、半徑為r、距線圈T和R距離分別為PT和PR的小單元環(huán)電流。將探頭周圍介質(zhì)看作是均勻無限介質(zhì)，把所有的單元環(huán)感生的電動(dòng)勢(shì)疊加在一起得到：

式中，σ為線圈周圍介質(zhì)的導(dǎo)電率。

這表明當(dāng)發(fā)射電流恒定以后，k只與線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，故其被稱為線圈系數(shù)。

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