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)計了實用的探頭線圈。發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射線圈所需的激勵，接收電路處理來自接收線圈的檢測信號。由地面上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)檢測信號以及距離檢測結(jié)果得到被覆蓋檢查孔的準確定位信息。經(jīng)過實際管道中的現(xiàn)場實驗，得到了令人滿意的測試結(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所預(yù)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)不僅價格昂貴，而且操作復(fù)雜，工作時需要由人工在顯示器上根據(jù)圖像進行實際的判斷。所以對于負責地下管道維護的市政單位來說，急需一種既簡單又經(jīng)濟實用的檢查孔定位檢測系統(tǒng)。

利用電磁感應(yīng)原理的測量技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用由來已久。渦流無損檢測技術(shù)可以用來對導電材料的材質(zhì)、厚度、位移等進行在線檢測。石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的感應(yīng)測井技術(shù)可以對井下地層的物理性質(zhì)進行分析，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量裝置及以便攜式計算機為主的數(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，探頭由掛在它前端的鋼纜拖拉以提供在地下管道中前進的動力。根據(jù)探頭位置所在的環(huán)境介質(zhì)的電導率及當時的距離信號，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)的電導率會下降到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(shè)計

感應(yīng)探頭中設(shè)計有發(fā)射和接收線圈，如圖1所示。當發(fā)射線圈T通有恒定的交流電流時，由于電磁感應(yīng)的作用，在接收線圈R中將會產(chǎn)生一個與發(fā)射電流頻率相同、相位滯后π/2的感應(yīng)電動勢ex。同時發(fā)射線圈T上的交變電流周圍形成的交變電磁場會在探頭周圍介質(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作用到接收線圈R上，就會產(chǎn)生一個與探頭周圍介質(zhì)的導電率有關(guān)的感應(yīng)電動勢eR。這個由二次交變電磁場作用所產(chǎn)生的電動勢就是定位系統(tǒng)所需要的檢測信號。

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是一個落后于發(fā)射電流π/2且與探頭周圍介質(zhì)導電率無關(guān)的電勢信號。在系統(tǒng)的接收信號中，它表現(xiàn)為一個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(yīng)和渦流損耗，用幾何因子理論對接收線圈中的二次感應(yīng)電動勢進行計算[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)感生的電動勢疊加在一起得到：

式中，σ為線圈周圍介質(zhì)的導電率。

這表明當發(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D1確定后，g只取決于單元環(huán)相對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)可將電導率定義為：