CN109883450B - 埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法 - Google Patents

Abstract

埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法，采用两组与管道轴向垂直方向布置的三分量磁力仪探头组成探测阵列，探头间距均为；第一探头在管道侧向位置上，测量钢质管体自身及大地产生的背景磁场；第二号探头位于仪器的中央,埋地管道位于其正下方，三分量探头测量背景磁场下的由磁标产生传导到地面上的，在x，y，z三个正交方向上磁感应强度；检测仪器在地面上沿管道路由平稳移动，计算两组探头三个分量的差值；应用磁元定位方法，能够测量出管道附近埋设的定位磁标的位置及埋深。本发明方法可以用于构成能够消除钢质管体自身磁场及地磁背景，管道内检里程标定用永磁性磁标的探测系统，可广泛应用于丢失磁标的位置和埋深的检测。

Description

埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法

技术领域

本发明属于埋地管道检测、磁源检测的应用技术领域，具体涉及埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法。

背景技术

当实施埋地管道的管体缺陷内检测时，要在待检测的管道沿线上，紧贴管道外壁埋设若干个强永磁性的磁标。当内检测设备经过磁标时，通过内检测器上的霍尔元件拾取到磁标发出，穿过管壁的磁信号，通过磁标埋设的空间位置及里程，来标定和校正内检测设备沿管道移动记录的里程与真实空间位置的偏差。

当磁标的埋设时间过久时，因埋设资料不全或地表变化等因素，需要对已埋设的磁标进行位置探测和定位。检测的技术方法是：应用两组高精度的三分量磁饱和磁力仪，检测管道路由上方的三分量磁感应强度，并消除埋地钢质管体自身的磁场，以及地磁等外部磁场的干扰，实现对沿管道路由埋设磁标的位置及埋深的测量。

埋地管道磁标的检测：由于钢质管道的管体本身带有较强且变化的磁场，加之高强度地磁的干扰，目前市面上传统的磁场测量方法很难对管道外壁上的磁标实施有效地探测。本发明的技术方法，通过设置两组三分量的磁饱和磁力仪，实施管道正上方及管道侧向位置磁场的测量，有效地消除了环境中的背景磁场，实现对磁标的埋设位置及埋深的测量。

当前国内外应用于埋地磁性物体检测的主流设备是英国雷迪公司的RD315以及美国VIVAX公司的VM880等，国内生产的部分金属探测设备也具有埋地磁性物体的探测功能，但由于不能有效地区分管体自身的磁场及地磁场的干扰，不能满足沿钢质管道路由埋设磁标的检测需求。

发明内容

本发明目的是解决目前仅仅应用简单的磁场测量法不能有效地检测出用于校正内检测设备里程积累误差的磁标的位置及埋深，提供一种用于探测埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法。

本发明按以下技术方案实现：

埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法，该定位方法如下：定位磁标紧贴钢质管道上方的外壁埋设，用于对内检测设备记录的位移里程进行标定；采用两组与管道轴向垂直方向布置的三分量磁力仪探头组成探测阵列，探头间距均为l；第一探头在管道侧向位置上，测量钢质管体自身及大地产生的背景磁场；第二号探头位于仪器的中央,埋地管道位于其正下方，三分量探头测量背景磁场下的由磁标产生传导到地面上的，在x，y，z三个正交方向上磁感应强度；

检测仪器在地面上沿管道路由平稳移动，计算两组探头三个分量的差值，以消除管体自身磁场，大地磁场的干扰；应用磁元定位方法，能够测量出管道附近埋设的定位磁标的位置及埋深。

进一步，仪器沿管道轴向在地面上移动检测，两组探头分别测量出空间磁场的平行管道轴向、垂直管道轴向的水平方向的磁感应强度为B_前1、B_侧1、B_前2、B_侧2，以及竖直方向的磁感应强度分量为B_垂1、B_垂2；

消除地磁及管道磁场后，探头2处的磁感应强度B_标为：

进一步，采用如下方法定位磁标的位置：仪器实时将计算出磁标的磁感应强度的绝对值以曲线形式，在显示屏幕上画出，曲线的峰值点对应的位置就是磁标的位置。

进一步，采用如下公式计算磁标的埋深d：

这里：

B_x＝B_x2-B_x1 (4)

B_z＝B_z2-B_z1 (5)

其中：B_x1、B_x2、B_z1、B_z2分别是第一，第二探头位置处测得的由磁标产生的磁感应强度。

进一步，第一和第二探头之间的间距为l，磁标轴线与通过磁标中心线及第二探头中心线的夹角α；

将磁标等效为点磁源，则有：

进一步，两组探头在同一轴线上呈直线方式排列，安装在一个铝制或塑料制的长方形箱中，箱中内置各组探头的激励信号发生器、相敏检波及积分滤波电路，另有两组探头探测信号模数转换和处理的微处理器控制板。

本发明有益效果：

1)本发明采用磁饱和磁力仪构成的检测探头阵列结构，可以对安装在管道外壁，用于内检测设备记录的位移里程的积累误差校正的磁标，进行定位和埋深测量。

2)本发明所用探头阵列结构和检测计算方法，消除了地磁场存在和波动对检测结果的干扰，有效地提高了磁标的定位精度和适用范围，提高了埋深检测结果的可靠性。

3)本发明采用磁饱和磁力仪探头构成检测阵列，具有测量精度高、可重复性好，操作简便等优点。有效地减小了探头阵列的结构复杂性，减低了设备成本。

附图说明

图1是本发明采用的探头阵列布置结构示意图；

图2是探头阵列与管道、大地磁场位置俯视图；

图3是磁饱和磁力仪信号处理电路。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明为埋地管道内检测设备的检测里程标定的磁标的定位和埋深测量方法。该永磁性磁标是安装在管道外壁，用于具有数据存储功能的内检测设备记录的位移里程的积累误差校正，使检测与数据能够与管道真实空间位置实现高精度对齐。该设备用于铁磁性的埋地钢质管道上，对管道上方紧贴管道外壁埋设的永久性磁标，进行位置及埋深的测量。使用者持探测仪沿管道路由在地面上行走，仪器能够测量、显示并记录管道上方的磁场变化。通过本发明的算法实时地计算并显示出因磁标的存在而导致的数据变化曲线。当探测到磁标的存在时，同时能够测量出磁标的埋设深度。探测仪内置亚米级GPS模块，可对磁标的位置测量并存储位置的空间信息。

本发明应用两组三分量磁力仪探头实现，探测出沿埋地钢质管道路由埋设的永久性磁标，包括：

第1、将两组三分量磁力仪探头(以下简称探头)沿与仪器长度中心线竖直布置，分别为第一探头和第二探头，探头之间的间距为l，分别测量探头位置处的x，y，z方向的磁感应强度分量。

第2、仪器沿管道轴向在地面上移动检测，两组探头分别测量出空间磁场的平行管道轴向、垂直管道轴向的水平方向的磁感应强度为B_前1、B_侧1、B_前2、B_侧2，以及竖直方向的磁感应强度分量为B_垂1、B_垂2。

消除地磁及管道磁场后，探头2处的磁感应强度B_标为：

第3、采用如下方法定位磁标的位置

以设定的频率以及步行的速度，在沿管道轴向地面上连续采集一组的磁感应强度数据，应用公式(1)计算出磁标的磁感应强度B_标1、B_标2、B_标3、……B_标n。

仪器实时将计算出的磁标磁感应强度的绝对值以曲线形式，在显示屏幕上画出，曲线的峰值点对应的位置就是磁标的位置。

第4、采用如下公式计算磁标的埋深d：

两组探头在同一轴线上呈直线方式排列，安装在一个铝制或塑料制的长方形箱中，箱中内置各组探头的激励信号发生器、相敏检波及积分滤波电路，另有两组探头探测信号模数转换和处理的微处理器控制板。

本发明磁标埋深的计算依据及原理：

定义：设埋地磁标的中心距离检测探头阵列的轴线为d(埋深)，单位：米

第一和第二探头之间的间距为l，单位：米

磁标轴线与通过磁标中心线及第二探头中心线的夹角α。

1.将磁标等效为点磁源，则有：

2.管道埋深的计算

这里：

B_x＝B_x2-B_x1 (4)

B_z＝B_z2-B_z1 (5)

其中：B_x1、B_x2、B_z1、B_z2分别是第一，第二探头位置处测得的由磁标产生的磁感应强度。

实施例：埋地钢质管道内检测里程磁标的定位仪MPL

磁标的定位仪MPL是由两组三分量磁饱和磁力仪探头的检测阵列为核心、以PIC24FJ256G型微处理器为控制器，构成埋地钢质管道内检测里程磁标定位的专用设备MPL。仪器功能是：在野外的工矿条件下，操作者在埋地管道上方的地面，探头阵列以垂直管道轴向的方向实施检测。检测过程中测量数据结果在仪器的屏幕上实时显示，曲线的峰值点对应的位置就是磁标的位置，仪器支持操作者对测量结果的回找功能。

1.硬件的实现：

采用PIC24FJ256G型微处理器为控制器构成MPL的测量仪器，完成：检测电路控制、检测结果实时计算、结果数据存储，电源管理、检测和显示参数设置以及操作等功能。

采用两组三分量磁饱和磁力仪探头，两组探头的间距为l＝1.2米，以仪器的轴线布置。

各个探头的驱动、选频、相敏检波、积分滤波电路见图3。

实现MPL设计功能的PIC24FJ256G型微处理器具有以下资源：

A、时钟频率为100MHz。

B、具有2个带有SPI功能的串口，普通串口3个。

C、数据存储器扩展64K(16位)，程序/数据存储器64K以上。

D、外接彩色显示液晶显示屏，分辨率为1024X768，由SPI端口连接。

2.检测方法的实现：

1)磁标定位功能

在实际检测过程中，应用磁力仪探头在管道上方地面的位置上连续测得并计算出磁标的磁感应强度B_标1、B_标2、B_标3、……B_标n(单位：nT)后，以检测距离为横轴，B_标i的绝对值为纵轴，实时画出磁标的磁感应强度曲线，在磁标的位置附近，B_标i曲线的极大值的位置，就是对应磁标的埋设位置。

2)磁标埋深的测量功能

在测得磁标的埋设位置之后，操作者在位置的正上方，保持仪器的长度方向与管道的轴向呈垂直，保持仪器平稳按下测深键。磁力仪探测阵列测得一组三个方向的磁感应强度，应用公式(2)计算出磁标的埋深。

连续测量16组埋深数值后，应用d₁、d₂、d₃、…d₁₆计算出埋深的平均值，并将计算结果显示、与仪器内置的DGPS模块测量出的位置坐标一同存储成文件。

3)磁标的定位仪MPL的技术规格为：

综上，本发明用于埋地管道内检测设备检测里程标定用的永磁标的定位和埋深测量。该永磁标是安装在管道外壁，用于具有数据存储功能的内检测设备记录的位移里程的积累误差校正，使检测与数据能够与管道真实空间位置实现高精度对齐。该设备在埋地钢质管道上方地面，对紧贴管道外壁埋设的磁标实施位置及埋深的测量。

该发明集磁测量结构和方法、信号调理方法、相敏检波信号拾取方法、测量结果计算模型、嵌入式系统等技术为一体。使检测方法及构成的仪器系统具有检测精度高、测量方法简单有效等优点，具体包括：

1)本发明采用磁饱和磁力仪构成的检测探头阵列结构，可以对安装在管道外壁，用于内检测设备记录的位移里程的积累误差校正的磁标，进行定位和埋深测量。

2)本发明所用探头阵列结构和检测计算方法，消除了地磁场存在和波动对检测结果的干扰，有效地提高了磁标的定位精度和适用范围，提高了埋深检测结果的可靠性。

3)本发明采用磁饱和磁力仪探头构成检测阵列，具有测量精度高、可重复性好，操作简便等优点。有效地减小了探头阵列的结构复杂性，减低了设备成本。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法，其特征在于，该定位方法如下：定位磁标紧贴钢质管道上方的外壁埋设，用于对内检测设备记录的位移里程进行标定；

采用两组与管道轴向垂直方向布置的三分量磁力仪探头组成探测阵列，探头间距均为l；第一探头在管道侧向位置上，测量钢质管体自身及大地产生的背景磁场；第二号探头位于仪器的中央,埋地管道位于其正下方，三分量探头测量背景磁场下的由磁标产生传导到地面上的，在x，y，z三个正交方向上磁感应强度；

检测仪器在地面上沿管道路由平稳移动，计算两组探头三个分量的差值，以消除管体自身磁场，大地磁场的干扰；应用磁元定位方法，能够测量出管道附近埋设的定位磁标的位置及埋深；

采用如下公式计算磁标的埋深d：

这里：

B_x＝B_x2-B_x1 (4)

B_z＝B_z2-B_z1 (5)

其中：Bx1、Bx2、Bz1、Bz2分别是第一，第二探头位置处测得的由磁标产生的磁感应强度；

第一和第二探头之间的间距为l，磁标轴线与通过磁标中心线及第二探头中心线的夹角α；

将磁标等效为点磁源，则有：

2.根据权利要求1所述的埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法，其特征在于：仪器沿管道轴向在地面上移动检测，两组探头分别测量出空间磁场的平行管道轴向、垂直管道轴向的水平方向的磁感应强度为B_前1、B_侧1、B_前2、B_侧2，以及竖直方向的磁感应强度分量为B_垂1、B_垂2；

消除地磁及管道磁场后，探头2处的磁感应强度B_标为：

3.根据权利要求1所述的埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法，其特征在于，采用如下方法定位磁标的位置：

仪器实时将计算出磁标的磁感应强度的绝对值以曲线形式，在显示屏幕上画出，曲线的峰值点对应的位置就是磁标的位置。

4.根据权利要求1所述的埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法，其特征在于：两组探头在同一轴线上呈直线方式排列，安装在一个铝制或塑料制的长方形箱中，箱中内置各组探头的激励信号发生器、相敏检波及积分滤波电路，另有两组探头探测信号模数转换和处理的微处理器控制板。

5.根据权利要求1所述的埋地钢质管道内检测器磁标的定位方法，其特征在于：检测仪器采用PIC24FJ256G型微处理器为控制器构成MPL的测量仪器。

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