CN110989012B - 地下管道设深度的精确电磁测量方法及管线仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下管道设深度的精确电磁测量方法及管线仪装置，操作者在埋地管道正上方的地面上手持管线仪装置，测量顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角，管线仪装置中倾角传感器用来修正顶部空芯线圈和底部空芯线圈分别测得电磁感应强度为顶部电磁感应强度值和底部电磁感应强度值，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距距值，以此来得到提高更加精准的超深管道地下管道的埋深值。本发明实现简单，只需通过带有倾角传感器的管线仪装置就能消除因定位仪测量位置不精确引起的测量偏差，即可大幅度提高超深管线埋深的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及地下管道检测应用技术领域，尤其涉及地下管道设深度的精确电磁测量方法及管线仪装置。
背景技术
已知埋地管道在石油、天然气长距离输送，城镇热电联产区域供热领域应用广泛。对于现有的地下管道检测方法是用电磁法定位常规埋设的金属管线技术，其技术原理是：应用信号发射机在埋地管道与接地极之间施加某一频率的交流电压，将检测信号电流发射到待检测的管道上，使用信号接收机应用峰/谷值探测模式，在地面上精确定位出管线的路由和走向，接收机的两个竖直布置的水平线圈测量出的感应信号强度差，从而通过设备应用简单的公式计算出埋地管道中心距离底部空芯线圈中的距离即可得到。这样的电磁定位和埋深测量方法，在10米的埋深范围内精度一般能够满足工程的需要，且具有测量方法简单，施工成本低等优点。但对于超出10米的大埋深管线往往不能满足工程需要。这是因为在长跨度超深的穿越管段上，电磁定位方法要求定位仪的两个水平线圈的间距增到1米以上，以增加两个线圈测得的感应信号有足够的差异，这对于测量线圈的测量精度以及线圈之间的间距精度有更高的要求。此时若定位仪的机身与地面不能保持垂直会直接影响超深管线埋深的测量精度，因此当地下管道的埋深深度超过10米时，市面上的商用管线仪的埋深测量精度大幅下降，不能满足工程上的高精度测量要求，超深地下管道深度的精确测量对于管道铺设地区的后继工程和保障管道安全避免第三方破坏具有重要意义。
综上所述，有必要对现有的地下管道设深度测量方法及现有的管线仪作出改进。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了地下管道设深度的精确电磁测量方法，由于通过手持设备进行测量，都会存在手持设备不是绝对的平稳，从而测量都会有误差，而本发明不仅通过其更加能够测量出超过10米地下管道设深度，更加能够得到更加精确的数据。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
地下管道设深度的精确电磁测量方法，包括如下步骤：
S1，操作者在埋地管道正上方的地面上手持管线仪装置，所述管线仪装置长度方向与埋地管道的轴向方向呈垂直角度，且管线仪装置保持平稳状态；
S2，操作者按下手持管线仪装置的探测开关键，管线仪装置中顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距为s，通过顶部空芯线圈和底部空芯线圈分别测得电磁感应强度为顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底，且管线仪装置中倾角传感器用于测量顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角α，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角β，通过夹角β来修正顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距距值，其中管线仪装置不能与铅直方向保持平行时，顶部空芯线圈和底部空芯线圈的水平方向顶部电磁感应强度真实值E顶真和底部电磁感应强度真实值E底真为：
E顶真＝E顶·cosα
E底真＝E底·cosα
E顶管线仪装置的顶部空芯线圈的顶部电磁感应强度测量值，E底管线仪装置的底部空芯线圈的底部电磁感应强度测量值，α为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角；
S3、在上述步骤S2上采用如下方法修正管线仪装置上顶部空芯线圈和底部空芯线圈的间距值：
S真＝S原·cosα·cosβ
S原为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的物理间距，S真为修正后的垂直方向上真实间距，β为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角；
S4、通过步骤S2和步骤S3采用如下公式计算得到地下管道的埋深值d：
同时其地下管道的埋深值d在管线仪装置中显示屏上实时显示，且地下管道的埋深值d存储在管线仪装置存储卡中。
本发明的有益效果：本发明操作简单，只用手持管线仪装置即可测测量得出超过10米埋深的管线深度，操作更加，也便于满足工程上的高精度测量要求，也对于管道铺设地区的后继工程和保障管道安全避免第三方具有重要意义，同时其改进后的管线仪装置便于测量出超过10米地下管道设深度，更加能够满足现代市场的需求。
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，而本发明不仅通过其更加能够测量出超过10米地下管道设深度，更加能够得到更加精确的数据，便于满足工程上的高精度测量要求，也对于管道铺设地区的后继工程和保障管道安全避免第三方具有重要意义，同时其改进后的管线仪装置便于测量出超过10米地下管道设深度，更加能够满足现代市场的需求。
地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，包括管线仪体，管线仪体内安装有控制器、顶部空芯线圈、底部空芯线圈、倾角传感器、存储卡、电源、显示屏和GPS定位模块，电源分别为控制器、顶部空芯线圈、底部空芯线圈、倾角传感器、存储卡、显示屏和GPS定位模块提供电能，管线仪体的轴线从上至下依次布置有顶部空芯线圈和底部空芯线圈，所述顶部空芯线圈和底部空芯线圈间隔一定距离，管线仪体上设置有探测开关键，控制器分别与顶部空芯线圈、底部空芯线圈、倾角传感器、存储卡、显示屏和GPS定位模块相连接。
进一步说，所述顶部空芯线圈和底部空芯线圈安装在一个塑料制的长方形箱中，此种设计更加有利于将顶部空芯线圈和底部空芯线圈安装在管线仪体内部，便于人们的安装与拆卸，且塑料制的长方形箱也便于人们的制作，更加有利于降低生产制作中成本，顶部空芯线圈和底部空芯线圈上均连接有前置放大器和滤波电路，控制器中具有信号模数转换与处理的控制器控制板，信号模数转换与处理的控制器控制板与顶部空芯线圈和底部空芯线圈相连接，更加有利于顶部空芯线圈和底部空芯线圈数据的转换与处理，更加能够满足对地下管道埋设深度的测量。
更进一步说，所述长方形箱中安装有竖直导轨，且顶部空芯线圈和底部空芯线圈上均设置有滑块，滑块沿着竖直导轨可上下移动，滑块从管线仪体延伸出，且管线仪体上开有圆孔，圆孔周边设置有刻度线，从而方便手动调整顶部空芯线圈和底部空芯线圈间隔距离，如所述顶部空芯线圈和底部空芯线圈间隔一定距离为1.2m，合理的顶部空芯线圈和底部空芯线圈间距，更加有利于测得顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底，才能有利于后期的纠正，得到更加精确的数据。
进一步说，所述控制器为PIC24FJ256G微型控制器。
进一步说，所述倾角传感器为双轴倾角传感器。
进一步说，所述存储卡为SD卡。
进一步说，所述电源为铅酸蓄电池可充电电池。
进一步说，所述显示屏为彩色液晶显示屏。
进一步说，所述GPS定位模块上安装有活动的GPS天线。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明其设计合理，通过在管线仪体内倾角传感器，消除因管线仪测量位置不精确引起的测量偏差，即可大幅度提高超深管线埋深的测量精度，实现对超深管线测量过程中因管线仪体的机身不能保持铅直方向测量埋深所引入的测量误差，可广泛应用于陆上穿越段超深管道埋深的高精度测量场合，大大开拓了应用的场所。
综上所示，本发明的超深地下管线埋深的精确电磁测量方法，能够有效消除因管线仪装置机身摆设不垂直形成的测量误差，本发明集电磁测量结构和方法、信号调理方法、倾角测量方法、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：
第一、将顶部空芯线圈和底部空芯线圈沿与管线仪体机身长度中心线竖直布置，分别为顶部空芯线圈和底部空芯线圈，顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距为s，测量管线埋深时顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与地下管道轴线垂直，分别在地面上顶部空芯线圈和底部空芯线圈位置上地下管道上检测信号的电磁感应强度E顶和E底。
第二、管线仪体机身内设置一个测量与铅直方向角度的倾角传感器，用于测量管线仪体机身与铅直方向的倾角传感器，来测量水平线圈轴线与铅直方向的夹角α，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角β，来修正顶部空芯线圈和底部空芯线圈测量值，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈间距值。
第三、采用如下公式计算得到地下管道的埋深值d：
本发明采用电磁感应的传感器检测阵列，具有测量精度高、可重复性好，操作简便等优点，通过倾角传感器有效地减小了线圈阵列的结构复杂性，降低了设备成本。
附图说明
图1为本发明顶部空芯线圈和底部空芯线圈与铅直方向夹角的测量示意图；
图2为本发明顶部空芯线圈和底部空芯线圈布置中心线与铅直方向夹角的测量示意图；
图3为本发明管线仪装置结构示意图；
图4为本发明顶部空芯线圈、底部空芯线圈与前置放大器和滤波电路连接示意图；
图5为本发明长方形箱体与管线仪体的连接关系示意图。
具体实施方式
地下管道设深度的精确电磁测量方法，包括如下步骤：
S1，操作者在埋地管道正上方的地面上手持管线仪装置，所述管线仪装置长度方向与埋地管道的轴向方向呈垂直角度，且管线仪装置保持平稳状态；
S2，参考图1和图2所示，操作者按下手持管线仪装置的探测开关键，管线仪装置中顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距为s，通过顶部空芯线圈和底部空芯线圈分别测得电磁感应强度为顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底，且管线仪装置中倾角传感器用于测量顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角α，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角β，通过夹角β来修正顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距距值，其中管线仪装置不能与铅直方向保持平行时，顶部空芯线圈和底部空芯线圈的水平方向顶部电磁感应强度真实值E顶真和底部电磁感应强度真实值E底真为：
E顶真＝E顶·cosα
E底真＝E底·cosα
E顶管线仪装置的顶部空芯线圈的顶部电磁感应强度测量值，E底管线仪装置的底部空芯线圈的底部电磁感应强度测量值，α为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角；
其中，管线的中心距离定位仪内的底部空芯线圈中心的距离为d(埋深，单位：米)，顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的物理间距为s(单位：米)，由倾角传感器测得顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角α，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角β，顶部空芯线圈和底部空芯线圈测得的埋地管道上的信号感应强度分别为E顶和E底，设埋地管道上施加的信号电流为I(单位：安培)，则有：
可得：管道埋深值d为：
E顶、E底分别是顶部空芯线圈和底部空芯线圈位置上测得的由埋地管道内信号电流产生的磁感应强度值，S为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的间距距值；
S3、在上述步骤S2上采用如下方法修正管线仪装置上顶部空芯线圈和底部空芯线圈的间距值：
S真＝S原·cosα·cosβ
S原为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的物理间距，S真为修正后的垂直方向上真实间距，β为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角；
S4、通过步骤S2和步骤S3采用如下公式计算得到地下管道的埋深值d：
同时其地下管道的埋深值d在管线仪装置中显示屏上实时显示，且地下管道的埋深值d存储在管线仪装置存储卡中。
在测得地下管道的埋设位置之后，操作者在位置的正上方，保持管线仪装置的长度方向与地下管道的轴向呈垂直，保持管线仪装置平稳按下探测开关键，管线仪装置的顶部空芯线圈和底部空芯线圈测得一组水平方向的电磁感应电动势，以及由倾角传感器测得顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角α，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角β，应用公式
计算出磁标的地下管道的埋深值d。连续测量16组地下管道的埋深值d后，应用d1、d2、d3、…d16计算出埋深的平均值，并将计算结果显示、连同序号一同存储成文件，地下管道的埋深值d存储在管线仪装置存储卡中。
本发明超深地下管道定位及测深的应用操作方法如下：
应用UPL在超深管道上实现定位和精确测深的操作步骤是：
a)在地下管道的管线的可连接位置(如测试桩)处使用发射机给管道施加检测信号(注意施加的检测信号要满足超深和大跨距管道定位和测深的强度需求)；
b)通过从信号施加处开始追踪、或通过图纸等方法，确定出在地下管道的管线超深段管道的大致位置和走向；
c)选择管线仪装置UPL的探测频率，使之与施加到地下管道上的检测信号频率一致；
d)在地下管道的可能位置上，将管线仪装置UPL的定位天线竖直放置，使天线的轴向与地下管道轴向垂直，通过在与地下管道路由方向相垂直左右移动天线，找到信号相应的最大位置，即是管道的中心线的位置；
e)旋转天线使定位装置测得的信号响应最小，此时天线平面(与天线轴向垂直)就是管道的精确走向；
f)操作者在地下管道位置的正上方，保持管线仪装置UPL天线的轴向与管道路由方向呈垂直状态，保持管线仪装置平稳按下探测开关键，管线仪装置UPL自动测量一组埋深值，并显示平均值，在操作者确认后连同序号存储在管线仪装置UPL数据文件的存储卡中。
说明：管线仪装置UPL进行超深管道埋深精确测量时，操作方法不因管道埋深的不同而改变；操作者可以通过多次测量的方法，消除超深管道埋深测量过程中的环境影响和人为因素的误差，以提高埋深的测量精度。
参阅图3和图4，如图所示，地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，包括管线仪体1，管线仪体1内安装有控制器11、顶部空芯线圈12、底部空芯线圈13、倾角传感器14、存储卡15、电源16、显示屏17和GPS定位模块18，电源16分别为控制器11、顶部空芯线圈12、底部空芯线圈13、倾角传感器14、存储卡15、显示屏17和GPS定位模块18提供电能，管线仪体1的轴线从上至下依次布置有顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13，所述顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13间隔一定距离，管线仪体1上设置有探测开关键18，控制器11分别与顶部空芯线圈12、底部空芯线圈13、倾角传感器14、存储卡15、显示屏17和GPS定位模块18相连接，所述顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13安装在一个塑料制的长方形箱19中，(如图4所示)顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13上均连接有前置放大器21和滤波电路22，控制器11中具有信号模数转换与处理的控制器控制板，信号模数转换与处理的控制器控制板与顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13相连接，所述控制器11为PIC24FJ256G微型控制器，所述倾角传感器14为双轴倾角传感器，所述存储卡15为SD卡，所述电源16为铅酸蓄电池可充电电池，所述显示屏17为彩色液晶显示屏，所述顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13间隔一定距离为1.2m，所述GPS定位模块18上安装有活动的GPS天线181。
如图5所示，所述长方形箱19中安装有竖直导轨191，且顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13上均设置有滑块2，滑块2沿着竖直导轨191可上下移动，滑块2从管线仪体1延伸出，且管线仪体1上开有圆孔，圆孔周边设置有刻度线，从而方便手动调整顶部空芯线圈12和底部空芯线圈12间隔距离，如所述顶部空芯线圈和底部空芯线圈间隔一定距离为1.2m，合理的顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13间距，更加有利于测得顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底，才能有利于后期的纠正，得到更加精确的数据。对于从管线仪体1中延伸出的滑块2上下面均设置有凹槽，其便于人们手指的拨动，同时其内圆孔侧边设置有挡块，便于在移动某一刻度线位置时进行挡住，防止其移动，从而能够方便人们的实际使用。
本发明构成对超过10米的埋地钢质管道实现高精度埋深测量的专用设备。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，顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13的轴线与埋地管道轴向的方向垂直放置，顶部空芯线圈12和底部空芯线圈13尽可能保持上下垂直实施埋深的检测，检测过程中测量数据结果在管线仪体1的显示屏17上实时显示，存储卡15用来储埋设深度的测量值。
本发明管线仪装置采用PIC24FJ256G微型控制器为控制器构UPL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，实现UPL设计功能的PIC24FJ256G微型控制器具有以下资源：
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。
管线仪装置UPL的技术规格为：
| 数据记录方式 | SD卡 |
| 检测信号频率 | 128Hz/640Hz |
| 上位机接口 | USB |
| 数据通道 | 2个电磁感应强度测量通道，1个倾角测量数据通道 |
| 检测功能 | 地下管道的埋设深度测量 |
| 数据测量周期 | 50mS |
| 数据记录容量 | 存储65535组位置及埋深数据 |
| 采样频率 | 1K Hz |
| 数据显示 | 彩色液晶显示屏，1024X768 |
| 工作温度 | -20℃～+50℃ |
| 电池 | 铅酸蓄电池可充电，连续供电大于24小时以上 |
| 内置软件 | 控制软件UPL-Driver |
本发明管线仪装置中所述倾角传感器14为双轴倾角传感器，双轴倾角传感器具体为HT2D 232-S10是一款全温补高精度双轴倾角仪，产品采用了最新MEMS芯片技术和单片机控制技术，输出速度3次/秒，内置高精度16bit A/D差分转换器，通过5阶滤波算法，分别输出单轴的倾角值，产品稳定性好，扩展性好。
本发明管线仪装置产品特征：
宽电压供电：9-30V工作电流：29mA(无负载)
输出负载：10KΩ(电阻性)20nF(电容性)
输出方式：RS-232C输出频率：3Hz
倾角量程：±10°分辨率：0.001°(带温度补偿)
工作温度：-30℃～+70℃存储温度：-50℃～+80℃
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明专利的保护范围之内。
Claims (8)
1.地下管道设深度的精确电磁测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，操作者在埋地管道正上方的地面上手持管线仪装置，所述管线仪装置长度方向与埋地管道的轴向方向呈垂直角度，且管线仪装置保持平稳状态；
S2，操作者按下手持管线仪装置的探测开关键，管线仪装置中顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距为s，通过顶部空芯线圈和底部空芯线圈分别测得电磁感应强度为顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底，且管线仪装置中倾角传感器用于测量顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角α，以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角β，通过夹角β来修正顶部电磁感应强度E顶和底部电磁感应强度E底以及顶部空芯线圈和底部空芯线圈之间的间距值，其中管线仪装置不能与铅直方向保持平行时，顶部空芯线圈和底部空芯线圈的水平方向顶部电磁感应强度真实值E顶真和底部电磁感应强度真实值E底真为：
E顶真＝E顶·cosα
E底真＝E底·cosα
E顶管线仪装置的顶部空芯线圈的顶部电磁感应强度测量值，E底管线仪装置的底部空芯线圈的底部电磁感应强度测量值，α为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的轴线与铅直方向的夹角；
S3、在上述步骤S2上采用如下方法修正管线仪装置上顶部空芯线圈和底部空芯线圈的间距值：
S真＝S原·cosα·cosβ
S原为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的物理间距，S真为修正后的垂直方向上真实间距，β为顶部空芯线圈和底部空芯线圈的布置中心轴与铅直方向的夹角；
S4、通过步骤S2和步骤S3采用如下公式计算得到地下管道的埋深值d：
同时其地下管道的埋深值d在管线仪装置中显示屏上实时显示，且地下管道的埋深值d存储在管线仪装置存储卡中。
2.如权利要求1所述地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，包括管线仪体(1)，其特征在于：管线仪体(1)内安装有控制器(11)、顶部空芯线圈(12)、底部空芯线圈(13)、倾角传感器(14)、存储卡(15)、电源(16)、显示屏(17)和GPS定位模块(18)，电源(16)分别为控制器(11)、顶部空芯线圈(12)、底部空芯线圈(13)、倾角传感器(14)、存储卡(15)、显示屏(17)和GPS定位模块(18)提供电能，管线仪体(1)的轴线从上至下依次布置有顶部空芯线圈(12)和底部空芯线圈(13)，所述顶部空芯线圈(12)和底部空芯线圈(13)间隔一定距离，所述顶部空芯线圈(12)和底部空芯线圈(13)间隔一定距离为1.2m，管线仪体(1)上设置有探测开关键，控制器(11)分别与顶部空芯线圈(12)、底部空芯线圈(13)、倾角传感器(14)、存储卡(15)、显示屏(17)和GPS定位模块(18)相连接。
3.如权利要求2所述地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，其特征在于：所述控制器(11)为PIC24FJ256G微型控制器。
4.如权利要求2所述地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，其特征在于：所述倾角传感器(14)为双轴倾角传感器。
5.如权利要求2所述地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，其特征在于：所述存储卡(15)为SD卡。
6.如权利要求2所述地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，其特征在于：所述电源(16)为铅酸蓄电池可充电电池。
7.如权利要求2所述地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，其特征在于：所述显示屏(17)为彩色液晶显示屏。
8.如权利要求2所述地下管道设深度的精确电磁测量方法中管线仪装置，其特征在于：所述GPS定位模块(18)上安装有活动的GPS天线(181)。
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