CN113687428B - 一种超深地下管线方位的精确电磁标定方法 - Google Patents

Abstract

一种超深地下管线方位的精确电磁标定方法。本发明应用一个三分量正交线圈组构成的测量传感器，连同内置电路板，以及一个平面电子罗盘安装在非金属材料的探头内，实现超深地下管线相对于探头的方位的电磁法标定。电磁标定法测量的探头由电缆连接，下放至事先打好的探井中，与地面上的探测主机通过串行通讯连接，由测量主机完成测量参数设置、过程控制以及测量结果的显示。探测过程中探头靠自身重力下放，当接近管线时采集多组数据，汇同电子罗盘测得的探头方位数据上传至探测主机，探测主机计算出目标管线相对探井的位置并显示。本发明方法与超深管线埋设深度测量装置配合使用，可广泛应用于超深地下管道和线缆位置的高精度测量场合。

Description

一种超深地下管线方位的精确电磁标定方法

【技术领域】

本发明涉及超深地下管线的水平距离和方位电磁探测方法。属于地下管线检测的应用技术领域。集传感器制作、电磁测量方法、数学计算方法、嵌入式系统等技术为一体。

【背景技术】

电磁法定位常规埋设的金属管线是一项成熟技术。其技术原理是：应用信号发射机在埋地管线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线上，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、走向并可测量其埋设深度。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，应用简单的公式计算出埋地管线中心距离底部线圈中的距离。常规的电磁定位和埋深测量方法，在6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。

对于超出6米的大埋深管线，位于地面的探测设备测量出管线上感应信号的强度往往不足以精确测量出管线的埋设深度，工程中多数采用探井法精确测量管道的埋深。探井法的测量主机与探头分离，事先在地下管道的一侧打好探井，其深度略大于待测管线的预计埋深。探测时，从探井上方往下输送探头进行测量目标管线的信号，同时把检测数据传输到地面上的测量主机。探井法有磁梯度和电磁测量两种。磁梯度测量的是铁磁性管材自身的磁场，无需给管道施加检测信号，不能测量探头与管线之间的距离；电磁测量方法则需要给管道施加特定频率的信号电流，还要保证有足够强度，使得探井内的测量探头能够测量出足够的感应信号。测量过程中可以在探头接近管线过程中采集多组数据进行运算，以提高计算结果的精确度。电磁测量法同时能计算出目标管线与探井的水平距离，可大幅度提高超深管线埋设位置的测量精度，减少钻探井的盲目性。

但是，当探井位置离管线很近，加之探井的钻探工艺不能保证探井的垂直度时，需要标定管线与探井中探头之间的相对位置。这个方位标定的信息对于进一步探测管线的精确水平埋设位置，避免后继工程误伤管线，进而避免第三方破坏具有重要意义。

超深地下管线埋设位置的电磁标定方法：

传统的管线仪埋深测量不超过6米，对于超过6m埋深管线的测量精度大大降低，无法满足工程测量的精度要求；市面上的探井磁梯度和电磁法探测管道埋深具有良好的测量精度。但探井磁梯度测量技术，不能给出管线距离探井中探头的精确距离，因而无法应用探井进一步精确标定管线的水平位置；应用探井电磁测量技术，能够测量出管线与探井中探头之间的精确距离，但不能给出管线与探头之间的方位信息。当探井距离管线很近加之探井的钻探竖直度不能保证时，更需要管线与探头之间的方位信息。从而能够在探测区域内存在多条管道时判别相对位置以及精确探测目标管道的水平位置，或根据需要采取增加探井数量等方法进一步探测管道的位置。

【发明内容】

本发明目的是解决目前商用磁梯度及电磁法测量法精确测量管线埋设深度过程中，不能有效获得管线相对于探井中探头的方位信息的问题。本发明提供了一种超深地下管线方位的精确电磁标定方法，配合电磁探井法能够测量出两者之间的距离，从而精确得出管线的位置和走向信息。

本发明技术方案

1、用于超深地下管线方位电磁标定法测量的探头，包括探头外壳，外壳内的顶部线圈，内置电路板和底部线圈，外壳内还设置有平面电子罗盘和正交三分量线圈组，顶部线圈、底部线圈、平面电子罗盘和三分量正交线圈组均与内置电路板中的电路连接。平面电子罗盘的向前方向与三分量正交线圈的Y轴线圈轴线重叠，向右方向与X轴线圈轴线重叠，Z轴线圈轴线与探头的长轴重叠，电子罗盘平面与探头的长轴垂直，靠重力保证电子罗盘测量平面与水平面平行。内置电路板将顶部线圈、底部线圈和三分量正交线圈组中所有线圈感应电动势经放大和滤波后经传输电缆传递给地面测量主机；同时，内置电路板也将采集到的电子罗盘数据经传输电缆传递给测量主机。

2、超深地下管线方位(埋设位置)的精确电磁标定方法，具体包括：

第1、首先在目标管线的一侧打一口探井，探井的深度略大于管线的深度，给目标管线施加交流检测电流，然后将以上所述的探头从探井上方靠自身重力下放，此过程中探头逐渐接近目标管线，并由地面测量主机接收管线的电磁信号。

第2、探头在探井内垂直方向接近目标管道，由三分量正交线圈组中的正交线圈接收目标管线上的电磁信号。其中两组水平线圈的各自感应电动势，经内置电路板上的信号处理电路中的前置放大、信号调理后，再进行A/D转换，应用公式(1)计算出管道上交变电磁场的合成矢量与线圈Y方向的夹角α：

α＝arctan(E_x/E_y) (1)

式中，E_x为三分量正交线圈组的水平线圈中X方向的感应电动势，E_y为三分量正交线圈组的水平线圈中Y方向的感应电动势；

第3、由探头内置的平面电子罗盘测得的航向角Azimuth，反映的是三分量正交线圈组中水平Y方向线圈与磁北方向的夹角；此外，三分量正交线圈组中竖直布置的Z方向线圈测得管线电磁信号的竖直分量大小及方向；当正半周是竖直电磁场方向为向上方向，即线圈Z测量数值为正值时，应用公式(2)计算出目标管线的垂向相对于地磁北的方位角β：

β＝Azimuth+α (2)

其中：β为目标管线上探测信号产生电磁场的水平矢量与磁北向的方向角，Azimuth为电子罗盘测得的航向角；

当正半周的竖直电磁场为向下，即线圈Z测量数值为负值时，应用公式(3)计算方向角β：

β＝Azimuth+α―180 (3)

测量主机计算出目标管线的方位角β，并输出显示。

本发明的超深管线埋设方位计算依据及原理：

定义：

E_x为三分量正交线圈组中水平X方向线圈的感应电动势，单位：伏特

E_y为三分量正交线圈组中水平Y方向线圈的感应电动势，单位：伏特

α为E_x和E_y代表的管道上交变电磁场的合成矢量与线圈Y方向的夹角。由于管道上电磁场在水平面上的方向始终与管道轴向垂直，夹角α也就是线圈中Y方向与管线垂向的夹角；

β为目标管线上探测信号产生电磁场的水平矢量与磁北向的夹角，即为探头投影在管线通过的水平面的位置，与相距最小距离点连成的管线垂线，与地磁北方向的夹角，指示出管道的方位信息。

Azimuth为电子罗盘测得的航向角。

这里：

电子罗盘在探井下放过程中靠重力作用，使电子罗盘始终保持水平，测得的航向角即为三分量正交线圈组中Y方向线圈轴向与磁北向的夹角；

则有：

α＝arctan(E_x/E_y) (1)

β＝Azimuth+α (2)

由于施加到目标管线上的是正弦波信号电流，管道上的电流方向周期性翻转，进而环绕管道的电磁场也是同周期的方向变化(如图4)。当管线中的信号电流处于正半周时，其电流方向及环绕管线的磁场方向如图4所示，此时探头中竖直线圈测得的磁感应方向向上的，设此时对应的感应电动势为正值。此时管线的方位角如公式(2)所给出。

当探头中竖直线圈测得的磁感应方向向下的，此时对应的感应电动势则为负值。此时管线的方位角如公式(3)所给出。

β＝Azimuth+α―180 (3)

取值范围为：0<＝β<360。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的超深地下管线方位的精确电磁标定方法，配合探井电磁测量设备，能够测量出管线与探井中探头之间的水平距离，以及探头所在位置与管线最小距离点的方向角，结合探头内置的电子罗盘测得的探头方向，指示出管道相对于探头位置的方位信息。

探井电磁测量超深地下管线的方法，克服了探井磁梯度法测量地下管线深度方法的缺点和局限性。本发明的方位标定方法的积极效果是：第一、电磁法是给待测的目标管线施加特定频率的信号电流，通过探头的测量线圈测量出管道埋设深度、管线距离探头的水平距离以及方位角等信息的，当目标管线附近存在伴行管线或其他铁磁物体时，能够通过合理的信号施加方法使得目标管线的信号强，而其他管线或构筑物上尽可能小的检测信号，达到区分和压制其他地下构筑物对测量过程的干扰；而探井磁梯度法属于被动测量技术，无法有选择地实施测量，因而当地下区域管线密集或有其他铁磁物体时，测量过程存在较大偏差，甚至无法实施有效的区分而得到正确的测量结果。

第二、当探井靠近目标管线且钻探不能保证竖直度时，需要本发明中的目标管线方位标定方法配合水平距离测量技术，获取管线与探头之间的方位信息来区分目标管线与其他地下构筑物，评估探井垂直度上的偏差，判断测量结果的可信度。此外，当需要钻探附加探井来核实探测结果时，方位信息对于避免发生伤害目标管线也具有重要的参考意义。

第三、记录检测过程中全部检测数据和计算结果，可以排除各种干扰所带来的误差影响。本发明集电磁测量结构和方法、信号调理方法、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。

本发明的优点是：1、探井内的探头接近管线解决了大埋深管线地面检测不到足够强度信号的难题。2、有选择地施加信号和标定目标管线方位的技术，有效地提高了复杂地下环境的测量目标分辨能力。3、本发明采用的强大的数字滤波电路，能够有效消除环境的电磁干扰信号，大大地提升了基于本发明开发检测设备的抗干扰能力，降低了对目标管线检测信号强度的要求。基于本发明开发的探测设备具有结构简单，安全可靠、使用方便等特点。

【附图说明】：

图1目标管线方位标定原理示意图。

图2探井电磁法检测实施示意图。

图3传感器结构图。

图4给管线施加交变信号产生交变电磁场的方向示意图。

图5探头的结构图。

图中：

1-目标管线，2-带三分量正交线圈组的探头，3-平面电子罗盘测得探头航向角Azimuth，4-目标管线水平垂向与磁北向的方向角β，5-测量主机，6-连接电缆，7-绕线器，8-测量电缆，9-霍尔计步器，10-测量探头，11-碳纤维外壳，12-顶部线圈，13-内置电路板，14-平面电子罗盘，15-三分量正交线圈组，16-底部线圈。

具体实施方式

实施例1：超深地下管线埋设位置测量仪

超深地下线缆埋设位置测量仪是由探头和测量主机组成(为现有技术)，之间由信号电缆连接。

本发明提供的用于超深地下管线方位电磁标定法测量的探头如图3所示，包括探头外壳11，外壳内的顶部线圈12、三分量正交线圈组15、平面电子罗盘14、内置电路板13和底部线圈16。顶部线圈、底部线圈和三分量正交线圈组均与内置电路板连接(参见图5)，电路板(内置电路为现有技术)上的信号处理电路对线圈的测量信号进行前端放大和滤波，经AD转换后，汇同平面电子罗盘的测量数据上传到地面上的测量主机。三分量正交线圈组中的Y轴线圈的轴向与罗盘的向前方向重叠，线圈的X轴与罗盘的向右方向与重叠(见图1)。罗盘平面与探头的长轴垂直，靠重力保证罗盘测量平面与地表水平面平行。地面上的测量主机以STM32F103RC型微处理器为控制核心，构成对超过10米的埋地电缆实现高精度埋设位置测量的设备。

仪器功能是：在野外的工矿条件下，检测人员给目标电缆施加电磁信号，由管线侧旁的探井往下输送测量探头。检测数据实时传送至地面上的测量主机。在探头下放的同时，测量电缆下放长度，测量主机依据接收到的数据进行运算并在显示器上显示计算结果。检测结束后，测量主机输出目标电缆的埋设位置数值并对所有检测数据进行存储。

一、硬件的实现：

第1、测量探头(参见图3)长400mm，直径40mm；探头外套为高强度的碳纤维管探头外壳11；12为探头内的顶部电磁线圈；16为探头内的底部电磁线圈；顶部线圈和底部线圈的中心间距为330mm；14为平面电子罗盘；15为三分量正交线圈组；13为内置电路板(参见图5)；顶部线圈、底部线圈、三分量正交线圈组均与内置电路板上的电路连接；内置电路板以采用STM32F103CB型微处理器为核心构成，芯片资源与测量主机相同。将所有线圈感应电动势经电路进行放大和滤波处理后，微处理器负责经测量电缆8(和连接电缆6)将测量数据，以及平面电子罗盘数据上传给地面测量主机5(参见图2)。

第2、采用STM32F103RC型微处理器构成测量主机，完成检测结果实时计算、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。

实现测量主机及探头内置电路板上的型微处理器具有以下资源：

A、时钟频率为72MHz。

B、具有3个SPI串口，5个UART串口。

C、Flash-256K，RAM-48K。

测量主机外接7.0英寸高清彩色液晶显示屏，分辨率为800x480，由UART端口连接。

二、检测方法的实现：

1)超深地下管线埋设位置的精确电磁测量方法的实现

如图1和图2所示，首先给目标管线1施加电磁信号，信号频率为640Hz和32.8kHz，分别对应直连法640Hz，夹钳法32.8kHz。在地面上初步定位出目标管线的水平位置以及管线埋深的初步信息。在目标管线1一侧，以地面探测管线埋深一半的距离打一个探井11，探井的深度略大于电缆的深度。然后从探井上方将探头靠自身重力下放实施探测，探头把采集到的电磁信号及方位探测数据上传，主机5通过传输电缆8(连接电缆6)接收探头发来的探测数据，应用公式(1)、(2)、(3)计算出探头所在位置与管线最小距离点连成的垂线与地磁北方向的夹角，从而测量出管道相对于探井的方位信息。

2)测量主机的技术规格为：

3)实际应用效果验证数据

Claims (1)

1.一种超深地下管线方位的精确电磁标定方法，该方法使用的探头包括探头外壳，外壳内设置有顶部线圈、底部线圈、内置电路板、平面电子罗盘和三分量正交线圈组，顶部线圈、底部线圈、平面电子罗盘和三分量正交线圈组均与内置电路板连接；电子罗盘的向前方向与三分量正交线圈的Y轴线圈轴线重叠，向右方向与X轴线圈轴线重叠，Z轴线圈轴线与探头的长轴重叠，电子罗盘平面与探头的长轴垂直，靠重力保证电子罗盘测量平面与水平面平行；内置电路板将顶部线圈、底部线圈和三分量正交线圈组中的感应电动势经放大和滤波后经传输电缆传递给地面测量主机；同时，内置电路板也将采集到的电子罗盘数据经传输电缆传递给测量主机；其特征在于，该方法的步骤包括：

第1、首先在目标管线的一侧打一个探井，探井的深度略大于管线的深度，给目标管线施加交流检测电流，然后将所述的探头从探井上方靠自身重力下放，此过程中探头逐渐接近目标管线，并接收管线的电磁信号；

第2、探头在探井内垂直方向接近目标管道，由三分量正交线圈组中的正交线圈接收目标管线上的电磁信号，其中两组水平线圈的各自感应电动势，经内置电路板上的信号处理电路中的前置放大、信号调理后，再进行A/D转换，应用公式(1)计算出管道上交变电磁场的合成矢量与线圈Y方向的夹角α：

α＝arctan(E_x/E_y)(1)

式中，E_x为三分量正交线圈组的水平线圈中X方向的感应电动势，E_y为三分量正交线圈组的水平线圈中Y方向的感应电动势；

第3、由探头内置的平面电子罗盘测得的航向角Azimuth，反映的是三分量正交线圈组中水平Y方向线圈与磁北方向的夹角；此外，三分量正交线圈组中竖直布置的Z方向线圈测得管线电磁信号的竖直分量大小及方向；当正半周是竖直电磁场方向为向上方向，即线圈Z测量数值为正值时，应用公式(2)计算出目标管线的垂向相对于地磁北的方位角β：

β＝Azimuth+α(2)

其中：β为目标管线上探测信号产生电磁场的水平矢量与磁北向的方向角，Azimuth为电子罗盘测得的航向角；

当正半周的竖直电磁场为向下，即线圈Z测量数值为负值时，应用公式(3)计算方向角β：

β＝Azimuth+α―180(3)

测量主机计算出目标管线的方位角β，并输出显示。

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