CN114740535A - 一种地下管线探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了管线探测技术领域内的一种地下管线探测装置及方法。该探测装置包括：固定轴，固定轴上沿轴向设置有指向线；线圈组，线圈组包括五个线圈，五个线圈从上至下依次等距间隔连接于固定轴，五个线圈的法线与指向线位于同一竖直面，第一线圈和第五线圈的法线方向倾斜于竖直方向，其余的线圈的法线方向与竖直方向平行；测量装置，测量装置分别与五个线圈连接，测量装置用以同时测量五个线圈的感应电动势。该探测装置及探测方法通过一套分离式喇叭形接收线圈，可以确定管线方位的同时，可以获得更精确的管线埋深及与测试孔的相对距离。

Description

一种地下管线探测装置及方法

技术领域

本发明涉及管线探测技术领域，特别涉及一种地下管线探测装置及方法。

背景技术

针对直径较小且可施加发射信号的管线，可采用孔内电磁法对管线的埋深和平面分布范围进行探测，具体操作如下：

在地表探测点处利用水冲成孔，成孔深度不小于探测深度的1.2倍。水冲成孔后，在孔内放置电磁感应线圈(线圈的法线方向为竖直方向)，从孔底按0.1米点距进行探测，直至管口，每点记录线圈产生的电磁感应电动势，形成电磁感应电动势随深度变化的曲线，感应电动势最大V_0max处即对应探测管线的埋深，并利用曲线上感应电动势等于80％V_0max的两个点之间的距离估算探测孔与探测管线之间的距离。

但在实际探测过程中，测点间距一般为0.1m，感应电动势最大值V_0max在读取过程中存在误差，导致管线的实际埋深位置存在约5cm的误差；同时因V_0max读取的误差会引起80％V_0max的拾取过程存在误差的累积。

因此，通过上述方法获得的管线与探测孔的距离不够精确，同时探测孔与探测管线的方位关系无法判定。

发明内容

本申请通过提供一种地下管线探测装置及方法，解决了现有技术中因感应电动势读取存在误差导致测算距离存在误差的问题，获得更精确的管线位置。

本申请实施例提供了一种地下管线探测装置，包括：

固定轴，所述固定轴上沿轴向设置有指向线；

线圈组，所述线圈组包括五个线圈，五个所述线圈从上至下依次等距间隔连接于所述固定轴，五个所述线圈的法线与所述指向线位于同一竖直面，第一所述线圈和第五所述线圈的法线方向倾斜于竖直方向，其余的所述线圈的法线方向与竖直方向平行；

测量装置，所述测量装置分别与五个所述线圈连接，所述测量装置用以同时测量五个所述线圈的感应电动势。

上述实施例的有益效果在于：该探测装置通过一套分离式喇叭形接收线圈，解决了竖向电磁剖面法无法确定管线方位的难题，同时可以获得更精确的管线埋深及与测试孔的相对距离。

在上述实施例基础上，本申请可进一步改进，具体如下：

在本申请其中一个实施例中，线圈内部的磁芯的相对磁导率均为u，线圈的匝数均为N。各线圈参数保持一致，方便后续计算并获取管线埋深及与测试孔的相对距离。

在本申请其中一个实施例中，第一所述线圈的法线方向与竖直方向夹角为45°，第五所述线圈的法线方向与竖直方向夹角为-45°。第一线圈和第五线圈成对称性关系，二者综合探测，抗干扰能力更强。

本申请实施例提供了一种基于上述地下管线探测装置的探测方法，包括以下步骤：

S1:将所述线圈组放入探测孔内并缓慢向下移动，至第三所述线圈位于其感应电动势最大值处；

S2:旋转固定轴，至第一所述线圈、第五所述线圈的感应电动势最大；

S3:将所述线圈组整体上移一段距离，获取第二、第三、第四所述线圈的感应电动势，并据此测算管线的埋深及管线与探测孔之间的距离。

上述实施例的有益效果在于：通过上述方法可以降低感应电动势的误差对推算管线的埋深及管线与探测孔之间的距离的影响，从而获得更精确的管线埋深及管线与探测孔之间的距离。

在上述实施例基础上，本申请可进一步改进，具体如下：

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S1具体为：将所述线圈组放入探测孔内并缓慢向下移动至底部，同时观测第三所述线圈的感应电动势变化，初步确定感应电动势最大值的位置，再上下移动所述线圈组，至第三所述线圈位于其感应电动势最大值处。感应电动势最大值的位置，即管线的大致埋深，该步用以初步确定管线位置，方便后续计算。

在本申请其中一个实施例中，所述探测孔通过水冲成孔法形成，减少对管线的影响。

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S2中，所述第一所述线圈、第五所述线圈的感应电动势最大时，所述固定轴上的所述指向线所对应的方位就是所述管线相对于所述探测孔的方位。这两个线圈形成的张口方向即指向管线的方位，即固定轴上指向线所对应的方位就是管线相对于探测孔的方位。

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S3中，所述线圈组整体上移的距离小于等于相邻所述线圈间距的一半。线圈组接近管线时所获得的感应电动势较大，感应电动势获取误差较小，从而获得更精确的管线埋深及管线与探测孔之间的距离。

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S3中，所述管线的埋深及管线与测试孔之间的距离推算方式如下：

获取的第二、第三、第四所述线圈的感应电动势为V_q、V_p、V_r，设定第三所述线圈与所述管线高度差为x，所述管线至探测孔的距离为r₀，则：

其中，a为相邻所述线圈间距，所述管线的埋深为第三所述线圈至地面的距离和第三所述线圈与所述管线高度差x的和。第三线圈至地面的距离可通过在固定轴上标识刻度来直接读取或通过人工测定。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.该探测装置及探测方法通过一套分离式喇叭形接收线圈，可以确定管线方位的同时，可以获得更精确的管线埋深及与测试孔的相对距离。

2.该探测装置的第一线圈和第五线圈成对称性关系，二者综合探测，抗干扰能力更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本探测装置的结构示意图；

图2为本探测方法的步骤流程图；

图3为实施例中管线方位确定原理示意图；

图4为实施例中管线埋深及与测试孔的相对距离推算原理示意图。

其中，1.固定轴、2.线圈组、3.测量装置。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“外周面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本申请实施例通过提供一种地下管线探测装置及方法，解决了现有技术中因感应电动势读取存在误差导致测算距离存在误差的问题，获得更精确的管线位置。

本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

实施例1：

如图1所示，一种地下管线探测装置，包括：固定轴1、线圈组2和测量装置3。固定轴上沿轴向设置有指向线；线圈组包括五个线圈S、Q、P、R、T，线圈内部的磁芯的相对磁导率均为u，线圈的匝数均为N，五个线圈依次等距间隔连接于固定轴，五个线圈的法线与指向线位于同一竖直面，线圈S的法线方向与竖直方向夹角为45°，线圈T的法线方向与竖直方向夹角为-45°，其余的线圈的法线方向与竖直方向平行；测量装置分别与五个线圈连接，测量装置用以同时测量五个线圈的感应电动势。

实施例2：

如图2所示，一种地下管线探测方法，采用实施例1所述的探测装置，包括以下步骤：

S1:将线圈组放入探测孔内并缓慢向下移动，至线圈位于其感应电动势最大值处。

具体为：通过水冲成孔法在管线附件形成探测孔，将线圈组放入探测孔内并缓慢向下移动，观测线圈P的感应电动势变化，初步确定感应电动势最大值的位置，即管线的大致埋深，上下移动线圈组，至线圈P位于其感应电动势最大值处。

S2:旋转固定轴，至线圈S、线圈T的感应电动势最大。

线圈S、线圈T的感应电动势最大时，固定轴上的指向线所对应的方位就是管线相对于探测孔的方位。五个线圈的法线与指向线位于同一竖直面，则线圈S、线圈T形成的张口方向即指向管线的方位，即固定轴上指向线所对应的方位就是管线相对于探测孔的方位。理由如下：

如图3所示，单独以线圈S作为研究对象，通电管线为O，设OS与管线O水平方向的夹角为θ，对于拟探测的金属管线来说，当线圈S指向通电管线时，线圈S上产生的感应电动势的幅值为：

将r₀＝r_scosθ带入上式中得：

当线圈P自上而下探测过程中，当其接收到的感应电动势最大时线圈P与通电导线埋深相当，此时旋转固定轴，S线圈绕固定轴旋转过程中，设旋转角为α，当线圈指向导线时(即α＝0°)，感应电动势为最大值V_S1：

当α在(0,90°)区间内，感应电动势随角度的增大逐渐变小，当α＝90°时，线圈与磁场方向平行，感应电动势V_S2＝0；当α在(90,180°)区间内，感应电动势随角度的增大逐渐变大，当α＝180°，即线圈背离导线时，感应电动势为：

当α在(180,270°)角度区间内，感应电动势随角度的增大逐渐变小，当α＝270°，线圈与磁场方向平行，感应电动势V_S4＝0，当α在(270,360°)角度区间内，感应电动势随角度的增大逐渐增大至V_S1。当45°＞θ＞0时，V_S1＞V_S3，所以当线圈S指向导线时(α＝0°)，感应电动势显示为最大值。另外，下方线圈T与线圈S成对称性关系，二者原理相同。

S3:将线圈组整体上移一段距离，获取线圈Q、P、R的感应电动势，并据此测算管线的埋深及管线与探测孔之间的距离。

优选的，线圈组整体上移距离小于等于相邻线圈间距a的一半。

管线的埋深及管线与测试孔之间的距离推算方式如下：

如图4所示，获取的线圈Q、P、R的感应电动势为V_q、V_p、V_r，设定线圈P与管线高度差为x，管线至探测孔的距离为r₀，线圈Q、P、R与水平面之间的夹角分别为θ_q、θ_p、θ_r，管线中心点O距线圈Q、P、R的距离分别为r_q、r_p、r_r，由此建立如下方程式：

式中u为磁芯的相对磁导率；u₀为真空磁导率；N为线圈的匝数；S为线圈面积；I₀为交变电流峰值，ω为角频率，θ_q、θ_p、θ_r同时也等于磁场强度方向与线圈法线方向的夹角。

由上式可得：

则：

其中，管线的埋深为线圈P至地面的距离和线圈P与管线高度差x的和。线圈P至地面的距离可通过在固定轴上标识刻度来直接读取或通过人工测定。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1.该探测装置及探测方法通过一套分离式喇叭形接收线圈，可以确定管线方位的同时，可以获得更精确的管线埋深及与测试孔的相对距离。

2.该探测装置的线圈S和线圈T成对称性关系，二者综合探测，抗干扰能力更强。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种地下管线探测装置，其特征在于，包括：

固定轴，所述固定轴上沿轴向设置有指向线；

线圈组，所述线圈组包括五个线圈，五个所述线圈从上至下依次等距间隔连接于所述固定轴，五个所述线圈的法线与所述指向线位于同一竖直面，第一所述线圈和第五所述线圈的法线方向倾斜于竖直方向，其余的所述线圈的法线方向与竖直方向平行；

测量装置，所述测量装置分别与五个所述线圈连接，所述测量装置用以同时测量五个所述线圈的感应电动势。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：五个所述线圈内部的磁芯的相对磁导率相同，五个所述线圈的匝数相同。

3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：第一所述线圈的法线方向与竖直方向夹角为45°，第五所述线圈的法线方向与竖直方向夹角为-45°。

4.一种采用如权利要求1-3任一所述探测装置的探测方法，包括以下步骤：

S1:将所述线圈组放入探测孔内并缓慢向下移动，至第三所述线圈位于其感应电动势最大值处；

S2:旋转固定轴，至第一所述线圈、第五所述线圈的感应电动势最大；

S3:将所述线圈组整体上移一段距离，获取第二、第三、第四所述线圈的感应电动势，并据此测算管线的埋深及管线与探测孔之间的距离。

5.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：将所述线圈组放入探测孔内并缓慢向下移动至底部，同时观测第三所述线圈的感应电动势变化，初步确定感应电动势最大值的位置，再上下移动所述线圈组，至第三所述线圈位于其感应电动势最大值处。

6.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于：所述探测孔通过水冲成孔法形成。

7.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述第一所述线圈、第五所述线圈的感应电动势最大时，所述固定轴上的所述指向线所对应的方位就是所述管线相对于所述探测孔的方位。

8.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述线圈组整体上移的距离小于等于相邻所述线圈间距的一半。

9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述管线的埋深及管线与测试孔之间的距离推算方式如下：

获取的第二、第三、第四所述线圈的感应电动势为V_q、V_p、V_r，设定第三所述线圈与所述管线高度差为x，所述管线至探测孔的距离为r₀，则：

其中，a为相邻所述线圈间距，所述管线的埋深为第三所述线圈至地面的距离和第三所述线圈与所述管线高度差x的和。

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