一种近间距油气集输管线定位探测系统的制作方法

本实用新型涉及一种油气集输管线定位探测系统，尤其涉及一种近间距油气集输管线定位探测系统。

背景技术：

随着地下空间资源的日益紧张，在地下管线建设管理、管线维护和更换工程中，准确探测已有地下管网的管道位置与形状走向，开展非开挖施工条件下地下管线的探测技术和设备的研究开发具有重要的使用价值和经济价值。尤其是对于油气集输管道，由于结垢、腐蚀、冲刷磨损等多种原因需要对油气集输管线和设备进行定期的管线维护和更换工程，但由于已有油气集输管线施工的历史原因，不同程度存在着注水管线、油品管线、气集管线等集输管线交错埋设，原有施工埋设不规范、时间跨度大，地质条件复杂，地下管网资料缺失等现象，极大地影响了油气集输管线维护、更换工程的施工进程，甚至给油气集输管线的维护施工带来极大的安全隐患，因此对地下油气集输管线的管道位置与形状走向等资料信息的探测技术和设备的研究具有迫切的实用性与重要性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种近间距油气集输管线定位探测系统，在油气集输管线清洗、解堵等维护和敷设工程中可以准确判定已有油气集输管线的管道走向位置，并能够确定、标定区分多条近间距复杂油气集输管线中的某一条管线的来源及走向，以保证对需要维护的集输管线进行准确的维护施工，最大程度的保证施工安全，防止错误施工带来的环境污染、人身设备等恶性事故的发生。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种近间距油气集输管线定位探测系统，包括信号发射装置、探测接收装置、夹钳式发射探头和夹钳式接收探头；夹钳式发射探头通过电缆与信号发射装置的控制箱相连，夹钳式接收探头通过电缆与探测接收装置的控制箱相连，被测油气管线穿入夹钳式发射探头和夹钳式接收探头中。

所述的信号发射装置包括主控制器；所述的主控制器上交互连接有信号发生器、信号调理模块、功率放大电路、触摸显示屏和电源转换模块，主控制器上还连接有频率及配谐电容选择电路，频率及配谐电容选择电路还与夹钳式发射探头和功率放大电路连接，被测油气管线穿入夹钳式发射探头中，电源转换模块上连接有蓄电池及充电控制电路，蓄电池及充电控制电路上输入有外部交流220V电源或者直接使用蓄电池。

所述的信号发射装置还包括声光报警电路，声光报警电路与主控制器相连。

所述的主控制器采用STC15W4K单片机作为控制核心，STC15W4K单片机包括内部集成复位电路，4组独立的高速异步串行通信接口，8路高速10位A/D和6通道的15位高精度PWM；信号发生器为DDS信号发生器；信号调理模块，用于将信号发生器输出的信号进行信号整形、放大，以便与功率放大电路相适应，功率放大电路采用变压器耦合式功放电路，变压器采用一个初级绕组、四个次级绕组的多绕组环形铁心结构；频率及配谐电容选择电路，用于保证激发信号的频率和夹钳式发射探头的谐振频率相一致，使配谐电容和发射线圈处于串联谐振状态；触摸显示屏电阻式触摸显示屏。

所述的DDS信号发生器为可编程波形发生器AD9833。

所述的探测接收装置包括主控制器；主控制器上交互连接有电源转换模块、信号处理电路、触摸显示屏和声光指示电路；所述的主控制器上还连接有配谐及前置放大电路，配谐及前置放大电路还与信号处理电路相连，电源转换模块上连接有锂电池及充电控制电路。

所述的信号处理电路包括真有效值转换电路、带通滤波电路以及程控放大电路，真有效值转换电路与主控制器上的A/D转换电路相连，带通滤波电路以及程控放大电路与主控制器相连，配谐及前置放大电路与程控放大电路相连。

所述的主控制器采用STC15W4K单片机作为控制核心，STC15W4K单片机包括内部集成复位电路，4组独立的高速异步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM；程控放大电路采用程控放大器；带通滤波电路采用MAX262开关电容滤波器；真有效值转换电路采用真有效值转换芯片AD637；触摸显示屏为电阻式触摸显示屏；主控制器和触摸显示屏采用串口通讯。

所述的程控放大器采用双通道压控增益放大器AD605和12位电压输出型数模转换器TLV5618。

所述的夹钳式发射探头采用高导磁率的非晶合金作为发射线圈的磁芯；夹钳式接收探头采用高导磁率的非晶合金作为接收线圈的磁芯；其中，磁芯为环形磁芯。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的近间距油气集输管线定位探测系统，采用电磁感应原理进行油气集输管线定位探测，是一种安全无损检测方法。探测对象是具有一定导电性的地下管线。它采用专门的信号发射装置，通过夹钳耦合法利用夹钳内的磁芯和线圈作为初级激励绕组，来形成环绕待测管线的一定频率的电磁场信号，这个由交流信号产生的交变磁场在管线方向上产生感应电动势，根据管线的导电性及综合阻抗，产生相应的感生电流，该感应电流在管线周围激发二次电磁场，这样通过探测接收装置来测量二次电磁场的强度和分布，从而确定待测管线的路由走向、平面位置和埋深。这种方法的特点是探测定位精度高、抗干扰能力强、适用范围广、探测距离远、易分辨相邻管线，工作方法安全可靠。

同时，探测接收装置采用高导磁率的非晶合金作为接收线圈的磁芯，采用配谐电容技术，带通滤波选频电路，极大地提高了接收信号的识别能力和定位准确度。

本实用新型提供的近间距油气集输管线定位探测系统，在油气集输管线清洗、解堵等维护和敷设工程中可以准确判定既有油气集输管线的管道走向位置，并能够确定、标定区分多条近间距复杂油气集输管线中的某一条管线的来源及走向，以保证对需要维护的集输管线进行准确的维护施工，最大程度的保证施工安全，防止错误施工带来的环境污染、人身设备等恶性事故的发生。

附图说明

图1是本实用新型的系统总体结构示意图；

图2是信号发射装置的原理框图；

图3是探测接收装置的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图1至图3，一种近间距油气集输管线定位探测系统，包括信号发射装置、探测接收装置、夹钳式发射探头和夹钳式接收探头；夹钳式发射探头通过电缆与信号发射装置的控制箱相连，夹钳式接收探头通过电缆与探测接收装置的控制箱相连，被测油气管线穿入夹钳式发射探头和夹钳式接收探头中。所述的夹钳式发射探头采用高导磁率的非晶合金作为发射线圈的磁芯；夹钳式接收探头采用高导磁率的非晶合金作为接收线圈的磁芯；其中，磁芯为环形磁芯。

其中，所述的信号发射装置包括主控制器；所述的主控制器上交互连接有信号发生器、信号调理模块、功率放大电路、触摸显示屏和电源转换模块，主控制器上还连接有频率及配谐电容选择电路，频率及配谐电容选择电路还与夹钳式发射探头和功率放大电路连接，被测油气管线穿入夹钳式发射探头中，电源转换模块上连接有蓄电池及充电控制电路，蓄电池及充电控制电路上输入有外部交流220V电源或者直接使用蓄电池；所述的信号发射装置还包括声光报警电路，声光报警电路与主控制器相连。所述的探测接收装置包括主控制器；主控制器上交互连接有电源转换模块、信号处理电路、触摸显示屏和声光指示电路；所述的主控制器上还连接有配谐及前置放大电路，配谐及前置放大电路还与信号处理电路相连，电源转换模块上连接有锂电池及充电控制电路；所述的信号处理电路包括真有效值转换电路、带通滤波电路以及程控放大电路，真有效值转换电路与主控制器上的A/D转换电路相连，带通滤波电路以及程控放大电路与主控制器相连，配谐及前置放大电路与程控放大电路相连。

具体的，所述的主控制器采用STC15W4K单片机作为控制核心，STC15W4K单片机包括内部集成复位电路，4组独立的高速异步串行通信接口，8路高速10位A/D和6通道的15位高精度PWM；信号发生器为DDS信号发生器；信号调理模块，用于将信号发生器输出的信号进行信号整形、放大，以便与功率放大电路相适应，功率放大电路采用变压器耦合式功放电路，变压器采用一个初级绕组、四个次级绕组的多绕组环形铁心结构；频率及配谐电容选择电路，用于保证激发信号的频率和夹钳式发射探头的谐振频率相一致，使配谐电容和发射线圈处于串联谐振状态；触摸显示屏电阻式触摸显示屏。其中，所述的DDS信号发生器为可编程波形发生器AD9833。

所述的主控制器采用STC15W4K单片机作为控制核心，STC15W4K单片机包括内部集成复位电路，4组独立的高速异步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM；程控放大电路采用程控放大器；带通滤波电路采用MAX262开关电容滤波器；真有效值转换电路采用真有效值转换芯片AD637；触摸显示屏为电阻式触摸显示屏；主控制器和触摸显示屏采用串口通讯；所述的程控放大器采用双通道压控增益放大器AD605和12位电压输出型数模转换器TLV5618。

具体的，近间距油气集输管线定位探测系统，包括信号发射装置、探测接收装置两部分；信号发射装置需与探测接收装置配合使用。本系统采用夹钳耦合模式给被测管线施加一定频率的交流激发信号，从而在被测油气集输管线周围建立交变磁场，管线在交变磁场的激励下，从而形成交变感应电流，感应电流沿管线走向进行传播并在管线周围形成交变磁场，此场即二次场，这样通过在接收端测试二次场的变化可以来探测、确定管线的路由走向、平面位置和埋深。

(一)信号发射装置：

信号发射装置包括电源转换模块、主控制器及信号发生器和触摸显示屏以及与该装置配合使用的夹钳式发射探头。其中输入电源使用外部交流220V电源或者直接使用蓄电池，经电源转换模块变换为信号发射装置所需的各种电源；主控制器包括主控制器CPU，信号发生器包括DDS信号发生器，以及功率放大电路；触摸显示屏采用电阻式触摸显示屏，用于选择发射信号频率和设置发射功率；夹钳式发射探头通过电缆与信号发射装置的控制箱相联。所述信号发射装置具有阻抗匹配功能，具有多种发射频率和发射功率调节功能。信号发射装置的原理框图如图2所示；具体包括以下部件：

1.主控制器：信号发射装置采用高速、低功耗、超强抗干扰的STC15W4K单片机作为控制核心，它具有丰富的内部资源和外部接口电路，包括内部集成专用复位电路，4组独立的高速异步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM，便于实现电源监测、激发信号控制、触摸显示屏等外部模块的控制功能。

2.DDS信号发生器：在油气集输管线定位探测系统中，为满足不同管径、不同距离以及多金属管线交叉情况下目标金属管线的定位探测的需要，选用低功耗、可编程波形发生器AD9833产生四种400Hz、8kHz、30kHz、80kHz不同频率的信号作为激发信号，以便用户根据不同地质和环境条件下选择使用。

3.信号调理模块及功率放大电路：信号调理模块的主要功能是将可编程波形发生器输出的信号进行信号整形、放大，以便与功率放大电路相适应。功率放大电路采用变压器耦合式功放电路。为满足不同地质和环境条件下目标管线定位探测不同激发功率的实际需要，变压器采用一个初级绕组、四个次级绕组的多绕组环形铁心结构。信号调理模块的输出信号连接到变压器的初级绕组，从而在变压器的四组次级绕组上分别产生四组不同电压的激励信号。这四组不同电压、不同功率的激励信号分别连接四个双刀双掷继电器的输出触点，这样通过单片机选择控制继电器的通断，从而选通不同绕组输出的激励信号施加到后续的夹钳式发射探头，从而实现功率放大、阻抗变换及负载匹配，功率选择等功能。

4.频率及配谐电容选择电路：频率及配谐电容选择电路的主要功能是保证激发信号的频率和夹钳式发射探头的谐振频率相一致，使配谐电容和发射线圈处于串联谐振状态，此时谐振回路阻抗最小，电流最大，以提高电磁转换效率，降低系统功耗和实现最大功率发射。谐振电容的容值由公式根据激励信号的频率和夹钳式发射探头的电感量来计算和测试确定，最后利用单片机控制继电器来完成不同激励信号频率下谐振电容的选通，实现信号发射装置的负载近似为纯阻性负载，利用功放变压器完成阻抗变换及负载匹配，实现夹钳式发射探头的谐振功率传输和发射。

5.触摸显示屏：信号发射装置的人机接口采用工业级串口电阻式触摸显示屏，主控制器和触摸显示屏采用串口通讯，智能的显示界面和布局以及逻辑控制功能采用底层软件开发制作，信号发射频率和发射功率均可以通过用户在触摸显示屏直接操作预先封装好的功能控件来实现。这样既可以降低主控制器对液晶模块界面驱动的额外负担和速度瓶颈，又可以支持触摸屏操作，轻松实现可视化的动态界面。

(二)探测接收装置

探测接收装置包括电源转换模块、主控制器、信号处理电路及触摸显示屏以及与该装置配合使用的夹钳式接收探头。探测接收装置采用锂电池供电，经电源转换模块变换为探测接收装置所需的各种电源；主控制器及信号处理电路包括主控制器CPU和信号放大、带通滤波，声光报警等电路；触摸显示屏采用电阻式触摸显示屏，用于显示定位信号、接收信号的强度以及与接收信号的相关程度；夹钳式接收探头通过电缆与探测接收装置相连。探测接收装置的原理框图如图3所示；

1.主控制器：探测接收装置采用高速、低功耗、超强抗干扰的宏晶科技的STC15W4K单片机作为控制核心，它具有丰富的内部资源和外部接口电路，包括内部集成专用复位电路，4组独立的高速异步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM，便于实现电源监测、程控放大控制、带通滤波中心频率选择和A/D转换等外部接口电路的控制功能。

2.配谐及前置放大电路：在油气集输管线定位探测系统中，由于二次场信号相对较弱，因此采用高导磁率的非晶合金作为夹钳式接收探头的接收线圈的磁芯。另外为提高接收信号的识别能力和定位准确度，利用单片机控制CMOS单向模拟开关，形成与信号发射装置的激励信号频率一致的选频电路，选择与接受线圈电感量相适应的配谐电容，组成LC谐振型的选频电路，最大程度的提高有效信号的接收利用率，抑制电源噪声及其他干扰信号。前置放大电路采用低噪声仪表放大器INA118，经过LC选频和放大后，前放增益可达20db。

3.程控放大电路：为在整个测量范围内获得合适的分辨率，增大系统的测量范围，系统采用程控放大器对信号进行进一步放大处理。程控放大器选用低噪声的双通道压控增益放大器AD605和12位电压输出型数模转换器TLV5618，数模转换器的参考电压为+2.5V。单片机根据A/D转换后的结果来判断接收信号幅度的大小，去控制数模转换器TLV5618的输出电压，进而控制压控增益放大器AD605的大小，从而实现接收增益的自动调节。

4.带通滤波电路：由于接收到的信号中难免夹杂一些噪声，为了滤除这些噪声信号，采用MAX262开关电容滤波器来实现多频点带通滤波，以便抑制其余频率的干扰信号。在探测接收装置，为了实现不同中心频率点的带通滤波，我们将系统时钟通过分频得到带通滤波器的中心频率，同时单片机在程序控制下设置开关电容滤波器的品质因数和滤波器工作方式，从而实现双二阶通用开关电容有源带通滤波器。

5.真有效值转换电路。带通滤波后的信号仍为交流信号，为便于单片机模数转换，采用真有效值转换芯片AD637将此交流信号转换成反映其有效值大小的直流信号。

6.触摸显示屏：探测接收装置的人机接口采用工业级串口电阻式触摸显示屏，主控制器和触摸显示屏采用串口通讯。用户在使用时需要在触摸显示屏上选择接收信号的频率，这样接收信号的大小、接收信号的强度以及与接收信号的相关程度和主频会实时显示到显示屏上，同时也可通过音调变化直观地反映测量的信号大小。另外探测接收装置的显示屏上会直观显示电量大小，当电量低到保护值时会发出报警并自动关机。

本实用新型提供的近间距油气集输管线定位探测系统，采用电磁感应原理进行油气集输管线定位探测，是一种安全无损检测方法。探测对象是具有一定导电性的地下管线。它采用专门的信号发射装置，通过夹钳耦合法利用夹钳内的环形磁芯和线圈作为初级激励绕组，来形成环绕待测管线的一定频率的电磁场信号，这个由交流信号产生的交变磁场在管线方向上产生感应电动势，根据管线的导电性及综合阻抗，产生相应的感生电流，该感应电流在管线周围激发二次电磁场，这样通过探测接收装置来测量二次电磁场的强度和分布，从而确定待测管线的路由走向、平面位置和埋深。这种方法的特点是探测定位精度高、抗干扰能力强、适用范围广、探测距离远、易分辨相邻管线，工作方法安全可靠。

同时，探测接收装置采用高导磁率的非晶合金作为接收线圈的磁芯，采用配谐电容技术，带通滤波选频电路，极大地提高了接收信号的识别能力和定位准确度。

本实用新型提供的近间距油气集输管线定位探测系统，在油气集输管线清洗、解堵等维护和敷设工程中可以准确判定既有油气集输管线的管道走向位置，并能够确定、标定区分多条近间距复杂油气集输管线中的某一条管线的来源及走向，以保证对需要维护的集输管线进行准确的维护施工，最大程度的保证施工安全，防止错误施工带来的环境污染、人身设备等恶性事故的发生。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。