一种下水管道堵塞检测方法与流程

本发明涉及一种下水管道堵塞检测领域，尤其涉及一种不方便拆卸下水管道堵塞的检测方法，此方法能快速准确找到管道堵塞位置。

背景技术：

随着我国经济建设的高速发展，对各种运输管道的需求越来越大，管道运输是继传统的公路、铁路、空运、水运方式之后出现的第五种运输方式。随着城市地下管道的建设和发展，其作为城市基础设施的重要组成部分，担负着城市的能源输送、排涝减灾、废物排弃等功能，因此，城市地下管道的正常、可靠使用及运行对城市具有重大的意义。

目前，伴随着地下管道迅猛发展的同时，下水管道管理问题也越来越多，而由于地下管道堵塞所引发的城市内涝、停水断电等问题也给城市居民带来了极大的影响。目前地下管道的维护保养主要依靠管网维护人员的经验进行定期检查和维护，并采用人工检测的方法来检测下水管道是否发生堵塞，这不仅耗费了大量的人力，而且检测效率极低，从而不能满足现代城市的发展需求。管道测堵器是在管道铺设后用于检测管道是否通畅的检测设备，一般包括信号发射装置和信号接收装置，信号接收装置通过根据接收到的信号强弱来判断管道的堵塞位置。但是现有技术中的接收装置缺少直观显示，大多数通过声音对信号强弱进行判断，当外界环境由于施工噪音较大时，使用者通常无法准确判断声音的大小，进而很难准确判断管道被堵塞的具体位置。随着科学技术的发展，国内外比较常用的检测技术还有超声波检测法、管内摄像法、预埋压力传感器检测、地面三维激光扫描等方法。

本发明采用外加交变电流使得产生交变磁场b0，设备在管道上移动，当管道堵塞物受到交变磁场作用进而产生涡流，涡流产生二次磁场δb，此时接收线圈接收到的磁场是自身的磁场与涡流产生的磁场b0+δb，通过计算对比就可以计算出涡流产生磁场δb，由此可以推测出堵塞的具体位置。不必提前铺设管道检测设备、减小开支、节省预算、速度快、精度高、工作量小等优点。

技术实现要素：

针对目前市场上现有检测方法的局限性，本发明的目的在于提供了一种结构简单，算法简洁并解决在疏通过程中不能准确定位到下水管道堵塞位置的检测方法。本发明能够准确找到下水管道被堵塞位置，现场测试，不需要提前布置一些传感设备，降低工程成本、后期检测便捷、高效、操作简单，信息丰富的特点，用于高精准检测下水管道堵塞的方法。

本发明提供了一种下水管道堵塞检测方法，该方法主要包括：激励线圈，接收线圈，正弦信号源，功率放大模块，差分放大模块，基线信号调零模块，锁相放大模块，a/d转换模块，系统控制模块，笔记本电脑。其基本原理就是：当被测管道置于交变磁场b0中，由于堵塞物受到交变磁场的影响会在其附近产生涡流磁场δb，而堵塞物的导电率σ会干扰到涡流磁场进而对原交变磁场b0扰动，接收线圈接收到磁场b0+δb的变化量来间接地反映研究区域堵塞物的电导率σ，由通过适当的重建算法进行图像重建来反映目标管道内堵塞情况。

本发明通过以下方步骤实现：

步骤一、外加正弦波信号激励通过功率放大器使得激励线圈产生激励磁场b0；

步骤二、在激励磁场b0的作用下被测管道堵塞物附近产生涡流效应，产生磁场δb，此时接收线圈将接收到磁场强度为b0+δb。再根据麦克斯韦方程组推导出电磁场与电流的关系控制方程，并利用积分进行数值计算；

步骤三、计算研究区域接收线圈的电压v和电导率σ；

步骤四、通过电脑计算并显示管道堵塞的具体位置。

附图说明

图1磁场矢量关系示意图；

图2管道检测示意图；

图3管道检测系统示意图；

具体实施方式

首先激励线圈加载正弦交流电信号，激励线圈与接收线圈的距离很近，在激励频率相同的情况下，接收线圈检测到的感应信号很强，涡流电场e可以表示为：

e＝-jwa-▽φ(1.1)

其中w是角频率，a表示磁矢位，φ表示标量电位。

从(1.1)可以看出涡流电场有2种来源：(1)随时间变化的磁场产生电场；(2)介质表面轮廓和体积的变化也能产生电场。磁矢位a由两个分量构成，激励线圈产生的主激励磁场磁矢位ap和涡流电场产生的二次磁场as根据下列三个方程：

可以得到：▽·(j+jwεe)＝0(1.5)

上式中的jwεe为位移电流密度，将欧姆定律的微分形式：j＝σ·e以及(1.1)代入(1.5)可以得到：

▽[(σ+jωε)▽φ]＝jωa·▽σ(σ+jωε)r(1.6)

根据介质表面电流的外法线方向n分量为零的条件，

即：e＝-jωa-▽φ的n的分量为零，可以得到式(1.6)的边界条件：

为了简化问题：(1)没有被测物时主磁场产生的磁矢位ap与磁矢位a相等；(2)不考虑位移电流。根据以上(1)、(2)，将磁矢位a用ap代替；式(1.7)和式(1.6)简化为如下两个等式，标量φ可以通过求解下面的差分方程得到：

上面两式中的φ可以分解为实部和虚部两部分，分别用φr、φi表示：

实部的方程：

虚部方程组：

由实部方程组可以看出：φr＝0，所以标量φ只有虚部分量。

故涡流电场可以表示为：e＝-j(ωap-▽φ)(2.4)

介质中的感应电流密度ji即为σe。

接收线圈中的磁感应信号强度分为两部分：一部分是激励线圈中的激励电流产生的磁感应强度bp，另一部分是被测物体中的涡流产生的二次扰动磁场强度bs。即接收线圈磁场强度b＝bp+bs，bp基本是固定的，接收线圈中的磁感应强度的变化等于bs的变化，即b＝bs。根据毕奥--萨伐尔定律：

式中r是源点到被测物中任意一点的矢量。确定接收线圈磁感应强度的变化▽bs与物体电导率变化▽σ的关系，当物体电导率分别为σ何σ0时，磁感应强度分别是bs和bs0，以φ0+δφ，σ0+▽σ代替式(2.5)中的φ和σ，得到：

将上式代入δbs＝bs-bso，忽略上式中最后一项二阶微分变量，并用代替▽(▽φ)，可得如下δbs与电导率变化δσ的对应关系：

上式描述了被测物电导率变化与接收线圈中磁场变化的联系，在实际的测量中，检测系统获取接收线圈中感应电动势是变化的，所以还需要推导出接收线圈磁感应电动势的变化与电导率变化间的关系。根据磁场的互易定理，接收线圈的磁通量为：

式中：ir为接收线圈中的互易电流，ar为ir产生的磁位，j包含激励电流密度jr、感应电流密度ji,it为激励线圈的电流；根据电磁感应定理v＝-jw·φ且at为激励线圈磁场，得到接收线圈的感应电压为：

接收线圈采用的是差分式检测结构，即两个线圈的同名端相对，接收线圈与激励线圈的距离相同且绕线方向相反，这样两个接收线圈检测到的主磁场的感应信号相同且反向，输出信号就不包含主磁场的感应分量，此时接收线圈输出电压为：

其中：ar1、ar2分别为两个接收线圈互易电流产生的磁位，ir1、ir2分别为两个接收线圈中的互易电流，同理，根据δbs和δσ的推导过程可以得到被测物体电导率与接收线圈电压的关系：

当激励线圈上加载了正弦波信号后经过放大器使得激励线圈产生交变磁场，当磁场通过被测管道中的堵塞物时，堵塞物及管道附近产生涡流，此涡流产生的二次磁场反作用于主磁场，通过检测磁场发生的变化，接收线圈检测到磁通量变化再由差分放大器和锁相放大器对其进行放大，再通过a/d转换器使信息电流传输到计算机，通过计算得到管道的电导率分布；根据电导率变化的情况来判断管道是否发生堵塞。