专利名称：一种地下金属管线加载电流的地面测量方法
技术领域：
本发明涉及的是一种地下金属管线加载电流的地面测量方法，属于电子测量仪器技术领域。
背景技术：
在地下金属管线探测中，需用发射机向地下金属管线上加载一交流信号，在管线周围便会产生交变磁场，在地面上探测该磁场强度及相位可知地下金属管线的走向及埋深；所加载的电流值与所加交流信号的电压、当地土质的导电性、地下金属管线的防腐层的好坏等有关；对于一根地下金属管线，其管线加载的总电流值随着防腐层破损点的增加而增加；而在这根管线上不同地点的电流值可能是不同的，在管线离开发射机的过程中，每经过一个防腐层破损点其电流就下降一点，电流下降幅度越大，其防腐层破损程度就越严重；此外，在目标管线附近如有其他金属管线存在，则会通过电磁感应在其他管线上产生感应电流及交变磁场，对使用测量磁场强度及相位方法探测的结果带来影响，严重时无法区分出目标管线。
在地下金属管线探测过程中，在地面上测量地下金属管线所加载的电流值，除了可测出地下金属管线的防腐层损坏情况外，还可探明地下金属管线的分支情况及方便从多根金属管线中查找出目标管线。这是因为各分支管线上的电流之和等于总管线上的电流，其他管线上感应的电流总小于目标管线上的电流。
地下金属管线加载电流的地面测量方法目前尚未有公开报道。
发明内容
本发明提出一种用于地下金属管线加载电流的地面测量方法，该方法需用一个发射机及一个接收机。
本发明的技术解决方案
其特征是它分步骤1、使用发射机向地下管线上加载一定频率的交流信号；步骤2、用峰值法或零值法确定地下金属管线的正上方位置；步骤3、在地下金属管线正上方的地面上同时用相隔一定距离的上、下两个线圈测量金属管线产生的交变磁场的磁场强度，并转换为相应的二路交流电压信号；步骤4、上述二路交流电压信号分别经第一、第二前置放大器、第一、第二开关电容选频放大器、第一、第二检波电路、第一、第二信号调理电路后得到相应的二个直流电压信号；步骤5、将二个直流电压信号经模拟量/数字量转换器转换为相应的数字量；步骤6、将第二个转换后的数字量的送除法器，除以二个转换后的数字量间的差，得到的商送第一乘法器乘以上、下线圈间的距离；步骤7、将步骤6所得结果与第二个转换后的数字量一起送第二乘法器相乘，所得积再经第三乘法器乘以常数；步骤8、将步骤7所得结果经数字滤波器进行数字滤波，即可得到地下金属管线上所加载的电流值。
本发明的工作原理是基于当一根足够长的直线型导体上通以一定的电流时，其产生的电磁场强度是以离开导体的距离呈线性减小的。
本发明的优点具有结构简单、测量准确、操作便捷、抗干扰能力强、成本低等优点。
附图1是本发明的结构框图；附图2是发射机的实施例电路图；附图3接收机信号处理的实施例电路图。
图中代号的意义
GD待测地下管线；FSJ发射机；JSJ接收机；L待测地下管线在发射机所加信号下所产生的磁场SXQ上线圈；XXQ下线圈；QZFD1、QZFD2前置放大器；XPFD1、XPFD2开关电容选频放大器；SZDL时钟发生器；JBQ1、JBQ2检波器；TL1、TL2信号调理电路；A/D1、A/D2模拟量/数字量转换器；JNF减法器；CUF除法器；CNF1、CNF2、CNF3乘法器；H上、下线圈之间的距离，取值范围为0.3～0.6米；A常数；LBQ数字滤波器；I计算出的电流值；具体实施方式
一种地下金属管线加载电流的地面测量方法，具体它分步骤1、使用发射机向地下管线上加载一定频率的交流信号；步骤2、用峰值法或零值法确定地下金属管线的正上方位置；步骤3、在地下金属管线正上方的地面上同时用相隔一定距离的上、下两个线圈测量金属管线产生的交变磁场的磁场强度，并转换为相应的二路交流电压信号；步骤4、上述二路交流电压信号分别经第一、第二前置放大器QZFD1、QZFD2，第一、第二开关电容选频放大器XPFD1、XPFD2，第一、第二检波电路JBQ1、JBQ2，第一、第二信号调理电路TL1、TL2后得到相应的二个直流电压信号V1、V2；步骤5、将直流电压信号V1、V2经模拟量/数字量转换器A/D1、A/D2转换为相应的数字量V1’、V2’；步骤6、将数字量V2’送除法器CUF，除以数字量V2’与数字量V1’间的差，得到的商送第一乘法器CNF1乘以上、下线圈SXQ、XXQ间的距离；步骤7、将步骤6所得结果与数字量V2’一起送第二乘法器CNF2相乘，所得积再经第三乘法器CNF3乘以常数A；步骤8、将步骤7所得结果经数字滤波器LBQ进行数字滤波，即可得到地下金属管线上所加载的电流值I。
对照附图，地下金属管线加载电流的地面测量仪分发射机和接收机，其中接收机分信号处理部分和运算处理部分。
所述的接收机信号处理部分由接收线圈、放大器、电阻电容等元件组成，完成测量地下金属管线所产生的交变磁场的磁场强度，并转换为直流电压信号的任务。其中上线圈SXQ与第一前置放大器QZFD1、第一开关电容选频放大器XPFD1、第一检波器JBQ1、第一信号调理电路TL1依次串接，从而得到直流电压信号V1；下线圈XXQ与第二前置放大器QZFD2、第二开关电容选频放大器XPFD2、第二检波器JBQ2、第二信号调理电路TL2依次串接，从而得到直流电压信号V2；时钟发生器SZDL分别与第一、第二开关电容选频放大器XPFD1、XPFD2连接，供给开关电容选频放大器所需的时钟信号。
所述的接收机运算处理部分由一台单片机实现，包含二路模拟量/数字量转换器A/D1、A/D2及全部的减法、乘法、除法运算及数字滤波、常数设置功能，完成将代表地下金属管线所产生的交变磁场的磁场强度信号运算为地下金属管线上所加载的电流值I的任务。二路模拟量/数字量转换器A/D1、A/D2的输入端分别接第一、第二信号调理电路的输出，并将其输出的直流电压V1、V2转换为数字量V1、V2；数字量V1、V2分别接减法器JNF的二个输入端，减法器JNF的输出端与数字量V2分别接除法器CUF的输入端，除法器CUF的输出端与常数H一起接第一乘法器CNF1的二个输入端，第一乘法器CNF1的输出端与数字量V2一起接第二乘法器CNF2的二个输入端，第二乘法器CNF2的输出端与常数A一起接第三乘法器CNF3的二个输入端，第三乘法器CNF3的输出端接数字滤波器LBQ的输入端，在数字滤波器LBQ的输出端上得到最终的地下金属管线上所加载的电流值I。
实施例中的单片机选用INTEL 80C196KC20，其内部包含8路模拟量/数字量转换器，本发明只用其中二个，其转换基准电压定为3.3V；所有的运算处理、常数设置功能由系统软件生成。
对照附图2，发射机包括振荡分频电路、D触发器U13、功率放大管Q1、Q2以及变压器B，其中振荡分频电路的输出端管脚5接D触发器U13的输入端管脚3，D触发器U13的输出端管脚1、2分别接功率放大管Q1、Q2的输入端，率放大管Q1、Q2输出端接变压器B的初级线圈。
振荡分频电路包括电容C30、C31、电阻R50、石英振荡晶体X2、振荡分频集成电路U12组成振荡分频电路，电容C30、C31选用20pf，电阻R5为22MΩ，石英振荡晶体X2的工作频率为38KHz，振荡分频集成电路U12选用CD4060，D触发器U13可选用CD4013，电阻R51、R52为4.7KΩ，大功率场效应管Q1、Q2可选用RIF450，变压器B的额定功率为30W、初级电压为12V×2、次级电压为12V～100V多个抽头，振荡分频集成电路U12、D触发器U13集成电路的电源电压为5V，功率放大级的电源电压为12V。
对照图3，接收机的上线圈SXQ与下线圈XXQ一样，是在Φ12×70的骨架上用Φ0.1mm的漆包线绕2500匝、中间穿Φ10×100mm的铁氧体磁棒而成；上线圈SXQ与电容C1组成并联谐振回路，其谐振频率与发射机的工作频率相同，为593.75Hz，电容C1为0.22uF的CBB电容；运算放大器U1与电阻R1、R2、电容C2组成前置放大器，电阻R1为10KΩ、电阻R2为1KΩ，C2为4700PF，此时前置放大器的放大倍数约为11倍；电容C3、C4、电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9及开关电容带通选频放大专用集成电路U2组成一个四阶开关电容带通选频放大器，其带通中心频率为所加时钟频率的1/100。本实施例的时钟频率为59375Hz，故带通中心频率为593.75Hz，电容C3为0.47uF，电阻R3、R6为10KΩ，电阻R4、R7为5.1KΩ，电阻R5、R7为68KΩ，电阻R9为4.7KΩ，电容C4为0.047uF，开关电容带通选频放大器专用集成电路U2型号为MF10，选用以上参数时该带通选频放大器的中心频率放大倍数约为50倍，Q值大于25；开关二极管D1、电阻R10、R11、电容C5、C6及运算放大器U3组成检波电路，将开关电容带通选频放大器输出的交变信号转换为直流信号，开关二极管D1为1N4148、电阻R10、R11为10KΩ、电容C5为4.7uF、C6为10uF；运算放大器U4、电阻R12、电位器W1组成信号调理电路，将检波电路输出的直流信号放大到合适的幅度，调整电位器W1可改变信号调理电路的放大倍数，电阻R12为1KΩ、电位器W1为10KΩ。
下线圈XXQ至直流电压V2部分的电路组成原理与上线圈至直流电压信V1的部分完全一样，其下线圈XXQ的安装位置在距上线圈SXQ的下面H处；H取值范围为0.3～0.6米，实施例取0.5米。
时钟发生电路由电容C13、C14、电阻R25、石英振荡晶体X1、振荡分频集成电路U9组成，电容C13、C14为20PF，电阻R25为22MΩ，石英振荡晶体X1的工作频率为1.9MHz，U9选用CD4060，实施例中的运算放大器均可选用通用运算放大器，如LM741等。电路的工作电源电压为±5V。
常数A的大小与上线圈SXQ、下线圈XXQ的匝数、尺寸、铁氧体磁芯的导磁率、工作频率、电路的放大倍数、检波器的检波效率、信号调理电路的放大倍数、A/D转换器的基准电压大小有关，但当电路参数确定后常数A也就确定了，可在接收机整机调试时作标定调整。当采用本实施例的电路参数时，常数A为45。
权利要求
1.一种地下金属管线加载电流的地面测量方法，其特征是它分步骤1、使用发射机向地下管线上加载一定频率的交流信号；步骤2、用峰值法或零值法确定地下金属管线的正上方位置；步骤3、在地下金属管线正上方的地面上同时用接收机中的相隔一定距离的上、下两个线圈测量金属管线产生的交变磁场的磁场强度，并转换为相应的二路交流电压信号；步骤4、上述二路交流电压信号分别经第一、第二前置放大器、第一、第二开关电容选频放大器、第一、第二检波电路、第一、第二信号调理电路后得到相应的二个直流电压信号；步骤5、将二个直流电压信号经模拟量/数字量转换器转换为相应的数字量；步骤6、将第二个数字量送除法器，除以二个数字量间的差，得到的商送第一乘法器乘以上、下线圈间的距离；步骤7、将步骤6所得结果与第二个数字量一起送第二乘法器相乘，所得积再经第三乘法器乘以常数；步骤8、将步骤7所得结果经数字滤波器进行数字滤波，即可得到地下金属管线上所加载的电流值。
2.如权利要求1所述的一种地下金属管线加载电流的地面测量方法，其特征是接收机分信号处理部分和运算处理部分，其中信号处理部分中上线圈与第一开关电容选频放大器、第一检波器、第一信号调理电路依次串接；下线圈与第二开关电容选频放大器，第二检波器，第二信号调理电路依次串接；时钟发生器分别与第一、第二开关电容选频放大器连接；运算处理部分中的第一、第二模拟量/数字量转换器的的输入端分别接信号处理部分第一、第二信号调理电路的输出端，第一、第二模拟量/数字量转换器的输出端分别接减法器的输入端，减法器的输出端与第二模拟量/数字量转换器的输出端分别接除法器的二个输入端，除法器的输出端与常数H一起接第一乘法器的二个输入端，第二模拟量/数字量转换器的输出端同时与第一乘法器的输出端接第二乘法器的二个输入端，，第二乘法器的输出端与常数A一起接第三乘法器的二个输入端，第三乘法器的输出端接数字滤波器LBQ的输入端。
3.如权利要求1所述的一种地下金属管线加载电流的地面测量方法，其特征是发射机包括振荡分频电路、D触发器U13、功率放大管Q1、Q2以及变压器B，其中振荡分频电路的输出端管脚(5)接D触发器U13的输入端管脚(3)，D触发器U13的输出端管脚(1、2)分别接二个功率放大管的输入端，二个率放大管输出端接变压器B的初级线圈。
全文摘要
本发明是一种地下金属管线加载电流的地面测量方法，使用发射机向地下管线上加载一定频率的交流信号；确定地下金属管线的正上方位置；用上、下两个线圈测量金属管线产生的交变磁场的磁场强度，转换为相应的二路交流电压信号；分别经前置放大器、开关电容选频放大器、检波电路、信号调理电路后得到相应的二个直流电压信号；经模拟量/数字量转换器转换数字量；第二个数字量的送除法器，除以二个转换后的数字量间的差，得到的商送第一乘法器乘以上、下线圈间的距离；与第二个数字量一起送第二乘法器相乘，经第三乘法器乘以常数；经数字滤波器进行数字滤波，得到地下金属管线上所加载的电流值。优点结构简单、测量准确、操作便捷、抗干扰能力强、成本低。
文档编号G01V3/08GK1818716SQ200610038789
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月13日 优先权日2006年3月13日
发明者孙世荣, 林锦国 申请人:南京工业大学