一种埋地管道地磁感应电流GIC的非接触式测量装置及方法与流程

本发明涉及埋地管道自然灾害防御技术领域，具体涉及一种埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置及方法。

背景技术：

由电磁感应定律可知，磁暴发生时，在埋地金属管道及其涂层与大地所构成的分布式闭合导体回路里产生感应电流，即地磁感应电流(gic)。由于gic对管道有害，干扰管地电位(psp)测量，使阴极保护(cp)装置失控甚至起反作用，引起管道腐蚀加剧，从而减少管道使用寿命等，所以，自1873年在管道中发现gic后，gic对管道影响及防护问题一直倍受关注。到目前为止，几乎每个国家的管道里都曾发现过gic，在各国的空间天气计划中，均把gic对管道影响列为重要研究内容。

当前国内外对于探测埋地管道以及埋深测量研究较多，市场上也有较多的探测设备。但对于地磁感应电流(gic)的测量设备较少，目前主要使用以下几个方法：

(1)将管道建立dstl模型，输入管道附近的地磁台数据以及管道相关参数，最终计算出管地电位和管道电流。中国发明专利申请201510579331.x提出了一种埋地油气管道受地磁暴影响的gic和psp的计算方法，提出了一种新的管道模型lzs-dstl，将管道附近的地磁暴数据、相关环境参数和管道参数输入，进而计算出gic和psp。该方法计算出的感应电流依赖于其模型输入参数的准确性。

(2)标准管地电位(psp)测试、密间隔电位测试技术(cips)、直流电位梯度法(dcvg)、皮尔逊(person)法、变频选频法、直流电流—电位法等。中国发明专利200810119164.0提出了一种埋地管道地磁感应电流和管地电位的测量装置及方法，在管线上的测试桩上安装gps同步记录装置，将每个测量点的管地瞬时电位进行记录并计算出地表电场强度和管道参数。若希望在管线任意位置安装测量点，须在开挖状态下将电流互感器套住管道，否则只能在场站端的管道跨接线处安装电流互感器。

(3)在不开挖状态下使用非接触方式检测埋地管道的感应电流，即磁法测量。英国雷迪公司生产的杂散电流检测仪scm，主要用于检测管道的腐蚀点，电流的流入和流出点定位，只能粗略计算出管道电流，精度很差。中国发明专利201110097516.9提出了一种埋地管道埋深及杂散电流大小方向和地磁方位角的测量方法，通过在地平面沿直线方向排布的4个磁通门传感器，实时监测埋地管道上方的磁场强度，并计算出管道的埋深、电流方向以及大小。该方法具有测量方法简单、不需要额外的信号源、实时测量数据以及可任意安装监测点等优点，但其测量数据的精度较低，误差较大。

综上所述，检测埋地管道感应电流gic的较为理想的方法应为非接触式的磁法测量。但目前国内外使用非接触式测量技术的装置对埋地管道gic的测量误差比较大，其原因在于其均将埋地管道的感应电流等效为一条位于管道圆心的无限长直电流，通过毕奥-萨伐尔定律得出电流和地表磁场强度之间的关系，以求出电流等未知量。这种模型的建立条件为：金属管道的电阻分布均匀，管道内各处gic均沿管道方向直线流动。而实际金属管道的电阻并非均匀分布，同时受到管道焊缝影响，导致其内电流的流向并非沿管道方向直线流动。

然而目前管道的制作工艺有很多种，主要分为无缝钢管、直缝钢管和螺旋焊缝钢管，如图1所示。无缝钢管和直缝钢管的管道材料电阻分布相对均匀，这类管道gic可采用无限长直电流模型等效管道电流。而螺旋焊管的焊缝为沿管道缠绕的螺旋线，由于焊缝材料与管道材料不一致，导致此类管道的电流流动方向不再为直线，而是沿管道螺旋向前流动。

目前我国埋地油气长输管道大部分采用螺旋焊缝管道，使用现有技术和设备测量螺旋焊缝管道的感应电流必然会产生较大误差，无法精确测量出管道gic。

因此，通过磁法测量由不同方式生产的埋地管道gic时，应使用不同模型来计算电流值。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置及方法。针对现有技术中测量螺旋焊缝管道地磁感应电流gic误差大的问题，本发明提供一种埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置，并给出了螺旋焊缝管道的电流模型及gic测量方法，该测量方法根据螺旋焊缝管道的制作工艺，将管道中流动的电流以螺旋线的轨迹进行建模，提高了模型的精确性，使测量得出的gic与实际电流值更接近，更加真实的反映管道内的gic大小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

首先，本发明公开了一种埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置，用于采集螺旋焊缝管道中螺旋线电流产生的磁感应强度数据和实现电流的计算，该测量装置包括复合磁通门探头、电源模块、信号调理模块、微处理器、存储模块、本地通讯模块和远程通讯模块；

所述信号调理模块、微处理器、存储模块、本地通讯模块、远程通讯模块构成该测量装置的信号处理模块；

所述复合磁通门探头连接信号调理模块，所述信号调理模块连接微处理器；所述信号调理模块用于将复合磁通门探头采集的信号进行调理，并转换为数字信号发送给微处理器；

所述微处理器分别连接存储模块、本地通讯模块、远程通讯模块；所述微处理器从信号调理模块中获取磁感应强度的数字信号，并进一步处理；所述存储模块用于存储微处理器处理好的磁感应强度数据；所述本地通讯模块用于与本地外部设备通讯，将存储的数据传送至本地外部设备；所述远程通讯模块用于与远程服务器通讯，将存储的数据传送至远程服务器进一步处理；

所述电源模块分别连接复合磁通门探头、信号调理模块、微处理器、本地通讯模块、远程通讯模块、存储模块，为整个测量装置提供稳定电源。

优选的是，所述复合磁通门探头包括至少一个条形杆、至少2个单分量磁通门传感器和至少2个水平仪。

在上述任一技术方案中优选的是，所述由一个条形杆、2个单分量磁通门传感器和2个水平仪装置组成的复合磁通门探头，条形杆的长为2(l+d3)，宽和高均为d，中心点为o点，距离o点两侧l处各固定一个单分量磁通门传感器m1、m2；单分量磁通门传感器m1、m2的长、宽分别为d1,d2；单分量磁通门传感器m1的中心点距离条形杆的左边缘为d3，m2的中心点距离条形杆的右边缘为d3，其测量方向为x坐标方向；距离条形杆左边缘e处表面固定两个水平尺s1、s2，按照xyz坐标方向，水平尺s1与单分量磁通门传感器m1、m2位于相同的yoz面，水平尺s2位于邻面xoz面，水平尺长度为d，取l＝bπ/2，其中2πb定义为螺旋电流线的螺距。

在上述任一技术方案中优选的是，所述复合磁通门探头连接信号调理模块，所述信号调理模块连接微处理器，所述信号调理模块将2个单分量磁通门传感器的模拟信号进行调理，并转换为数字信号发送给微处理器。

本发明还公开了一种埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法。针对螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的特点，采用如上任一项所述的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置，对螺旋焊缝管道中螺旋线电流产生的磁感应强度进行采集和电流的计算，以实现螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的精确测量，该测量方法包括：

(1)建立螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的数学模型；

(2)获取埋地螺旋焊缝管道的方位；

(3)滤除干扰场对gic计算结果精度的影响；

(4)使用数值积分法计算gic。

在上述任一技术方案中优选的是，在上面所述第(1)项中，针对螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的特点，建立螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的数学模型，根据螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的数学模型计算螺旋焊缝管道内电流igic与管道上方一点p(x0,y0,z0)的x，y，z三轴磁感应强度bx,by,bz的关系，计算得到电流igic，螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的数学模型的建模过程具体包括：

螺旋焊缝管道中的电流围绕管道圆周螺旋前进，假设管道为无限长，则其单根电流线方程满足螺旋线参数方程为

其中a为螺旋焊缝管道的半径，为螺旋线上一点与o点组成的向量在xoy平面上的投影与x轴的夹角，2πb为螺旋线的螺距，z方向为螺旋焊缝管道走向，x方向为垂直于地平面向上的方向，y方向垂直于螺旋焊缝管道走向并平行于地平面；

假设螺旋焊缝管道中流动的螺旋线电流gic为单根无限长的螺旋线电流，其电流igic沿着z轴方向前进，则首先根据毕奥--萨伐尔定理列出螺旋线上一电流元在管道上方一点p(x0,y0,z0)所产生的磁感应强度为

其中μ0为真空中的磁导率，为电流元指向p点的矢量，r为p点到电流元的最近距离；

设分别为x,y,z轴的单位向量，则点p和电流元分别用向量形式可表示为

点p相对于电流元的位矢可表示为

而的分量形式可表示为

则

将代入公式(2)，得到电流元在点p产生的沿x,y,z三个方向的磁感应强度分量分别为

其中

将以上电流元在各方向上的磁感应强度对无限长螺旋线进行积分即得到整条螺旋焊缝管道电流在p点所产生的磁感应强度大小，即

其中l表示整条螺旋焊缝管道的螺旋线电流，整条螺旋线电流在点p产生的各方向磁感应强度值分别为

在上述任一技术方案中优选的是，在上面所述第(2)项中，确定螺旋焊缝管道的具体位置、走向以及螺旋焊缝管道的gic最佳测量点，具体包括如下步骤：

步骤1，现场确定螺旋焊缝管道大致走向为z′方向，将埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量的yoz面作为移动面，使水平尺s2位于上方，并调整s2和条形杆的轴向，保证磁通门传感器m1的测量方向为z′方向；

步骤2，选定一条轨线m，使其方向垂直于z′，将单分量磁通门传感器m1沿m进行移动，保证行动轨迹完全越过埋地螺旋焊缝管道正上方，并实时记录单分量磁通门传感器m1所测bz′曲线；根据埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法分析bz′曲线，判断轨线m是否经过对称点(x0,0,2nbπ)或(x0,0,(2n+1)bπ)并记录相应对称点所在位置；

步骤3，选定与上述步骤2中所选轨线相平行、并在其右侧距离l的轨线m′，将单分量磁通门传感器m1沿m′进行移动，保证行动轨迹完全越过埋地螺旋焊缝管道正上方，并实时记录单分量磁通门传感器m1所测bz′曲线；根据埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法分析bz′曲线，首先确定螺旋焊缝管道内gic的方向，再判断轨线m′是否经过对称点(x0,0,2nbπ)或(x0,0,(2n+1)bπ)并记录相应对称点所在位置；

步骤4，选定与上述步骤3轨线平行、并在其右侧距离l的轨线m″，将单分量磁通门传感器m1沿m″进行移动，保证行动轨迹完全越过埋地螺旋焊缝管道正上方，并实时记录单分量磁通门传感器m1所测bz′曲线；根据埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法分析bz′曲线，首先判断螺旋焊缝管道内gic的方向是否翻转，若翻转，则跳回步骤2重新测量，若未翻转，则判断轨线m″是否经过对称点(x0,0,2nbπ)或点(x0,0,(2n+1)bπ)并记录相应对称点所在位置；

步骤5，重复上述步骤4，根据埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法分析bz′曲线，一直到找到经过对称点(x0,0,2nbπ)和点(x0,0,(2n+1)bπ)附近的两条轨线，停止重复步骤4，并确定两个点大致所在位置p1，p2，两点连线即为新的z′方向；

步骤6，缩小两条轨线之间的距离l，重复上述步骤2至步骤5，集中分析点p1，p2附近轨线的bz′曲线，直到找到与bz′曲线的波峰或波谷完全重合的点(x0,0,2nbπ)和点(x0,0,(2n+1)bπ)为止，此两点连线即管道真实走向，即z方向；此时可取n＝0，则点(x0,0,0)为最佳测量点。

在上述任一技术方案中优选的是，上面所述第(3)项滤除干扰场对gic计算结果精度的影响，待所述第(2)项确定螺旋焊缝管道的方位和最佳测量点后，将埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置的中心点o置于最佳测量点(x0,0,0)处，其中x0为测量点到管道的距离与管道半径之和，是在现场获得，认为其为已知常数，采用埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置，将2个单分量磁通门传感器置于埋地螺旋焊缝管道上方，调整条形杆的z轴方向，使其与管道真实走向重合，调整水平尺s2，使磁通门传感器的测量方向为x轴方向，固定复合磁通门探头，则探头上两个磁通门传感器所在点pml和pmr的坐标值分别为和实时测量两个传感器的测量数据bxml,bxmr，并将测量数据代入公式(56)，即通过微处理器滤除干扰场数据，计算出点pml的二次场数据bxl，使用存储模块实时保存，并通过远程通讯模块上传至远程服务器。

在上述任一技术方案中优选的是，上面所述第(4)项的使用数值积分法计算gic，具体包括：

步骤1，确定管道半径a、螺旋电流线的螺距常数b、真空磁导率μ0以及点pml的坐标值等现场管道数据，并将其作为已知参数；

步骤2，将远程服务器接收到的现场埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置发送来的磁感应强度数据bxl后，将步骤1确定的参数和bxl代入公式(57-3)，即使用数值积分算法得出最终的螺旋焊缝管道地磁感应电流gic。

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下几个特点：

1、针对螺旋焊缝管道的生产工艺特点，分析此类管道中的地磁感应电流gic的流动方向并不是直线，而是螺旋前进。这与目前将管道电流等效为无限长直导线的物理模型严重不符，通过现有技术测量螺旋焊缝管道的gic结果误差非常大。

2、建立螺旋焊缝管道的地磁感应电流gic的数学模型，并推导出gic电流与管道上方所测磁数据之间明确的数学关系。

3、螺旋焊缝管道的地磁感应电流gic的物理模型与无限长直电流模型差异很大，传统的消除背景磁场的方法不适用于螺旋焊缝管道。本发明的技术方案提出的非接触式测量方法分析了螺旋电流线在管道上方产生磁场的对称性，并通过测量对称点的磁感应强度，可求出地磁干扰磁场，在计算电流时将其消去，大大降低背景场的影响，并提高了计算的精确度。

4、本发明的技术方案提出的非接触式测量装置，使用2个单轴磁通门传感器，组成1个条形探头，将2个传感器置于探头两侧，并将探头中心置于螺旋线电流的对称点处，使探头轴向与管道轴向平行，完全不同于目前大部分将探头垂直于管道轴向放置。

5、在现场通过管道探测装置获取的管道位置和走向均不够准确，这也使得磁传感器安放位置不合理导致的测量结果误差。本发明的技术方案提出了一种针对于螺旋焊缝管道中gic特点的测量装置，可通过本发明提出的“埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法”精确获得管道的位置和真实走向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中钢管的不同焊接工艺示意图；

图2为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置的一优选实施例的原理框图；

图3为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置的一优选实施例的复合磁通门探头结构示意图；

图4为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的获得管道精确走向的测量示意图；

图5为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的测量过程中测量装置最终摆放方式示意图；

图6为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的无限长单根螺旋线示意图；

图7为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的电流元在p点产生磁场的示意图；

图8为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的以x轴对称的两点电流元在p点产生磁场的示意图；

图9为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的以对称的两点电流元在p点产生磁场的示意图；

图10为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的以x轴对称的两点电流元在p1和p2点产生磁场的示意图；

图11为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的x轴磁感应强度在管道正上方沿z轴变化曲线的示意图；

图12为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的在管道正上方z0＝2nbπ两侧取测量点pl,pr的示意图；

图13为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的现场确定管道大致走向与实际走向示意图；

图14为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的在螺旋线电流不同位置测量轨线示意图；

图15为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的λ＝10°时9条测量轨线磁感应强度曲线的示意图；

图16为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的λ＝20°时9条测量轨线磁感应强度曲线的示意图；

图17为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的λ＝30°时9条测量轨线磁感应强度曲线的示意图；

图18为按照本发明的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的一优选实施例的螺旋焊缝管道gic的最佳测量方式的示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中测量螺旋焊缝管道地磁感应电流gic误差大的问题，本发明实施例提供了一种螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的测量装置及方法，针对已有技术所存在的缺点，给出了螺旋焊缝管道的电流模型及gic测量方法，该方法根据螺旋焊缝管道的制作工艺，将管道中流动的电流以螺旋线的轨迹进行建模，提高了模型的精确性，使测量得出的gic与实际电流值更接近，更加真实的反映管道内的gic大小。

当磁暴发生时，地磁场受到干扰，于是在埋地金属管道及其涂层与大地所构成的分布式闭合导体回路里产生地磁感应电流(gic)。在螺旋焊缝管道中流动的gic受到了焊缝的影响，形成螺旋线状的电流路径，而非直线路径。其电流模型的参数方程如下所述的公式(1)所示。其物理模型如附图6所示，坐标系原点位于管道的中轴线处，x轴方向为垂直地面向上，y轴方向为平行于地面但垂直于x轴，z轴方向为管道的走向。

以下详细说明本发明实施例的具体实施过程。

为了实现精确测量螺旋焊缝管道gic，本发明实施例提供一种埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量，如图2所示，该测量装置包括复合磁通门探头、电源模块、信号调理模块、微处理器、存储模块、本地通讯模块和远程通讯模块模块；信号调理模块、微处理器、存储模块、本地通讯模块、远程通讯模块模块构成该测量装置的信号处理模块；复合磁通门探头连接信号调理模块，信号调理模块连接微处理器；信号调理模块用于将复合磁通门探头采集的信号进行调理，并转换为数字信号发送给微处理器；微处理器分别连接存储模块、本地通讯模块、远程通讯模块模块；微处理器从信号调理模块中获取磁感应强度的数字信号，并进一步处理；存储模块用于存储微处理器处理好的磁感应强度数据；本地通讯模块用于与本地pc等外部设备通讯，将存储的数据传送至本地pc等外部设备；远程通讯模块用于与远程服务器通讯，将存储的数据传送至远程服务器进一步处理；电源模块分别连接复合磁通门探头、信号调理模块、微处理器、本地通讯模块、远程通讯模块、存储模块，为整个测量装置提供稳定电源。

本实施例所述的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量，所述复合磁通门探头包括一个条形杆、2个单分量磁通门传感器和2个水平仪。由一个条形杆、2个单分量磁通门传感器和2个水平仪装置组成的复合磁通门探头，条形杆的长为2(l+d3)，宽和高均为d，中心点为o点，距离o点两侧l处各固定一个单分量磁通门传感器m1、m2；单分量磁通门传感器m1、m2的长、宽分别为d1,d2；单分量磁通门传感器m1的中心点距离条形杆的左边缘为d3，m2的中心点距离条形杆的右边缘为d3，其测量方向为x坐标方向；距离条形杆左边缘e处表面固定两个水平尺s1、s2，按照xyz坐标方向，水平尺s1与单分量磁通门传感器m1、m2位于相同的yoz面，水平尺s2位于邻面xoz面，水平尺长度为d，取l＝bπ/2，其中2πb定义为螺旋电流线的螺距。

结合图2和图3，复合磁通门探头连接信号调理模块，信号调理模块连接微处理器，信号调理模块将2个单分量磁通门传感器的模拟信号进行调理，并转换为数字信号发送给微处理器。

针对螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的特点，可根据螺旋焊缝管道gic的数学模型的公式(1)计算得出如图7所示的电流元在p点产生磁场，计算螺旋焊缝管道内电流igic与管道上方一点p(x0,y0,z0)的x，y，z三轴磁感应强度bx,by,bz的关系，如螺旋焊缝管道gic的数学模型的公式(13)(14)(15)所示，只要测得螺旋焊缝管道上方某一点的x，y，z其中一个方向的磁感应强度分量，代入其中一个公式，即可得到电流igic。

然而在现场环境的实际操作中，需要确定螺旋焊缝管道的具体位置、走向以及螺旋焊缝管道的gic最佳测量点才能得到精确的电流igic。其中点p坐标的x0值即为点p距离管道轴心的垂直距离，可视其为常数。

假设现场所确定的螺旋焊缝管道大致走向为z′方向，真实走向为z方向，如图4所示。使用螺旋焊缝管道地磁感应电流gic测量装置，依照埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法，获取埋地螺旋焊缝管道的精确走向以及gic最佳测量点，最终获得精确的igic。

通过以上分析，本发明实施例采用埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置，对螺旋焊缝管道中螺旋线电流产生的磁感应强度进行采集和电流的计算，最终实现螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的精确测量。以下对埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法进行详细说明。

(1)建立螺旋焊缝管道gic的数学模型：

螺旋焊缝管道由于焊缝的作用，管道中的电流不再沿着管道方向直线流动，而是围绕管道圆周螺旋前进。假设管道为无限长，则其单根电流线方程满足螺旋线参数方程

其中a为螺旋焊缝管道的半径，为螺旋线上一点与o点组成的向量在xoy平面上的投影与x轴的夹角，2πb为螺旋线的螺距，z方向为螺旋焊缝管道走向，x方向为垂直于地平面向上的方向，y方向垂直于螺旋焊缝管道走向并平行于地平面，如图6所示。

为了便于研究螺旋焊缝管道内螺旋线电流在管道周围所产生的磁场分布，我们假设螺旋焊缝管道中流动的螺旋线电流gic为单根无限长的螺旋线电流，其电流igic沿着z轴方向前进。

首先根据毕奥--萨伐尔定理列出螺旋线上一电流元在管道上方一点p(x0,y0,z0)所产生的磁感应强度，如图7所示。

电流元在p点产生的磁感应强度为

其中μ0为真空中的磁导率，为电流元指向p点的矢量，r为p点到电流元的最近距离。

设分别为x,y,z轴的单位向量，则点p和电流元分别用向量形式可表示为

点p相对于电流元的位矢可表示为

而的分量形式可表示为

则

将代入公式(2)，可得电流元在点p产生的沿x,y,z三个方向的磁感应强度分量分别为

其中

将以上电流元在各方向上的磁感应强度对无限长螺旋线进行积分即可得到整条螺旋焊缝管道电流在p点所产生的磁感应强度大小，即

其中l表示整条螺旋焊缝管道的螺旋线电流。整条螺旋线电流在点p产生的各方向磁感应强度值分别为

以上积分无法求出具体的解析表达式，可以使用数值积分法求得最终积分结果。

(2)获取埋地螺旋焊缝管道的方位：

步骤1，如图4所示，现场所确定的螺旋焊缝管道大致走向为z′方向，将本实施例所述的gic测量装置的yoz面作为移动面，使水平尺s2位于上方，并调整s2和条形杆的轴向，保证单分量磁通门传感器m1的测量方向为z′方向。

步骤2，选定某一条轨线m，使其方向垂直于z′，将单分量磁通门传感器m1沿m进行移动，保证行动轨迹完全越过埋地管道正上方，并实时记录m1所测bz′曲线。根据“埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法”分析bz′曲线，判断轨线m是否经过对称点(x0,0,2nbπ)或(x0,0,(2n+1)bπ)并记录相应对称点所在位置。

步骤3，选定与前述步骤2中所选轨线相平行、并在其右侧距离l的轨线m′，将单分量磁通门传感器m1沿m′进行移动，保证行动轨迹完全越过埋地管道正上方，并实时记录m1所测bz′曲线。根据“埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法”分析bz′曲线，首先确定螺旋焊缝管道内gic的方向，再判断轨线m′是否经过对称点(x0,0,2nbπ)或(x0,0,(2n+1)bπ)并记录相应对称点所在位置。

步骤4，选定与前述步骤3轨线平行、并在其右侧距离l的轨线m″，将单分量磁通门传感器m1沿m″进行移动，保证行动轨迹完全越过埋地管道正上方，并实时记录m1所测bz′曲线。根据“埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法”分析bz′曲线，首先判断管道内gic的方向是否翻转。若翻转，则跳回步骤2重新测量。若未翻转，则判断轨线m″是否经过对称点(x0,0,2nbπ)或点(x0,0,(2n+1)bπ)并记录相应对称点所在位置。

步骤5，重复前述步骤4，根据“埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法”分析bz′曲线，一直到找到经过对称点(x0,0,2nbπ)和点(x0,0,(2n+1)bπ)附近的两条轨线，停止重复步骤4，并确定两个点大致所在位置p1，p2，两点连线即为新的z′方向。

步骤6，缩小两条轨线之间的距离l，重复前述步骤2至步骤5，集中分析点p1，p2附近轨线的bz′曲线，直到找到与bz′曲线的波峰(波谷)完全重合的点(x0,0,2nbπ)和点(x0,0,(2n+1)bπ)为止，此两点连线即管道真实走向，即z方向。此时可取n＝0，则点(x0,0,0)为最佳测量点。

(3)滤除干扰场对gic计算结果精度的影响：

待确定螺旋焊缝管道的方位和最佳测量点后，将本实施例所述的gic测量装置的中心点o置于最佳测量点(x0,0,0)处，其中x0为测量点到管道的距离与管道半径之和，可在现场获得，认为其为已知常数。将2个单分量磁通门传感器置于上方，调整条形杆的z轴方向，使其与管道真实走向重合。调整水平尺s2，使单分量磁通门传感器的测量方向为x轴方向。固定复合磁通门探头，如图5所示，则探头上两个磁通门传感器所在点pml和pmr的坐标值分别为和实时测量两个传感器的测量数据bxml,bxmr，并将测量数据代入后面所述的公式(56)，通过微处理器滤除干扰场数据，计算出点pml的二次场数据bxl，使用存储模块实时保存，并通过远程通讯模块模块上传至远程服务器。

在具体实施中，螺旋焊缝管道上方的地表面磁场为一次场(地磁场)和二次场(管道gic产生的磁场)组成的复合场，而一次场即为干扰场。如果仅仅通过磁传感器测得的磁感应强度数据代入公式(13)(14)(15)，计算出的电流值误差非常大，所以需要分析磁感应强度各方向分量的特征，获得对称点，以便滤除干扰场给结果带来的误差。并且由于公式(13)(14)(15)表达式复杂，难以求出其积分的解析表达式，无法直观的观察出磁场强度的分布特性。而螺旋线参数方程的x和y函数周期均为2π，而且各函数均具有对称特性。为了更方便的求出整条电流线在某一点产生的磁感应强度表达式，可先取螺旋线中对于x或y的一个周期部分，分析单个周期电流线在其对称点上产生磁场的磁场表达式，以便简化积分过程。但由于正弦和余弦函数的单个周期部分不重合，则可分别对x和y函数的一个周期部分进行研究。以下对螺旋焊缝管道gic产生的磁场中干扰场数据的滤除方法进行具体说明。

(1)以x轴(y＝0,z＝0)为对称轴的螺旋线电流产生磁感应强度对称性分析

取区间的一段电流线，以x轴作为对称轴，在x轴上取点p位于管道的正上方，设点p的坐标为p(x0,0,0)，在对称轴两侧各取一个电流元和计算两个电流元在点p产生的磁感应强度，如图8所示。

电流元在p(x0,0,0)产生磁场的各轴感应强度分量表达式为

其中

电流元在p(x0,0,0)产生磁场的各轴感应强度分量表达式为

其中

两个电流元所在位置以x轴对称，即两个电流元的增量根据公式(16)～(23)，可得

根据以上结果可知，以x轴为对称的单周期(单匝)螺旋电流线，两对称电流元在对称轴x轴(y＝0,z＝0)上的一点p所产生的磁感应强度具有以下特征：

1)dbpx＝db1x+db2x＝0，即x轴方向的磁感应强度为0；

2)dbpy＝2db1y＝2db2y，dbpz＝2db1z＝2db2z，即y轴和z轴方向的磁感应强度为对称轴单侧电流元产生的磁感应强度的2倍。

以上性质可从推广至可得整条管道的螺旋电流线在x轴(y＝0,z＝2nbπ)上一点p所产生的磁感应强度总和为以下结果：

其中l′为z轴正半轴的螺旋线。

(2)以(y＝0,z＝bπ)为对称轴的螺旋线电流产生磁感应强度对称性分析

取区间的一段电流线，以平行于x轴的直线(y＝0,z＝bπ)作为对称轴，在此直线上取点p位于管道的正上方，设点p的坐标为p(x0,0,bπ)，在对称轴两侧各取一个电流元和计算两个电流元在点p产生的磁感应强度，如图9所示。

由图9可知，假设电流元的电流元则和在p(x0,0,bπ)产生磁场的各轴感应强度分量表达式为

其中

其中

根据以上结果可知，r1＝r2，以直线(y＝0,z＝bπ)为对称的单周期(单匝)电流线，两对称电流元在对称轴上的一点p所产生的磁感应强度具有以下特征：

1)dbpx＝db1x+db2x＝0，即x轴方向的磁感应强度为0；

2)dbpy＝2db1y＝2db2y，dbpz＝2db1z＝2db2z，即y轴和z轴方向的磁感应强度为对称轴单侧电流元产生的磁感应强度的2倍。

以上性质可从推广至可得整条管道的螺旋电流线在对称轴(y＝0,z＝nbπ)上一点p所产生的磁感应强度总和为以下结果：

其中的螺旋线。

(3)螺旋线电流在(y＝0,z＝2nbπ)和(y＝0,z＝nbπ)两条对称轴之间一点p产生磁感应强度分析

在x轴(y＝0,z＝0)两侧取两个对称点位于螺旋焊缝管道的正上方，且满足分别计算两个电流元在点p1，p2产生的磁感应强度，如图10所示。

计算两个电流元在点p1，p2所产生的磁感应强度，根据公式(2)可得

根据公式(6)可得

假设根据图6可得

r12＝r21(46)

r11＝r22(47)

将以上结果代入公式(7)(8)可得p1和p2点x轴的磁感应强度

即可知

dbp1x＝-dbp2x(52)

则整条螺旋电流线上所有的对称电流元在点p1，p2处所产生的x轴分量磁感应强度，即对整条电流线求积分，可得

其中l为整条螺旋电流线。

公式(53)表明，对位于管道正上方，并对称于直线(y＝0,z＝nbπ)的两点螺旋焊缝管道gic在此两点产生的x轴分量磁感应强度大小相等，方向相反。

综上所述，螺旋焊缝管道感应电流igic在管道正上方，与管道轴心距离为x0处所产生的x轴磁感应强度bx沿着管道方向呈周期性变化，在直线(y＝0,z＝nbπ)两侧的对称位置处，会出现bx的正向和反向极大值，其变化曲线如图11所示。

(4)干扰场数据的滤除方法

根据以上分析所得结论，在管道正上方z＝2nbπ处，即bx对称轴位置的两侧取两点pl,pr，使两点距对称轴距离相等并位于管道正上方，其坐标为如图12所示。

假设使用传感器测量pl,pr两点的x轴方向磁感应强度为bxml,bxmr，其数值为地磁场x轴方向磁感应强度和螺旋线电流产生的二次场x轴方向磁感应强度的叠加，假设螺旋线电流在pl,pr两点产生的x轴方向磁感应强度分别为bxl,bxr，由于两点距离较近，其地磁感应强度数值近似相等，则可认为两点的地磁感应强度均为bxg，则

bxml＝bxg+bxl(54)

bxmr＝bxg+bxr(55)

根据公式(53)(54)(55)可推导出螺旋电流线在两点产生的二次场感应强度与测量值的关系为

所得bxl即为滤除干扰场数据后的二次场磁感应强度。将途中点pl处传感器的bxl代入公式(13)，最终获得精确的螺旋焊缝管道地磁感应电流gic，即

其中

以上公式中，a为管道半径，b为螺旋电流线的螺距常数(2πb为螺距)，μ0为真空磁导率，x0,y0,z0为图12中点pl的坐标值。将现场的管道数据以及确定测量点坐标带入上式，未知量只有通过计算机的数值积分方法计算上式中的积分，可得具体数值

则可获得igic与bxl的关系为

(4)使用数值积分法计算gic：

第一步，确定螺旋焊缝管道半径a、螺旋电流线的螺距常数b、真空磁导率μ0以及点pml的坐标值等现场管道数据，并将其作为已知参数；

第二步，将远程服务器接收到的现场gic测量装置发送来的磁感应强度数据bxl后，将第一步确定的参数和bxl代入公式(57-3)，使用数值积分算法得出最终的螺旋焊缝管道地磁感应电流gic。

根据上述对埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量方法的分析，如果希望精确的计算出螺旋焊缝管道的gic，必须要先找到bx对称轴位置，即管道正上方z＝2nbπ处，再确定两个最佳测量点进行磁感应强度的测量与gic计算。然而在实际现场的操作中，埋地管道的上方虽然有表示管道位置的标记，但是管道中心的精确位置、z＝2nbπ的位置以及管道走向都难以获得，即使通过专业测量埋地金属的设备，也只能得到管道的大概铺设位置以及粗略的走向信息。所以需要研究埋地螺旋焊缝管道gic在地面上产生的磁感应强度分布特性，以便得出一种获得管道精确走向和最佳测量点的方法。

螺旋焊缝管道gic最佳测量点定位方法：

若要确定埋地螺旋焊缝管道精确位置、对称点(x＝x0,y＝0,z＝2nbπ)以及管道走向，需要研究管道上一点p的位置在yoz平面内变化时，其磁感应强度的分布规律。由于螺旋焊缝管道真实位置和走向未知，在这种情况下，磁通门传感器的测量方向与管道方向(z轴方向)不一致，为了便于分析问题和计算，现做如下假设：假设在现场所确定的管道大致走向与埋地管道实际走向的夹角为λ，其关系如图13所示。

z′方向为现场所确定的埋地管道大致走向，z方向为埋地管道实际走向，磁传感器的测量方向为z′方向的磁感应强度，m轨线方向为与z′方向垂直的方向，其轨线即为探测埋地管道具体位置时的测量轨迹，其轨迹方程为

其中即为m轨线与z轴的交点p0的坐标。

根据相似三角形定理，可知磁传感器测量所得z′方向的磁感应强度值应为

bz′＝bzcosλ-bysinλ(59)

设管道上方测量平面为yoz平面，研究在螺旋线电流上方相互并行、间隔相等的一组m轨线上bz′的数值分布。不同m轨线所在螺旋线电流上位置如图14所示。

上图中9条测量轨线方程均为(58)，m1至m9轨线在z方向上的间隔为π/4，其方程中的值分别为-π,-3π/4,-π/2,-π/4,0,π/4,π/2,3π/4,π。

假设管道半径a＝0.5m，螺距参数b＝0.4，yoz平面距离管道中心距离x0＝1m，管道内的电流从左向右流动，以bz′为分析目标，设根据公式(59)，利用mathematica软件中的数值积分法，研究在螺旋线电流上方不同位置的m轨线上bz′/b0的数值分布。

当螺旋焊缝管道真实走向与现场所得大致走向的夹角λ＝10°时，从y＝-4开始测量，使磁传感器测量方向为z′方向，运动至y＝-4，以上9条轨线的bz′/b0分布曲线如图15所示，其横坐标为y值，纵坐标为bz′/b0。

当螺旋焊缝管道真实走向与现场所得大致走向的夹角λ＝20°时，从y＝-4开始测量，使磁传感器测量方向为z′方向，运动至y＝-4，以上9条轨线的bz′/b0分布曲线如图16所示，其横坐标为y值，纵坐标为bz′/b0。

当螺旋焊缝管道真实走向与现场所得大致走向的夹角λ＝30°时，从y＝-4开始测量，使磁传感器测量方向为z′方向，运动至y＝-4，以上9条轨线的bz′/b0分布曲线如图17所示，其横坐标为y值，纵坐标为bz′/b0。

根据以上曲线可知，m5为经过对称轴z＝2nbπ测量轨线。在现场实施管道探测和gic测量操作中，真实管道走向和现场所得管道大致走向的夹角不会过大，基本在30°以内。根据以上三组不同夹角下的测量曲线，可以得到如下结论：

1)在λ＜30°的情况下，经过对称轴z＝2nbπ的轨线所测得的磁感应强度bz′曲线为左右对称的“谷底型”曲线，即图15,16,17中的m5轨线，谷底的磁感应强度对于其他轨线为最小值。而谷底所在位置即为z＝2nbπ处，且位于管道正上方，其坐标点为(x0,0,2nbπ)；

2)在λ＜30°的情况下，经过点(x0,0,(2n+1)bπ)的轨线上bz′曲线为左右对称的“峰顶型”曲线，即图15,16,17中的m1和m9轨线，峰顶的磁感应强度对于其他轨线为最大值。而峰顶所在位置即为z＝(2n+1)bπ处，且位于管道正上方，其坐标点为(x0,0,(2n+1)bπ)；

3)在λ＜30°的情况下，经过点(x0,0,(2n-1)bπ)与点(x0,0,2nbπ)之间的轨线上bz′曲线为不对称的“峰谷交错型”曲线，即图15,16,17中的m2、m3、m4轨线，其bz′曲线的谷底位于曲线左侧，峰顶位于曲线右侧；

4)在λ＜30°的情况下，经过点(x0,0,2nbπ)与点(x0,0,(2n+1)bπ)之间的轨线上bz′曲线为不对称的“峰谷交错型”曲线，即图15,16,17中的m6、m7、m8轨线，其bz′曲线的谷底位于曲线右侧，峰顶位于曲线左侧；

5)在λ＜30°的情况下，按照从m1到m9轨线的测量顺序，其bz′曲线的谷底变化趋势为：无谷底(m1)→峰谷交错、谷底左偏，数值逐渐减小并右移(m2、m3、m4)→峰顶消失，谷底居中并小于之前所有轨线的谷底值(m5)→峰谷交错、谷底右偏，数值逐渐增大并继续右移(m6、m7、m8)→谷底消失，峰顶居中并大于之前所有轨线的峰顶值(m1)。

6)根据以上结论可知，当gic电流的方向与图10一致并始终不发生翻转的情况下，从管道的某一位置沿z′方向，以固定间隔测量多组轨线上的bz′曲线，其波形峰谷的变化趋势应为：

最大波峰、无波谷→出现左偏波谷并逐渐右移→最大波谷、无波峰→出现波峰、波谷右偏并逐渐右移→最大波峰、无波谷。

当轨线的测量曲线中无波谷时，波峰最高点出现的位置即位于管道正上方的点(x0,0,(2n+1)bπ)处。当轨线的测量曲线中无波峰时，波谷最低点出现的位置即位于管道正上方的点(x0,0,2nbπ)处，此点即为螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的最佳测量点。这两点的连线平行于埋地管道轴线，即为埋地管道的真实走向。

7)当gic电流的方向与图14相反并始终不发生翻转的情况下，从管道的某一位置沿z′方向，以固定间隔测量多组轨线上的bz′曲线，其波形峰谷的变化趋势应为：

最大波谷、无波峰→出现左偏波峰并逐渐右移→最大波峰、无波谷→出现波谷、波峰右偏并逐渐右移→最大波谷、无波峰。

当轨线的测量曲线中无波峰时，波谷最低点出现的位置即位于管道正上方的点(x0,0,(2n+1)bπ)处。

当轨线的测量曲线中无波谷时，波峰最高点出现的位置即位于管道正上方的点(x0,0,2nbπ)处，此点即为螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的最佳测量点。这两点的连线平行于埋地管道轴线，即为埋地管道的真实走向。

8)当测量过程中，在测量某一轨线的bz′曲线时gic电流的方向发生变化，其bz′曲线将发生翻转，其趋势必不满足以上分析所得结果，则需要重新进行测量。

9)由于在测量过程中所选多组轨线中并不一定能够有刚好经过对称点(x0,0,2nbπ)和的点(x0,0,(2n+1)bπ)的轨线，则需要进行多次测量，不断缩小测量范围，并降低轨线间隔，以便最终确定精确的对称点位置。

以上方法主要通过轨线上测量的bz′曲线的波峰和波谷的变化来判断对称点和管道走向，故将以上测量方法定义为“埋地螺旋焊缝管道bz′曲线峰谷定位法”。

螺旋焊缝管道gic的计算：

根据上一节对不同测量轨迹曲线研究所得到的结论，我们可以顺利的确定埋地螺旋焊缝管道地磁感应电流gic的最佳测量点(x0,0,2nbπ)以及埋地管道的真实走向。一旦确定螺旋焊缝管道gic的最佳测量点(x0,0,2nbπ)后，我们即可沿着管道的轴向，在管道的正上方最佳测量点(x0,0,2nbπ)处的两侧对称位置上各放置1个磁传感器，将其测量方向调整至x方向并固定，如图18所示，假设两个传感器所在点pml,pmr的坐标为

两个传感器固定后对其进行实时测量，得到数据bxml,bxmr，将其代入公式(56)，即可滤除干扰场。再将结果和两点坐标值代入公式(57)，即可计算出精确的igic。

与现有的技术相比，本发明实施例提供的埋地管道地磁感应电流gic的非接触式测量装置及方法，具体有以下几个特点：

1、针对螺旋焊缝管道的生产工艺特点，分析此类管道中的地磁感应电流gic的流动方向并不是直线，而是螺旋前进。这与目前将管道电流等效为无限长直导线的物理模型严重不符，通过现有技术测量螺旋焊缝管道的gic结果误差非常大；

2、建立螺旋焊缝管道的地磁感应电流gic的数学模型，并推导出gic电流与管道上方所测磁数据之间明确的数学关系；

3、螺旋焊缝管道的地磁感应电流gic的物理模型与无限长直电流模型差异很大，传统的消除背景磁场的方法不适用于螺旋焊缝管道。本方法分析了螺旋电流线在管道上方产生磁场的对称性，并通过测量对称点的磁感应强度，可求出地磁干扰磁场，在计算电流时将其消去，大大降低背景场的影响，并提高了计算的精确度；

4、使用2个单轴磁通门传感器，组成1个条形探头，将2个传感器置于探头两侧，并将探头中心置于螺旋线电流的对称点处，使探头轴向与管道轴向平行，完全不同于目前大部分将探头垂直于管道轴向放置；

5、在现场通过管道探测装置获取的管道位置和走向均不够准确，这也使得磁传感器安放位置不合理导致的测量结果误差。本发明提出了一种针对于螺旋焊缝管道中gic特点的测量装置，可通过本发明提出的“埋地螺旋焊缝管道曲线峰谷定位法”精确获得管道的位置和真实走向。

以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定；以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围；在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

本发明专利得到国家重点研发计划项目(no.2016yfc0800103)基金资助。