专利名称：埋藏管路定位装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及的是隐藏管路的定位，更具体涉及的是确定能够传输交流电流的地下电缆或管线位置的方法和装置。
对象煤气、供水和污水管线和电话电缆这样的埋藏管路经常需要确定位置，以便维修或替换损坏或有故障的管路。在挖掘时事先知道这种地下设备的位置也是很重要的。已有技术中包括许多用于确定具有导电性导电电缆的管路或其他能够传输电流的管路的位置的装置，这些装置采用感应线圈或电容器板探测由管路中电流所产生的电磁测试信号。最早的电缆定位器采用一个单独的传感器，在其经过电缆附近的时候，传感器检测出一个单独的零或峰值信号(取决于传感器的取向)。由于峰值范围相当宽，所以就使电缆定位的精度很低。而零点检测很灵敏，对于多条电缆传输测试信号的情况会出现定位错误，因此在这种区域峰值检测更好，但是由于其响应范围很宽，峰值检测很难找到电缆的准确位置。
以后的许多装置采用两个或更多的传感器来合成信号以提供管路临近的指示。这样的探测系统记载在下列专利中美国专利号3,617,8654,542,3444,091,3224,639,6744,134,0614,665,369
4,220,9134,672,3214,295,0954,686,4544,387,3404,843,3244,390,8364,942,3654,427,9424,990,8524,438,3895,001,4304,458,2045,093,6224,520,317这些专利的最后一个专利对其它许多专利所记载的技术进行了有益的比较。还可以知道这最后一个专利是针对信号处理的改进，而不是在传感器设置上的改进。
最简单的多传感器装置是只对来自两个传感器的信号进行合成，合成信号通常是通过信号相减来进行，以产生一个表示临近的信号，如在上面所列专利的第一个专利所记载的那样。这种技术(双峰)不需要变换设计的复杂电路，适合低成本、坚固耐用的电缆定位器的需要。如
图1所进一步说明的那样，图1表示的是一条信号强度与距管路的距离的关系曲线，这种双峰值方法还可以提高紧邻埋藏管路区域的灵敏度(即与单个峰值检测器的曲线B相比较的一条陡峭响应曲线A)。但是，这种方法的曲线在主峰两例有假峰或台肩(shoulder)，在最大值之间有最小值(零)。这种效果令人不满意的理由有几个。首先，如果电缆靠近假峰值之外没有经验的人使用这种装置会产生错读。在例举的图1的曲线表示的情况中，会错误认为电缆是位于在水平方向上偏离了电缆深度的两或三倍的位置上。在检测多条管路时还会读错结果。最后，对于集中了传输测试信号的多条管路的区域，双峰值方法还可能产生混乱指示。
一种已有技术的装置(′942号专利)只有当下部传感器检测出的超过预定信号强度值的信号的强度大于上部线圈检测的信号强度时，通过启动扬声器来掩盖住侧峰。虽然这种方法似乎挺吸引人，但并不是最好的，理由有两个。首先，侧峰是被掩盖住，而不是被消除或转换成平的响应曲线，这会增加响应特性的非线性，而且在有相邻的传输很弱信号的管路存在的情况下造成读数非常混乱并不可预计；换句话说，就是不能消除或减少这种相邻电缆的干扰。第二，这需要附加硬件从而增加了装置的成本。因此，就需要设计一种更先进的电缆定位器，它既保持了双峰值设计的简单性(和低制造成本)，又使虚假峰的影响最小。
本发明提供一种用于确定电流传输管路方向和位置的改进的装置。该装置总的包括一个有两个空间取向的传感器的接收器，一个信号处理单元和一个指示器。传感器探测由管路中交流电流感应产生的测试信号。改进之处在于在合成传感器信号之前先对其中一个信号进行相移。通过在两个传感器之间进行相移来改变响应特性，从而有效地消除侧边的最小值和最大值。在两个信号间的增益的不匹配增强了这种结果，并使整个响应特性更陡峭。当用作地下电缆定位器的时候，传感器可以由支承在接收器壳体内的感应线圈组成，这些线圈相互平行，在使用中总的来说在水平方向对准而在竖直方向分开。这种改进的响应特性还有利于在所埋的多条电缆靠得很近的区域确定电缆位置。
本发明的权利要求书说明了本发明的新颖特点和范围。但是通过参照附图才能更好地理解本发明自身，其中图1是说明具有单个和两个传感器的典型已有技术的电缆定位器响应特性的曲线图；图2是本发明的电缆定位系统的示意图，其包括有接收装置；图3是在试图定位隔离的电缆的时候，本发明装置的响应特性与已有技术的装置的响应特性相比较的曲线图；和图4-8是在试图对靠近正在传输部分测试电流的第二管路的电缆进行定位的时候，已有技术装置和本发明装置理论响应特性曲线的曲线图。
现在参照附图，特别是参照图2，其表示的是本发明的电缆定位器10的实施例。定位器10总的包括一对空间取向的传感器12和14，传感器12和14与一个信号处理单元16相连，而信号处理单元16与指示器18、键盘20和电源(电池)22相连。所有这些部件可以装在一个共同的壳体24中，这与5,093,622号美国专利记载的相似。指示器18和键盘20还可以采取与这一专利的控制板相似的形式，指示器包括一个可视显示器和一个声音扬声器，键盘20包括电源开/关、频率选择、信号校对和深度读数的按钮。虽然本发明也可以变换为采用电场电容器板，但传感器12和14最好是采用磁场感应线圈。这些线圈的轴基本上是平行的，传感器最好装在壳体24中，以便使用期间持拿该装置时，传感器基本水平平行于大地表面26而且在垂直方向上是分开的，定义传感器12为上部传感器，传感器14为下部传感器。
术语“水平方向的”和“垂直方向上”的这种使用在说明使用定位装置10确定地下管路位置的情况中是精确的，但这并不意味着认为只限于探测。例如，如果所要定位的管路埋在靠近一堵倾斜的残墙的地方，或者电缆是沿建筑物墙壁铺设的，则要调节壳体倾斜的幅度以垂直墙壁的表面。
传感器12和14检测由所要定位的管线，例如地下管路28中的交流电流所产生的电磁信号。电流(以已知频率为例如577赫兹或33千赫兹)可以直接施加于管路28上或通过一般的发射器30感应。接收到的信号由信号处理单元16的前置放大器32和34放大。然后由可变增益放大器36对这些放大的信号进行相减合成，放大器36输出的信号经过带通滤波器38。最后处理的输出信号输送给指示器18。
上段还说明了典型的已有技术的双峰值检测器。但是，本发明与已有技术的不同在于在传感器信号相减之前，对其中一个传感器信号进行了相移。这个步骤可以用多种不同的方式来完成，但最好是通过一个RC电路来完成，这个RC电路包括一个串联电阻器46和一个电容器40，它们与放大器36的一个输入端电连接。如果定位器10在一个以上频率上工作，比如通过可开关地连接一个差分电容器42来代替电容器40，从而提供一个具有不同响应特性的附加RC电路。在这种情况下，通过一个接口控制逻辑电路44选择RC电路，电路44还与带通滤波器38相连以调节通过的宽度。逻辑电路44控制RC电路与地(公共地或外壳)之间的开关。另一种方法是可以在一个单独RC电路中使用可变电阻器和/或可变电容器。在定位器10是复频率的实施例中，滤波器38当然是可编程的。控制逻辑电路44还包括一个自动增益控制部分以自动调节放大器36。还可以采用一个压伸器(Compander)(一般的压缩/扩展电路—没有示出)以便对接收信号的变化提供更细的灵敏度。
信号间相对相移的结果是实际消除了在已有技术的双峰值系统的主峰任意一侧所通常存在的最低点。图3的曲线表示了这一点，图3表示的是本发明定位器的响应曲线C(下面进一步说明曲线C也反映了增益不匹配)；为便于比较图3还包括已有技术的响应曲线A和B。这种改进的产生是基于这样的事实，即除非两个信号等于零，具有不等于0或180度相位差的两个交流信号的差或和绝对不可能等于零。因此，来自传感器12和14的两个(相移)信号的差绝对不会是零，从而使响应曲线C的最低点提高了。相移可以在5到25度之间变化，最好是约为12度。在不同的频率上可以提供不同的相移。对于工作在上述频率上的定位器10，RC电路具有下面例举的规格一个2千欧的电阻器46(假定下面给定的电阻器41和43的数值)，一个39毫微法的电容器40(对于577赫兹)，和一个680微微法的电容器42(对于33千赫)。
通过同时增加信号中的一个的相对增益可以增强信号间相移所产生的效果。这通过连接一个与电容器40并联的另一个电阻器41(和通过在另一个RC电路中进行相似的连接，例如使电阻器43与电容器42相并联)来实现。图2表示了向上部传感器12提供相移和增益不匹配的最佳方式。当然，也可以改变来自传感器14的信号，进一步详细考虑的是在一个信号中引入相移，同时向另一个信号提供增益不匹配。如果要改变的是来自上部传感器12的信号，该信号的增益应该是减小的，但是如果改变的是来自下部传感器14的信号，该信号的增益应该是增加的。应该理解到可以采用其它方法来产生增益不匹配，例如通过具有不同特性的前置放大器32和34来实现。
在相移提高曲线C侧边的最低点的同时，增益不匹配通过平整侧峰来对这个结果进行补充。如图4-8所示，通过采用增益和相移不匹配，可以明显减少来自相邻管路的干扰。通过采用每一个阻抗约为6.65千欧的电阻器41和43相对增益强度可以在1到4分贝之间变化，最好是大约2.4分贝。本领域的普通技术人员应该知道相移的度数和增益不匹配的量的组合的最佳选择取决于若干个工作因素，最重要的是传感器之间的距离和电缆的近似深度。前面所述的最佳数值反映了关于工作参数的一定假设以及经验分析。
在图4-8的每一幅图中，响应特性曲线A代表了已有技术双峰值方法的理论响应特性，而曲线C代表了本发明方法的理论响应特性。曲线C是移相12度并衰减2.4分贝得到的。图4表示的是这种情况下的响应特性，即主电缆位于2英尺的深度，第二电缆位于3英尺的深度，向右离开主电缆9英尺并传输主电缆的 电流(负电流值表示在第二电缆中流动的电流的方向与主电缆的电流方向相反，即返回电流)。在图5中，主电缆位于3英尺的深度，第二电缆也位于3英尺的深度，向右离开主电缆6英尺并传输主电缆 的电流。图6表示的是这种情况下的响应特性，即主电缆位于3英尺的深度，第二电缆位于2英尺的深度，向右离开主电缆6英尺并传输主电缆 的电流。在图7中，主电缆位于3英尺的深度，第二电缆位于1.5英尺的深度，向右离开主电缆4英尺并传输主电缆 的电流。最后，图8表示的是这种情况下的响应特性，即主电缆位于3英尺的深度，第二电缆位于3英尺的深度，向右离开主电缆8英尺并传输主电缆 的电流。
在绝大多数情况下实验数据与理论结果相匹配，消除响应特性曲线上的最低点和侧峰。如从图4-8可以看到的，当消除了侧边最低点和侧峰的时候，在响应特性曲线上峰的数目和这些峰各自的位置更准确地与传输发射信号的埋藏管路的实际位置相对应，这样，在绝大多数情况下消除了混乱。在特别密集的区域，其中多条相邻电缆传输相同的测试信号，这里说明的相移双峰值方法的响应特性曲线可能会有一些侧峰；但是，这些侧峰的有效幅度和数量几乎总是低于已有的双峰装置的情况。
定位器10的使用很简单。但是在定位器10使用之前，发射器30必须在一些已知、容易找到的地方与管路相耦合。如果管路已经传输了交流电流，则不需要这个步骤，例如，如果是已知频率(60赫兹)的电源，假定定位器能够在这个频率上工作。定位器使用者可以在发射器所在位置或发射器附近开始定位并追寻电缆。通过一个把手拿着定位器，把手使定位器的取向自然处于合适的位置。按下电源开/关按钮，接下来可以检查电池临界值(任选电路通过可视图象或声音警报指示任何低电池条件)。使用者可以根据自己的愿望选择键盘20上的另外的按钮，以便不使用指示器18的扬声器部分而只依靠可视显示器进行指示。如果定位器能够进行复频检测，通过键盘20选择合适的频率。可以使用另一个按钮复位自动增益控制(在定位过程中这个按钮可以重复使用，以压伸器更高的灵敏度来保持信号响应)。
使用者可以通过在非常靠近发射器的管路路线上前后摆动(平移)跨越管路来对定位器进行检验。在定位器10如此移动时，来自信号处理器16的输出信号发生变化，当定位器最靠近(直接位于其上方)管路时，输出信号变得最强。在使用者离开发射器走动的时候，定位器要继续摆动，走动要沿着最大信号强度所指示的路线。
虽然本发明已经参照特定实施例进行了说明，但是这种说明并不解释成是限定性的。参照本发明的说明，对于本领域的普通技术人员来说，所述实施例的各种变化以及本发明的变换实施例是很明显的。例如，可以知道由上述模拟电路实现的相移和增益不匹配也可以由数字电路来实现，例如可编程微处理器，模-数转换器等。虽然这些变换设计在本发明的范围之内，但是这些变换设计因成本比所说明的实施例要高而被认为不是更好的。因此，可以预计在不离开由所附的权利要求书限定的本发明的实质和范围的情况下可以实现这些变化。
权利要求
1.一种检测由传输交流电流的隐藏管路发射的测试信号的装置，包括第一装置，用于检测测试信号并根据所测测试信号产生第一电信号；第二装置，用于检测测试信号并根据测试信号产生第二电信号，所述的第二检测装置在空间上与所述的第一检测装置分开，所述的第一和第二检测装置的每一个基本上是平行的；用于把所述的第一电信号相对所述的第二电信号进行相移，生成一个相移信号的装置；用于把所述的相移信号与所述的第二电信号进行减法比较，产生一个电输出信号的装置；和用于提供所述的输出信号幅值的指示的装置。
2.权利要求1所述的装置，其中所述的第一和第二检测装置各由具有一个轴的第一和第二感应线圈构成，还包括一个壳体，所述的第一和第二感应线圈装在所述的壳体里，而且所述的轴基本平行。
3.权利要求1所述的装置，其中，所述的比较装置有一个输入端与所述的第一检测装置电连接；和所述的相移装置包括一个RC电路，所述的RC电路与所述的比较装置的所述的输入端电连接。
4.权利要求1所述的装置，还包括用于相对于所述的第二信号幅度增加所述的第一信号幅度的装置。
5.权利要求1所述的装置，还包括用于相对于所述第二信号幅度减小所述第一信号的幅度的装置。
6.权利要求1所述的装置，其中所述的第一和第二电信号，所述的相移信号和所述的输出信号都是模拟信号。
7.权利要求1所述的适合于检测至少两个频率的测试信号的装置，其中所述的相移装置对于所述的两个频率提供的相移量是不同的。
8.权利要求1所述的装置还包括对所述的第二检测装置到隐藏的管路的距离进行估算的装置。
9.权利要求1所述的装置还包括对在隐藏管路中传输的电流的量进行估算的装置。
10.权利要求1所述的适合检测至少两个频率的测试信号的装置，还包括逻辑装置，用于选择所述的两个频率中的一个；和键盘装置，用于手动控制所述的逻辑装置。
11.权利要求1所述的装置，其中所述的相移在5到25度的范围之内。
12.权利要求5所述的装置，其中所述的增益增加在1到4分贝范围之内。
13.权利要求10所述的装置，其中所述的比较装置有一个输入端与所述的第一检测装置电连接；和所述的相移装置包括至少两个RC电路，所述的两个RC电路与所述的比较装置的所述输入端电连接，所述RC电路的每一个都包括有开关装置，所述的开关装置将所述的RC电路有选择地与地相连，所述的开关装置响应于所述的逻辑装置。
14.权利要求13所述的装置，还包括用于改变所述的第一与第二电信号相对增益的装置。
15.一种检测传输交流电流的隐藏管路发射的测试信号的装置，所述的装置包括用于检测测试信号和根据该测试信号产生第一电信号的第一装置，用于检测测试信号并根据该测试信号产生第二电信号的第二装置，所述的第二检测装置在空间上偏离所述的第一检测装置，用于将所述的第一和第二信号进行相减比较而产生一个电输出信号的装置，和提供所述输出信号幅度指示的装置，其中改进在于包括使所述的第一电信号相对所述的第二电信号移相的装置。
16.权利要求15所述的装置，其中的改进在于还包括用于改变所述的第一与第二电信号相对增益的装置。
17.权利要求15所述的适合于检测至少两个频率的测试信号的装置，其中所述的相移装置对于所述的两个频率提供不同的相移量。
18.一种对埋藏或以其它方式隐藏的能够传输交流电流的管线进行定位的系统，包括用于沿所述管线以已知频率发送交流电流的发射装置，和用于检测电磁信号的接收装置，所述的接收装置包括一个壳体；一个具有一个轴的第一感应线圈，其安装在所述的壳体上；一个具有一个轴的第二感应线圈，其安装在所述的壳体上，所述第一和第二线圈的所述的轴基本平行；第一前置放大器，其与所述的第一感应线圈相连，第一前置放大器的输出端串联一个电阻器，以改变由所述的第一和第二线圈接收的信号的相对增益；第二前置放大器，其具有一个输出端并与所述的第二感应线圈相连；一个可变增益放大器，其第一输入端与所述的串联电阻相连，其第二输入端与所述的第二前置放大器的所述输出端相连，所述的可变增益放大器还具有一个输出端；多个RC电路，每一个RC电路都与所述的可变增益放大器的所述第一输入端相连，而且每一个RC电路都是可开关地与地相连，所述的RC电路分别在不同的频率上对信号的移相进行调谐。可编程带通滤波器装置，用于在所述的不同频率上有选择地通过信号，所述的带通滤波器有一个输入端和一个输出端，所述的输入端与所述的可变增益放大器的所述输出端相连；逻辑装置，用于选择所述的不同频率中的一个频率；键盘装置，用于手动控制所述的逻辑装置；和用于提供在所述带通滤波器的所述输出端输出的信号的幅度指示的装置。
19.一种确定能够传输交流电流的隐藏管线的位置的方法，包括沿所述管线以已知频率提供交流电流的步骤，和通过如下步骤检测沿管线路线发射的电磁信号的相对强度，这些步骤是分别从检测发射的电磁信号的第一和第二装置获得第一和第二电信号；使所述的第一信号相对所述的第二信号移相；对所述的第一相移信号与所述的第二信号进行相减比较以产生一个输出信号；和检查输出信号的强度。
20.权利要求19所述的方法，还包括在进行所述的比较步骤之前，相对于所述的第二信号的增益减小所述的第一信号的增益的步骤。
全文摘要
一种确定象隐埋的电缆这样的隐藏管线(28)的装置，采用了一种新颖的信号处理技术以提高该装置特别是在管线密集区域的灵敏度。这种电缆定位装置(10)与已有技术的双峰值检测装置相类似，对来自两个平行的感应线圈(12，14)的信号进行比较，但是在进行比较之前要对信号中的一个进行移相。这种相移的作用使在已有技术的双峰值装置的响应特性曲线上的所述最低点的影响最小。
文档编号G01V3/10GK1117316SQ94191050
公开日1996年2月21日 申请日期1994年1月14日 优先权日1993年1月29日
发明者Z·H·多安尼 申请人:明尼苏达矿产制造公司