本實用新型涉及一種油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，尤其涉及一種近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著地下空間資源的日益緊張，在地下管線建設管理、管線維護和更換工程中，準確探測已有地下管網(wǎng)的管道位置與形狀走向，開展非開挖施工條件下地下管線的探測技術(shù)和設備的研究開發(fā)具有重要的使用價值和經(jīng)濟價值。尤其是對于油氣集輸管道，由于結(jié)垢、腐蝕、沖刷磨損等多種原因需要對油氣集輸管線和設備進行定期的管線維護和更換工程，但由于已有油氣集輸管線施工的歷史原因，不同程度存在著注水管線、油品管線、氣集管線等集輸管線交錯埋設，原有施工埋設不規(guī)范、時間跨度大，地質(zhì)條件復雜，地下管網(wǎng)資料缺失等現(xiàn)象，極大地影響了油氣集輸管線維護、更換工程的施工進程，甚至給油氣集輸管線的維護施工帶來極大的安全隱患，因此對地下油氣集輸管線的管道位置與形狀走向等資料信息的探測技術(shù)和設備的研究具有迫切的實用性與重要性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，在油氣集輸管線清洗、解堵等維護和敷設工程中可以準確判定已有油氣集輸管線的管道走向位置，并能夠確定、標定區(qū)分多條近間距復雜油氣集輸管線中的某一條管線的來源及走向，以保證對需要維護的集輸管線進行準確的維護施工，最大程度的保證施工安全，防止錯誤施工帶來的環(huán)境污染、人身設備等惡性事故的發(fā)生。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，包括信號發(fā)射裝置、探測接收裝置、夾鉗式發(fā)射探頭和夾鉗式接收探頭；夾鉗式發(fā)射探頭通過電纜與信號發(fā)射裝置的控制箱相連，夾鉗式接收探頭通過電纜與探測接收裝置的控制箱相連，被測油氣管線穿入夾鉗式發(fā)射探頭和夾鉗式接收探頭中。

所述的信號發(fā)射裝置包括主控制器；所述的主控制器上交互連接有信號發(fā)生器、信號調(diào)理模塊、功率放大電路、觸摸顯示屏和電源轉(zhuǎn)換模塊，主控制器上還連接有頻率及配諧電容選擇電路，頻率及配諧電容選擇電路還與夾鉗式發(fā)射探頭和功率放大電路連接，被測油氣管線穿入夾鉗式發(fā)射探頭中，電源轉(zhuǎn)換模塊上連接有蓄電池及充電控制電路，蓄電池及充電控制電路上輸入有外部交流220V電源或者直接使用蓄電池。

所述的信號發(fā)射裝置還包括聲光報警電路，聲光報警電路與主控制器相連。

所述的主控制器采用STC15W4K單片機作為控制核心，STC15W4K單片機包括內(nèi)部集成復位電路，4組獨立的高速異步串行通信接口，8路高速10位A/D和6通道的15位高精度PWM；信號發(fā)生器為DDS信號發(fā)生器；信號調(diào)理模塊，用于將信號發(fā)生器輸出的信號進行信號整形、放大，以便與功率放大電路相適應，功率放大電路采用變壓器耦合式功放電路，變壓器采用一個初級繞組、四個次級繞組的多繞組環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)；頻率及配諧電容選擇電路，用于保證激發(fā)信號的頻率和夾鉗式發(fā)射探頭的諧振頻率相一致，使配諧電容和發(fā)射線圈處于串聯(lián)諧振狀態(tài)；觸摸顯示屏電阻式觸摸顯示屏。

所述的DDS信號發(fā)生器為可編程波形發(fā)生器AD9833。

所述的探測接收裝置包括主控制器；主控制器上交互連接有電源轉(zhuǎn)換模塊、信號處理電路、觸摸顯示屏和聲光指示電路；所述的主控制器上還連接有配諧及前置放大電路，配諧及前置放大電路還與信號處理電路相連，電源轉(zhuǎn)換模塊上連接有鋰電池及充電控制電路。

所述的信號處理電路包括真有效值轉(zhuǎn)換電路、帶通濾波電路以及程控放大電路，真有效值轉(zhuǎn)換電路與主控制器上的A/D轉(zhuǎn)換電路相連，帶通濾波電路以及程控放大電路與主控制器相連，配諧及前置放大電路與程控放大電路相連。

所述的主控制器采用STC15W4K單片機作為控制核心，STC15W4K單片機包括內(nèi)部集成復位電路，4組獨立的高速異步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM；程控放大電路采用程控放大器；帶通濾波電路采用MAX262開關(guān)電容濾波器；真有效值轉(zhuǎn)換電路采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637；觸摸顯示屏為電阻式觸摸顯示屏；主控制器和觸摸顯示屏采用串口通訊。

所述的程控放大器采用雙通道壓控增益放大器AD605和12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5618。

所述的夾鉗式發(fā)射探頭采用高導磁率的非晶合金作為發(fā)射線圈的磁芯；夾鉗式接收探頭采用高導磁率的非晶合金作為接收線圈的磁芯；其中，磁芯為環(huán)形磁芯。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益的技術(shù)效果：

本實用新型提供的近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，采用電磁感應原理進行油氣集輸管線定位探測，是一種安全無損檢測方法。探測對象是具有一定導電性的地下管線。它采用專門的信號發(fā)射裝置，通過夾鉗耦合法利用夾鉗內(nèi)的磁芯和線圈作為初級激勵繞組，來形成環(huán)繞待測管線的一定頻率的電磁場信號，這個由交流信號產(chǎn)生的交變磁場在管線方向上產(chǎn)生感應電動勢，根據(jù)管線的導電性及綜合阻抗，產(chǎn)生相應的感生電流，該感應電流在管線周圍激發(fā)二次電磁場，這樣通過探測接收裝置來測量二次電磁場的強度和分布，從而確定待測管線的路由走向、平面位置和埋深。這種方法的特點是探測定位精度高、抗干擾能力強、適用范圍廣、探測距離遠、易分辨相鄰管線，工作方法安全可靠。

同時，探測接收裝置采用高導磁率的非晶合金作為接收線圈的磁芯，采用配諧電容技術(shù)，帶通濾波選頻電路，極大地提高了接收信號的識別能力和定位準確度。

本實用新型提供的近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，在油氣集輸管線清洗、解堵等維護和敷設工程中可以準確判定既有油氣集輸管線的管道走向位置，并能夠確定、標定區(qū)分多條近間距復雜油氣集輸管線中的某一條管線的來源及走向，以保證對需要維護的集輸管線進行準確的維護施工，最大程度的保證施工安全，防止錯誤施工帶來的環(huán)境污染、人身設備等惡性事故的發(fā)生。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是信號發(fā)射裝置的原理框圖；

圖3是探測接收裝置的原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本實用新型做進一步的詳細說明，所述是對本實用新型的解釋而不是限定。

參見圖1至圖3，一種近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，包括信號發(fā)射裝置、探測接收裝置、夾鉗式發(fā)射探頭和夾鉗式接收探頭；夾鉗式發(fā)射探頭通過電纜與信號發(fā)射裝置的控制箱相連，夾鉗式接收探頭通過電纜與探測接收裝置的控制箱相連，被測油氣管線穿入夾鉗式發(fā)射探頭和夾鉗式接收探頭中。所述的夾鉗式發(fā)射探頭采用高導磁率的非晶合金作為發(fā)射線圈的磁芯；夾鉗式接收探頭采用高導磁率的非晶合金作為接收線圈的磁芯；其中，磁芯為環(huán)形磁芯。

其中，所述的信號發(fā)射裝置包括主控制器；所述的主控制器上交互連接有信號發(fā)生器、信號調(diào)理模塊、功率放大電路、觸摸顯示屏和電源轉(zhuǎn)換模塊，主控制器上還連接有頻率及配諧電容選擇電路，頻率及配諧電容選擇電路還與夾鉗式發(fā)射探頭和功率放大電路連接，被測油氣管線穿入夾鉗式發(fā)射探頭中，電源轉(zhuǎn)換模塊上連接有蓄電池及充電控制電路，蓄電池及充電控制電路上輸入有外部交流220V電源或者直接使用蓄電池；所述的信號發(fā)射裝置還包括聲光報警電路，聲光報警電路與主控制器相連。所述的探測接收裝置包括主控制器；主控制器上交互連接有電源轉(zhuǎn)換模塊、信號處理電路、觸摸顯示屏和聲光指示電路；所述的主控制器上還連接有配諧及前置放大電路，配諧及前置放大電路還與信號處理電路相連，電源轉(zhuǎn)換模塊上連接有鋰電池及充電控制電路；所述的信號處理電路包括真有效值轉(zhuǎn)換電路、帶通濾波電路以及程控放大電路，真有效值轉(zhuǎn)換電路與主控制器上的A/D轉(zhuǎn)換電路相連，帶通濾波電路以及程控放大電路與主控制器相連，配諧及前置放大電路與程控放大電路相連。

具體的，所述的主控制器采用STC15W4K單片機作為控制核心，STC15W4K單片機包括內(nèi)部集成復位電路，4組獨立的高速異步串行通信接口，8路高速10位A/D和6通道的15位高精度PWM；信號發(fā)生器為DDS信號發(fā)生器；信號調(diào)理模塊，用于將信號發(fā)生器輸出的信號進行信號整形、放大，以便與功率放大電路相適應，功率放大電路采用變壓器耦合式功放電路，變壓器采用一個初級繞組、四個次級繞組的多繞組環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)；頻率及配諧電容選擇電路，用于保證激發(fā)信號的頻率和夾鉗式發(fā)射探頭的諧振頻率相一致，使配諧電容和發(fā)射線圈處于串聯(lián)諧振狀態(tài)；觸摸顯示屏電阻式觸摸顯示屏。其中，所述的DDS信號發(fā)生器為可編程波形發(fā)生器AD9833。

所述的主控制器采用STC15W4K單片機作為控制核心，STC15W4K單片機包括內(nèi)部集成復位電路，4組獨立的高速異步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM；程控放大電路采用程控放大器；帶通濾波電路采用MAX262開關(guān)電容濾波器；真有效值轉(zhuǎn)換電路采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637；觸摸顯示屏為電阻式觸摸顯示屏；主控制器和觸摸顯示屏采用串口通訊；所述的程控放大器采用雙通道壓控增益放大器AD605和12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5618。

具體的，近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，包括信號發(fā)射裝置、探測接收裝置兩部分；信號發(fā)射裝置需與探測接收裝置配合使用。本系統(tǒng)采用夾鉗耦合模式給被測管線施加一定頻率的交流激發(fā)信號，從而在被測油氣集輸管線周圍建立交變磁場，管線在交變磁場的激勵下，從而形成交變感應電流，感應電流沿管線走向進行傳播并在管線周圍形成交變磁場，此場即二次場，這樣通過在接收端測試二次場的變化可以來探測、確定管線的路由走向、平面位置和埋深。

(一)信號發(fā)射裝置：

信號發(fā)射裝置包括電源轉(zhuǎn)換模塊、主控制器及信號發(fā)生器和觸摸顯示屏以及與該裝置配合使用的夾鉗式發(fā)射探頭。其中輸入電源使用外部交流220V電源或者直接使用蓄電池，經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊變換為信號發(fā)射裝置所需的各種電源；主控制器包括主控制器CPU，信號發(fā)生器包括DDS信號發(fā)生器，以及功率放大電路；觸摸顯示屏采用電阻式觸摸顯示屏，用于選擇發(fā)射信號頻率和設置發(fā)射功率；夾鉗式發(fā)射探頭通過電纜與信號發(fā)射裝置的控制箱相聯(lián)。所述信號發(fā)射裝置具有阻抗匹配功能，具有多種發(fā)射頻率和發(fā)射功率調(diào)節(jié)功能。信號發(fā)射裝置的原理框圖如圖2所示；具體包括以下部件：

1.主控制器：信號發(fā)射裝置采用高速、低功耗、超強抗干擾的STC15W4K單片機作為控制核心，它具有豐富的內(nèi)部資源和外部接口電路，包括內(nèi)部集成專用復位電路，4組獨立的高速異步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM，便于實現(xiàn)電源監(jiān)測、激發(fā)信號控制、觸摸顯示屏等外部模塊的控制功能。

2.DDS信號發(fā)生器：在油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)中，為滿足不同管徑、不同距離以及多金屬管線交叉情況下目標金屬管線的定位探測的需要，選用低功耗、可編程波形發(fā)生器AD9833產(chǎn)生四種400Hz、8kHz、30kHz、80kHz不同頻率的信號作為激發(fā)信號，以便用戶根據(jù)不同地質(zhì)和環(huán)境條件下選擇使用。

3.信號調(diào)理模塊及功率放大電路：信號調(diào)理模塊的主要功能是將可編程波形發(fā)生器輸出的信號進行信號整形、放大，以便與功率放大電路相適應。功率放大電路采用變壓器耦合式功放電路。為滿足不同地質(zhì)和環(huán)境條件下目標管線定位探測不同激發(fā)功率的實際需要，變壓器采用一個初級繞組、四個次級繞組的多繞組環(huán)形鐵心結(jié)構(gòu)。信號調(diào)理模塊的輸出信號連接到變壓器的初級繞組，從而在變壓器的四組次級繞組上分別產(chǎn)生四組不同電壓的激勵信號。這四組不同電壓、不同功率的激勵信號分別連接四個雙刀雙擲繼電器的輸出觸點，這樣通過單片機選擇控制繼電器的通斷，從而選通不同繞組輸出的激勵信號施加到后續(xù)的夾鉗式發(fā)射探頭，從而實現(xiàn)功率放大、阻抗變換及負載匹配，功率選擇等功能。

4.頻率及配諧電容選擇電路：頻率及配諧電容選擇電路的主要功能是保證激發(fā)信號的頻率和夾鉗式發(fā)射探頭的諧振頻率相一致，使配諧電容和發(fā)射線圈處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，此時諧振回路阻抗最小，電流最大，以提高電磁轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)功耗和實現(xiàn)最大功率發(fā)射。諧振電容的容值由公式根據(jù)激勵信號的頻率和夾鉗式發(fā)射探頭的電感量來計算和測試確定，最后利用單片機控制繼電器來完成不同激勵信號頻率下諧振電容的選通，實現(xiàn)信號發(fā)射裝置的負載近似為純阻性負載，利用功放變壓器完成阻抗變換及負載匹配，實現(xiàn)夾鉗式發(fā)射探頭的諧振功率傳輸和發(fā)射。

5.觸摸顯示屏：信號發(fā)射裝置的人機接口采用工業(yè)級串口電阻式觸摸顯示屏，主控制器和觸摸顯示屏采用串口通訊，智能的顯示界面和布局以及邏輯控制功能采用底層軟件開發(fā)制作，信號發(fā)射頻率和發(fā)射功率均可以通過用戶在觸摸顯示屏直接操作預先封裝好的功能控件來實現(xiàn)。這樣既可以降低主控制器對液晶模塊界面驅(qū)動的額外負擔和速度瓶頸，又可以支持觸摸屏操作，輕松實現(xiàn)可視化的動態(tài)界面。

(二)探測接收裝置

探測接收裝置包括電源轉(zhuǎn)換模塊、主控制器、信號處理電路及觸摸顯示屏以及與該裝置配合使用的夾鉗式接收探頭。探測接收裝置采用鋰電池供電，經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊變換為探測接收裝置所需的各種電源；主控制器及信號處理電路包括主控制器CPU和信號放大、帶通濾波，聲光報警等電路；觸摸顯示屏采用電阻式觸摸顯示屏，用于顯示定位信號、接收信號的強度以及與接收信號的相關(guān)程度；夾鉗式接收探頭通過電纜與探測接收裝置相連。探測接收裝置的原理框圖如圖3所示；

1.主控制器：探測接收裝置采用高速、低功耗、超強抗干擾的宏晶科技的STC15W4K單片機作為控制核心，它具有豐富的內(nèi)部資源和外部接口電路，包括內(nèi)部集成專用復位電路，4組獨立的高速異步串行通信接口，8路高速10位A/D，6通道的15位高精度PWM，便于實現(xiàn)電源監(jiān)測、程控放大控制、帶通濾波中心頻率選擇和A/D轉(zhuǎn)換等外部接口電路的控制功能。

2.配諧及前置放大電路：在油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)中，由于二次場信號相對較弱，因此采用高導磁率的非晶合金作為夾鉗式接收探頭的接收線圈的磁芯。另外為提高接收信號的識別能力和定位準確度，利用單片機控制CMOS單向模擬開關(guān)，形成與信號發(fā)射裝置的激勵信號頻率一致的選頻電路，選擇與接受線圈電感量相適應的配諧電容，組成LC諧振型的選頻電路，最大程度的提高有效信號的接收利用率，抑制電源噪聲及其他干擾信號。前置放大電路采用低噪聲儀表放大器INA118，經(jīng)過LC選頻和放大后，前放增益可達20db。

3.程控放大電路：為在整個測量范圍內(nèi)獲得合適的分辨率，增大系統(tǒng)的測量范圍，系統(tǒng)采用程控放大器對信號進行進一步放大處理。程控放大器選用低噪聲的雙通道壓控增益放大器AD605和12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5618，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考電壓為+2.5V。單片機根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果來判斷接收信號幅度的大小，去控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5618的輸出電壓，進而控制壓控增益放大器AD605的大小，從而實現(xiàn)接收增益的自動調(diào)節(jié)。

4.帶通濾波電路：由于接收到的信號中難免夾雜一些噪聲，為了濾除這些噪聲信號，采用MAX262開關(guān)電容濾波器來實現(xiàn)多頻點帶通濾波，以便抑制其余頻率的干擾信號。在探測接收裝置，為了實現(xiàn)不同中心頻率點的帶通濾波，我們將系統(tǒng)時鐘通過分頻得到帶通濾波器的中心頻率，同時單片機在程序控制下設置開關(guān)電容濾波器的品質(zhì)因數(shù)和濾波器工作方式，從而實現(xiàn)雙二階通用開關(guān)電容有源帶通濾波器。

5.真有效值轉(zhuǎn)換電路。帶通濾波后的信號仍為交流信號，為便于單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637將此交流信號轉(zhuǎn)換成反映其有效值大小的直流信號。

6.觸摸顯示屏：探測接收裝置的人機接口采用工業(yè)級串口電阻式觸摸顯示屏，主控制器和觸摸顯示屏采用串口通訊。用戶在使用時需要在觸摸顯示屏上選擇接收信號的頻率，這樣接收信號的大小、接收信號的強度以及與接收信號的相關(guān)程度和主頻會實時顯示到顯示屏上，同時也可通過音調(diào)變化直觀地反映測量的信號大小。另外探測接收裝置的顯示屏上會直觀顯示電量大小，當電量低到保護值時會發(fā)出報警并自動關(guān)機。

本實用新型提供的近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，采用電磁感應原理進行油氣集輸管線定位探測，是一種安全無損檢測方法。探測對象是具有一定導電性的地下管線。它采用專門的信號發(fā)射裝置，通過夾鉗耦合法利用夾鉗內(nèi)的環(huán)形磁芯和線圈作為初級激勵繞組，來形成環(huán)繞待測管線的一定頻率的電磁場信號，這個由交流信號產(chǎn)生的交變磁場在管線方向上產(chǎn)生感應電動勢，根據(jù)管線的導電性及綜合阻抗，產(chǎn)生相應的感生電流，該感應電流在管線周圍激發(fā)二次電磁場，這樣通過探測接收裝置來測量二次電磁場的強度和分布，從而確定待測管線的路由走向、平面位置和埋深。這種方法的特點是探測定位精度高、抗干擾能力強、適用范圍廣、探測距離遠、易分辨相鄰管線，工作方法安全可靠。

同時，探測接收裝置采用高導磁率的非晶合金作為接收線圈的磁芯，采用配諧電容技術(shù)，帶通濾波選頻電路，極大地提高了接收信號的識別能力和定位準確度。

本實用新型提供的近間距油氣集輸管線定位探測系統(tǒng)，在油氣集輸管線清洗、解堵等維護和敷設工程中可以準確判定既有油氣集輸管線的管道走向位置，并能夠確定、標定區(qū)分多條近間距復雜油氣集輸管線中的某一條管線的來源及走向，以保證對需要維護的集輸管線進行準確的維護施工，最大程度的保證施工安全，防止錯誤施工帶來的環(huán)境污染、人身設備等惡性事故的發(fā)生。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。