卫星同步的埋地及水下金属管道探测信号发射装置及其施加方法

摘要

卫星同步的埋地及水下金属管道探测信号发射装置及探测方法，解决大埋深、长跨度埋地及水下穿越金属管道探测信号因衰减导致信号强度和传输距离不能满足探测要求的问题。该发射装置包括信号发射机，控制电路及其控制的4个两两串联再并联的固态继电器，两个固态继电器的中间节点引出作为两个信号输出端，一个接地，一个接待测管道。通过接收GPS秒脉冲信号实现输出探测信号在时序上严格同步，使两台发射装置给管道施加的检测电流能够实现完全同步叠加，达到管道上的检测电流在传输过程中相互补强，从而增加探测信号的强度，增大对管道的有效探测深度和距离，从而实现对大埋深、长跨度穿越管道的探测目的。

说明书

技术领域

本发明的卫星同步探测脉冲信号发射装置，涉及大埋深地下金属管道路由探测和埋深测量信号的叠加，属于埋地及水下金属管道探测的应用技术领域。

背景技术

通过定向钻穿越施工的管道，以及江河、湖泊等水下穿越管道所处的是一个特殊的长跨度、大埋深环境，在探测其路由和测量埋深过程中，需要给待探测的管道施加足够强度的探测电流信号。若不能准确地对埋地及水下穿越管道实施定位，腐蚀与防护状况等其它腐蚀检测就无法有效实施。

一般常规陆上探测信号施加方法是：

1.地极法：在管道一端架设信号发射机，信号发射机的一端输出线与管道连接，另一输出端与接地极连接。使发射的电流信号通过接地极、大地与管道防腐层表面形成导电回路传输。探测电流信号的传输距离和质量与土壤环境的导电程度、管道外防腐层的绝缘性能和完整程度等因素决定的传输回路的电阻有关。当土壤导电性差、防腐层绝缘性能差、防腐层完整度低时，能够施加到管道的信号电流就小，传输距离就短；反之，信号传输距离则远。

2.回路连接法：为避免环境影响、提高探测信号电流强度，在管道两端直接与发射机相连，使管道和发射机自身输出线形成供电回路。如果防腐层适当，信号流失很少，信号强度和传输距离都会大幅度提高。

对于定向钻穿越的地下、水下管道而言，地极法传输距离受限，回路连接法环境条件受限；通过在探测段两端各自施加信号的叠加法是应对二者局限性的有效方法。

发明内容

本发明目的是解决大埋深、长跨度埋地及水下穿越金属管道探测信号因衰减导致信号强度和传输距离不能满足探测要求的问题，提供一种卫星同步的埋地及水下金属管道探测信号发射装置及施加方法。本发明主要应用于大埋深、长跨度埋地及水下穿越金属管道的路由探测、埋深测量。

本发明的技术方案

1、卫星同步的埋地及水下金属管道探测信号发射装置

发射装置包括信号调制单元，控制电路，以及卫星秒脉冲接收单元。在信号调制单元内的两个电流信号输出端之间并联两个固态继电器支路，每个固态继电器支路上各串联两个固态继电器，共计4个固态继电器，将两个固态继电器支路的中间节点引出作为两个信号输出端，一个接地，一个接待测管道，4个固态继电器由控制电路按照其连接的卫星秒脉冲接收单元获取的同步信号，根据设定的时序进行通断控制，从而实现埋地及水下管道探测信号的调制和发射。

发射装置的具体实现方法是：

1)通过卫星秒脉冲接收单元接收卫星广播的秒脉冲信号，可对发射机的内置时钟进行精确校准，避免远距离工作的两台发射机发射的电流信号不能长时间同步的问题。卫星同步的两台信号发射装置能够长时间发送严格同步的探测信号，在同一时刻对同一目标施加的信号强度可以实现同步叠加。

2)以微处理器为核心的控制电路，通过控制4个固态继电器的有序通断，将直流电源的电流，调制成设定频率的直流脉冲信号，施加到待检测的管道上，实现大埋深、长跨越管道的路由探测和埋深测量。

3)可同时输出的具有正负半周的直流脉冲电流信号可以消除探测信号对管道阴极保护极化电位的影响。

2、应用上述探测信号发射装置进行探测信号的施加方法，步骤如下：

1)在待检测管道的两端各架设一台以上所述的探测信号发射装置，探测信号发射装置的一个信号输出端接地，另一个信号输出端连接到待测管道的一端；

2)两台探测信号发射装置分别通过卫星秒脉冲接收单元接收卫星广播的秒脉冲信号，以便对发射装置的内置时钟进行精确校准，避免远距离工作的两台发射装置发射的电流信号不能长时间同步的问题，使卫星同步的两台信号发射装置能够长时间发送严格同步的探测信号；

3)在卫星同步信号精度达10^-6秒时进行探测，从而保证两台发射装置在同一时刻对同一目标施加的电流信号可以实现严格地同步叠加，有效增加探测信号的强度和范围，从而实现大埋深穿越管道的路由探测和深度测量。

本发明探测原理及计算依据：基于卫星秒脉冲信号，以微处理器为核心的控制电路，通过控制4个固态继电器的有序通断，将直流电源的输出电流，调制成设定频率的直流脉冲信号，保证在同一时间信号输出幅度、方向精确一致，通过发射机架设方式实现共同作用时正向或反向叠加。

发射机频率和一个波长时间关系：

f—频率，单位Hz；

t—一个完整周期的波长时间，μs。

为了改善接收单元对信号的感应效果，以及保证固态继电器触发和断开的响应时间，在信号正负半波之间引入一定的间隔延时，延时的时长以检测单元的接收特性达到最优来决定。

本发明的优点和有益效果：

本发明应用于大埋深埋地及水下穿越金属管道定位以及腐蚀与防护检测工程。探量的技术参数包括：管道的路由和埋深。在大埋深、长跨度埋地及水下穿越管道探测时，如果地极法施加信号不能有效覆盖被检测管道长度的一半，在两端分别施加信号也不能完成被探测管道的全部管段检测任务。采用本发明方法在被探测管道的两端测试桩(或出土端)各架设一台发射机，同时对被探测管道施加信号，有效检测范围是原来在两端单独架设一台发射机有效检测范围之和的1.5～2.0倍。

应用本发明可以有效改善大埋深埋地及水下穿越金属管道探测信号强度，改变以往的信号施加模式，通过地面接收机或搭载在水下管道检测机器人ROV上的检测装置，实现对水下穿越管道的路由探测和埋深测量。

本发明集信号调制方法、计算模型、施加方式等技术为一体。技术方法及构成中的信号施加方式具有设备结构简单、易于制作、使用方便、探测信号可叠加、有效检测距离加长等优点。当在管道一端用地极法加信号时，信号质量不满足检测管道全部，但有效探测距离大于管段全长的1/4～1/3时，可以使用本发明的发射装置给管道施加探测信号。

附图说明

图1是发射装置控制结构图；

图2是发射装置的控制原理图；

图3是调制后脉冲信号时序图；

图4是ROV水下管道探测示意图；

图5是640Hz交变脉冲信号时序图。

图中，1表示发射装置，2表示卫星天线，3表示穿越管道，4表示水下探测设备，5表示测试桩，6表示探测工作母船。

图2为图1的实现原理图，图中只画出一个固态继电器的连接方式，其它3个连接方式相同。

【具体实施方式】

1、硬件实现：

卫星同步的埋地及水下金属管道探测信号发射装置，包括信号调制单元，控制电路，以及卫星秒脉冲接收单元。在信号调制单元内的两个电流信号输出端之间并联两个固态继电器支路，每个固态继电器支路上各串联两个固态继电器，共计4个固态继电器，将两个固态继电器支路的中间节点引出作为两个信号输出端，一个接地，一个接待测管道，4个固态继电器由控制电路按照其连接的卫星秒脉冲接收单元获取的同步信号，根据设定的时序进行通断控制，从而实现埋地及水下管道探测信号的调制和发射。其中，

1)电源。采用外置的12V～24V蓄电池供电，可串接，最多为96V。

2)交变脉冲电流信号的调制。发射机电路控制原理图(如图2)，控制电路中的秒脉冲接收单元通过卫星天线接收秒脉冲信号，定时校准MCU的内部时钟，MCU通过固态继电器控制电路按设定时序通断，将输入的直流电流调制成交变的脉冲信号(如图3)。

2、探测方法实现：

首先，在穿越管道一端用地极法给管道正常施加信号，探测信号质量，如果信号覆盖质量不能满足检测管道全部，但有效检测距离大于目标区域内管道全长的1/4～1/3时，可以使用本发明的发射装置采用地极法施加信号。

第二步，在待检测管道两端用地极法各架设一台探测信号发射装置，两台发射装置的信号输出端正负极反接，将GPS天线连接到发射装置上，启动信号发射装置，选定同一频率，待秒脉冲接收单元搜星成功，发射装置便可以对管道输出严格同步的探测信号，使两端发射的信号实现叠加。

第三步，陆上检测，沿管道路由搜寻、验证信号质量并实施探测。

水下穿越段的探测方法相同：在两边岸上先确定管道两个可施加信号点的位置，将两点间的管段作为目标区域，将ROV投放到目标区域进行信号追踪和探测，完成整段穿越管道的探测(如图4)。

【具体实施案例】

1.时序设计。对于大埋深探测信号频率采用640Hz。

计算时序：探测信号频率f＝640Hz，一个完整信号所需时间是＝1562.5μs，半波时间0.5t＝781μs。继电器触发响应时间0.1μs、断开相应时间0.9μs。控制时序除了空出固态继电器的响应时间外，考虑接收单元信号感应效果最优，选择480μs通，301.25μs断。

具体控制时序：正半波接通480μs→断开301.25μs→负半波接通480μs→断开301μs，完成一个周期。(图5)

2.元器件选择。MCU控制芯片STM32F103CB、GPS模块和天线、光耦-TLP187(晶体管输出光耦)、N-MOSFET-SKM180A020(MOSFET模块)、隔离电源模块-DCP021212。电源选择由12V串接组成的48V电池组供电。

3.控制程序：

4.实施效果

应用如上参数成功地实现了卫星同步管道探测的发射装置。该装置在宽约为700米的河两侧分别在待检测管道的两端用地极法各架设一台发射装置，两台发射装置的信号输出端正负极反接。采用12V的外接蓄电池供电，实际发射结果，一台的发射电流2.34安培，另一台发射信号电流为1.91安培，在河道中间位置，测得管道上同步信号电流为1.77安培，实现了17.5米深管道的定位探测和埋深测量。