一种埋地钢质长输油气管道综合外检测装置
阅读说明：本技术 一种埋地钢质长输油气管道综合外检测装置 (Comprehensive external detection device for buried steel long oil and gas pipeline ) 是由 张军 诸海博 宋华东 王松亭 常伟 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：一种埋地钢质长输油气管道综合外检测装置,属于管道检测技术领域。通过远程通讯功能实现远程配置参数和状态数据交互,提高测量效率；交流信号发射机和中断器均在GPS时间同步控制下,分时发送信号,不会造成信号互相干扰,提高了测量的准确性；交流信号发射机发射的是单一频率的信号,发射机电路结构简单,体积重量较小；交流信号发射机发射的信号频率大于100Hz,与中断器频率相差较大,相互干扰较小,容易通过硬件和软件滤波进行分离；采用磁敏传感器芯片代替电磁感应线圈,体积和重量均大大减小,频率响应范围扩展10倍以上；采用同步解调电路,提高了信噪比和测量精度；单人使用2根探杖即可完成测量,无需使用A字架,节省人力,提高工作效率。探杖内有姿态传感器,能够提示用户将探杖垂直于地面,提高管道埋深数据的测量准确度。(An integrated external detection device for a buried steel long oil and gas pipeline belongs to the technical field of pipeline detection. Remote configuration parameter and state data interaction is realized through a remote communication function, and the measurement efficiency is improved; the alternating current signal transmitter and the interrupter transmit signals in a time-sharing manner under the synchronous control of the GPS time, so that the signals are not interfered with each other, and the measurement accuracy is improved; the alternating current signal transmitter transmits a signal with single frequency, and the transmitter circuit has a simple structure and small volume and weight; the frequency of the signal transmitted by the alternating current signal transmitter is greater than 100Hz, the difference between the frequency of the signal and the frequency of the interrupter is large, the mutual interference is small, and the signal is easy to separate through hardware and software filtering; the magnetic sensor chip is adopted to replace an electromagnetic induction coil, so that the volume and the weight are both greatly reduced, and the frequency response range is expanded by more than 10 times; a synchronous demodulation circuit is adopted, so that the signal-to-noise ratio and the measurement precision are improved; the single 2 sticks of using can accomplish the measurement, need not to use A font frame, uses manpower sparingly, improves work efficiency. The attitude sensor is arranged in the probe, so that a user can be prompted to enable the probe to be perpendicular to the ground, and the measurement accuracy of the pipeline buried depth data is improved.)
技术领域
本发明属于管道检测技术领域，特别涉及一种埋地钢质长输油气管道综合外检测装置。
背景技术
管道运输是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，已成为现代工业和国民经济的命脉，目前国内长输油气管道长度累计已超过17万公里，管道建设里程不断增加，有效保证了国家能源安全及需求，长输油气管道运输己在我国国内能源工业中占据了极其重要的地位。
随着管道事业的不断发展，管道腐蚀问题也越发严重，管道腐蚀不仅仅带来巨大的经济损失也对人身安全造成极大地威胁。为了避免管道腐蚀，通常采用外涂防腐层和阴极保护两种方法，彻底地防止埋地管道发生腐蚀。
实践中，对长输埋地钢质管道外腐蚀防护系统的检测主要以地面非开挖检测为主，常见的检测方法主要有：直流电位梯度法（DCVG）、交流电位梯度法（ACVG）、多频管中电流法（ACCA）、密间隔电位测试法（CIPS）以及CIPS／DCVG联合检测技术等。很多检测公司采用多种检测方法开展检测，获取更多数据，再依据相关标准分析和评价。
目前的管道外检测设备，至少由交流信号发射机、中断器、数据采集仪、探杖、A字架、探管仪组成。交流信号发射机的输出电极分别接管道和大地，发射连续的交流低频信号。为了实现缺陷点指向和缺陷水平评估，采用3种以上频率混频的输出信号。其中两种较低频率的信号用于缺陷点指向，频率值为4Hz、8Hz或者3Hz、6Hz。较高频率的信号用于缺陷水平评估测量，根据现场环境情况设置合适的频率，频率值从数十Hz到数十kHz。探管仪接收交流发射机发射的交流信号，寻找管道走向和中心线位置，并测量管道埋深和管道电流值。A字架用于测量防腐层破损点位置的缺陷水平，通过电缆与探管仪相连。使用时，插入地面，在探管仪上可显示出两探针之间的交流电位差，并指出缺陷点相对于当前位置的方向。中断器连接在恒电位仪和管道之间，用于定时断开和接通阴极保护电压，供外检测设备测量电位参数。中断器的通断周期从1秒到1分钟不等，占空比根据现场环境情况设置。探杖用于测量阴极保护电压值，下端安装有参比电极，使用时接触地表，作为输入信号的负极，另外用一根导线通过管道测试桩连接管道金属部分作为输入信号的正极，测出的电压值为管道的阴极保护电位。数据采集仪通过电缆连接探杖，并且通过无线方式与探管仪通讯，取得测量数据。
综上所述，现有的管道外检测设备存在以下缺点与不足：
(1)由于中断器和交流信号发射机的安装位置与测量人员的距离较远，在现场测量环境发生变化时，无法实时修改中断器和交流信号发射机的参数，影响测量效率。
(2)交流信号发射机的部分输出信号频率与中断器信号频率接近且在时间上同时连续存在，造成信号互相干扰，影响测量的准确性。
(3)交流信号发射机发射的是复合频率的信号，造成发射机电路结构复杂，体积重量较大。
(4) 探管仪采用电磁感应线圈作为交流信号接收传感器，体积重量均较大。
(5) 探管仪接收信号与交流信号发射机的输出信号在时间上不相关，信号的噪声较大。
(6) 现场需要2人以上协同完成测量，劳动强度高，人工效率低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种埋地钢质长输油气管道综合外检测装置。
发明所采用的技术方案是：埋地钢质长输油气管道综合外检测装置，其技术要点是，包括交流信号发射机、中断器、探杖和数据采集仪，其特征在于，交流信号发射机的一路信号输出端经接地端子与大地连接，另一路信号输出端经测试桩的引线端子与管道导体连接；恒电位仪的阳极输出端子接在接地网上，恒电位仪的阴极输出端子接到中断器开关的一端，中断器开关的另一端接在与管道导体相连接的阴极端子上；所述的数据采集仪与交流信号发射机、中断器及探杖均采用远程通讯方式进行参数配置和状态数据交互；所述交流信号发射机、中断器、探杖和数据采集仪均在GPS时间同步控制下分时发送信号。
上述方案中，所述的交流信号发射机包括：
远程通讯电路：其输入端与数据采集仪通讯连接，用于接收数据采集仪的参数配置指令，将参数传递给微处理器电路；
GPS同步电路：其输入端与GPS卫星连接，用于获取精确的时间数据并传送给微处理器电路；
微控制器电路：其输入端与远程通讯电路、GPS同步电路、信号发生电路、同步切换电路分别连接，其根据获得的参数配置信息控制信号发生电路输出指定频率的正弦波信号，
信号发生电路：其输入端与微处理器电路连接，用于产生单一频率的交流正弦波信号；
同步切换电路：其输入端与信号发生电路及同步切换电路连接，用于实现实现交流正弦波信号的接通和关断。
上述方案中，所述的中断器内安装有：
远程通讯电路，其输入端与数据采集仪通讯连接，用于接收数据采集仪的参数配置指令，将参数传递给微处理器电路；
GPS同步电路，其输入端与GPS卫星连接，用于获取精确的时间数据并传送给微处理器电路；
微处理器电路，其输入端与远程通讯电路、GPS同步电路及无触点开关电路连接，用于根据参数配置和时间数据精确控制无触点开关电路，实现恒电位仪阴极信号的接通和关断
无触点开关电路；其输入端与微处理器连接，用于实现恒电位仪阴极信号的接通和关断。
上述方案中，所述的数据采集仪内安装：
远程通讯电路：其输入端与交流信号发射机和中断器通讯连接，用于发送参数配置指令和读取状态信息；
GPS同步电路：其输入端与GPS卫星连接，用于获取精确的时间数据并传送给微处理器电路；
同步解调电路，其输入端连接主探杖和辅助探杖，用于对输入信号的同步采集和处理，其输出端连接微处理器电路；
AD转换电路，其输入端连接同步解调电路，用于将同步解调电路输出的模拟信号转化为数字信号；
微处理器电路：其输入端连接远程通讯电路、GPS同步电路和AD转换电路连接，用于数据采集、系统参数配置和运行控制。
上述方案中，所述的探杖由主探杖和辅助探杖构成，所述主探杖上还安装磁敏传感器芯片和姿态传感器。
本发明的有益效果是：埋地钢质长输油气管道综合外检测装置，通过远程通讯功能实现远程配置参数和状态数据交互，提高测量效率；交流信号发射机和中断器均在GPS时间同步控制下，分时发送信号，不会造成信号互相干扰，提高了测量的准确性；交流信号发射机发射的是单一频率的信号，发射机电路结构简单，体积重量较小；交流信号发射机发射的信号频率大于100Hz，与中断器频率相差较大，相互干扰较小，容易通过硬件和软件滤波进行分离；采用磁敏传感器芯片代替电磁感应线圈，体积和重量均大大减小，频率响应范围扩展10倍以上；采用同步解调电路，提高了信噪比和测量精度；单人使用2根探杖即可完成测量，无需使用A字架，节省人力，提高工作效率。探杖内有姿态传感器，能够提示用户将探杖垂直于地面，提高管道埋深数据的测量准确度。
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的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中外检测装置总体框图；
图2为本发明实施例中交流信号发射机电路框图；
图3为本发明实施例中中断器电路框图；
图4为本发明实施例中数据采集电路框图；
图5为本发明实施例中交流信号发射机局部电路图；
图6为本发明实施例中中断器局部电路图；
图7为本发明实施例中主探杖局部电路图；
图 8为本发明实施例中数据采集仪电路图。
具体实施方式
使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图8和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例采用的埋地钢质长输油气管道综合外检测装置，包含有交流信号发射机、中断器、主探杖、辅助探杖和数据采集仪。由交流信号发射机的信号输出端引出的一条连接导线通过接地端子与大地连接，另一条引出的连接导线通过测试桩上的引线端子与管道导体实现连接。恒电位仪的阳极输出端子通过导线接在接地网上，恒电位仪的阴极输出端子通过导线连接到中断器开关的一端，中断器开关的另一端通过导线接在与管道导体相连接的阴极端子上。主探杖上由上之下依次安装姿态传感器和磁敏传感器芯片，在主探杖底端安装有参比电极，其信号输出端通过电缆连接到数据采集仪。辅助探杖底端安装有参比电极，其信号输出端通过电缆连接到数据采集仪。数据采集仪的一根信号线通过测试桩连接到管道导体上。
本实施例中的交流信号发射机，如图2所示，包括远程通讯电路、GPS同步电路、微处理器电路、信号发生电路、同步切换电路、功率放大电路、显示屏以及按键/开关电路。远程通讯电路用于接收数据采集仪的参数配置指令，将参数传递给微处理器电路；GPS同步电路获取精确的时间数据后传送给微处理器电路；微处理器电路根据获得的参数配置信息控制信号发生电路输出指定频率的正弦波信号，该正弦波信号输入同步切换电路的输入端，微处理器根据参数配置和时间数据精确控制同步切换电路，实现信号的接通和关断。同步切换电路的信号输出端连接功率放大电路的信号输入端，由功率放大器的输出端向管道和大地之间馈入交流电流信号。
交流信号发射机的局部电路原理图，图5所示。图中电源正端接3.3V电源（网络编号V33），电源负端接地（网络编号GND）。U10A和U10B作为微处理器，其型号为STM32H750VB，其中U10A是微处理器的电源和特殊功能相关引脚，U10B是微处理器的部分IO引脚。U11是DDS信号发生器芯片，其型号为AD9833，其2、9是电源引脚，分别接3.3V电源和GND，电容C1、C2和C3构成电源滤波电路，芯片的5、6、7、8引脚是通讯引脚，与微处理器IO引脚22~24相连；U12是GPS时间同步电路，其型号为BD-357B，该电路的5脚接5V电源，2脚接GND，1脚为秒脉冲输出引脚，3脚和4脚是通讯引脚，1、3、4引脚与微处理的IO引脚1~3相连；U13是远程通迅电路，型号为USR-GM3，该电路的1脚接5V电源，2脚接GND，3脚和4脚是通讯引脚与微处理的IO引脚4~5相连；U14A和U14C是同步切换电路，U14C的1、6引脚是电源引脚分别接3.3V电源和GND，引脚4是控制引脚与微处理器U10B的引脚15相连，引脚7与U11的频率输出引脚10相连，引脚3作为频率输出引脚连接到功率放大器的输入端。
本实施例的中断器电路框图如图3所示，包括远程通讯电路、GPS同步电路、微处理器电路、显示屏、按键/开关电路及无触点开关电路。远程通讯电路接收数据采集仪的参数配置指令，将参数传递给微处理器电路；GPS同步电路获取精确的时间数据后传送给微处理器电路；微处理器根据参数配置和时间数据精确控制无触点开关电路，实现恒电位仪阴极信号的接通和关断。
中断器的电路原理图如图6所示。图中电源正端接3.3V电源（网络编号V33），电源负端接地（网络编号GND）；U20作为微处理器，其型号为STM32F030F4P6；U22作为GPS时间同步电路，其型号为BD-357B，该电路的5脚接5V电源，2脚接GND，1脚为秒脉冲输出引脚，3脚和4脚是通讯引脚，1、3、4引脚与微处理的IO引脚相连；U23是远程通迅电路，其型号为USR-GM3，该电路的1脚接5V电源，2脚接GND，3脚和4脚是通讯引脚与微处理的IO引脚相连；U21是无触点开关电路，型号为YES2-SSR，其输入引脚1通过限流电阻R1与微处理器的引脚14相连，输入引脚2接地，输出引脚3、4是常开接点，串联接入到恒电位仪的阴极电压输出回路中。
本实施例中的数据采集仪框图，如图4所示，包括远程通讯电路、GPS同步电路、微处理器电路、AD转换电路、同步解调电路、显示屏及按键/开关电路。远程通讯电路在微处理器电路的控制下与交流信号发射机和中断器建立远程通讯，发送参数配置指令和读取状态信息；GPS同步电路获取精确的时间数据后传送给微处理器电路；主探杖上安装的磁敏传感器芯片和姿态传感器芯片的输出信号通过电缆连接到数据采集仪，主探杖和辅助探杖上的参比电极信号也通过电缆连接到数据采集仪；多个磁敏传感器芯片的信号先进入同步解调电路，进行数据处理，再进入AD转换电路转换成数字信号，进入到微处理器电路。
本实施例中主探杖局部电路图原理图，如图7所示。图中电源正端接3.3V电源（网络编号V33），电源负端接地（网络编号GND）；U40、U41、U42、U43为磁敏传感器芯片，型号为TMR2905D，各个芯片的1脚和3脚是输入引脚分别接3.3V电源和GND，2脚和4脚是输出端；U44是姿态传感器芯片，芯片的4脚、9脚和1脚、11脚是电源引脚分别接3.3V电源和GND，5、6、7、8引脚是通讯引脚，通过电缆与数据采集仪相连。
图8是数据采集仪局部电路图，图中电源正端接3.3V电源（网络编号V33），电源负端接地（网络编号GND）；U30A、U30B和U30E是微处理器，型号为STM32H750VB，其中U30A是微处理器的电源和特殊功能相关引脚，U30B和U30E是微处理器的IO引脚；U31~34是同步解调芯片，型号为ADA2200，功能和电路相同，此处以U31作为示例，其12脚和5脚是电源引脚，分别接3.3V电源和GND，芯片的6脚和7脚是模拟信号输入引脚，与主探杖内的磁敏传感器芯片的输出端相连，引脚10和11为模拟信号输出引脚，引脚1、3、13、14、15均为功能引脚，与微处理器的IO引脚相连；U35是AD转换芯片，型号为TLV320ADC5140，芯片的电源引脚接入电源3.3V和GND，芯片的6~13引脚为模拟信号输入引脚，分别连接U31~U34的引脚10、11；芯片的15~18引脚以及21~23引脚为通讯引脚，与微处理器的IO引脚相连；U36是GPS时间同步电路，型号为BD-357B，该电路的5脚接5V电源，2脚接GND，1脚为秒脉冲输出引脚，3脚和4脚是通讯引脚，1、3、4引脚与微处理的IO引脚相连；U37是远程通迅模块电路，型号为USR-GM3，该电路的1脚接5V电源，2脚接GND，3脚和4脚是通讯引脚与微处理的IO引脚相连。
适用管道：天然气、原油、成品油等埋地钢质管道
远程通讯延时：＜1秒
GPS时间同步精度：<1us
发射机输出信号频率：100Hz以上用户任意设定
设备总重量：＜10kg，
发射机：＜5kg
探杖重量：＜1kg/根
数据采集仪重量：＜1kg
交流信号频率响应：＞[email protected]
埋深测量精度：±2.5%@<10m，±5%@>10m
测量动态范围：＞140dB
测量分辨力：＞140dB/√Hz
综合信噪比：＞100dB
姿态测量精度：±0.1°
本实施例中埋地钢质长输油气管道综合外检测装置的工作原理为：
在埋地钢质管道与大地之间通以阴极保护电压，此电压在卫星同步中断器控制实现定时接通与断开。在管道上方通过探杖测量管道与大地间的直流电压，通过电压值异常能够判断管道阴极保护的有效性以及管道局部破损的状况。另外采用交流发射机在管道与大地之间通以一定频率的交流电流，此电流沿管道向远处传播。当管道外防腐层破损时，管道与大地之间的电流梯度场急剧变大，在土壤中产生较明显的交流电位梯度电压，该电压能够通过探杖测得。在探杖上通过磁传感器测量此交流电流，还能够获得管道的埋深和走向信息。检测装置中各个功能部件采用GPS卫星进行时间同步，实现各种信号的分时发送与检测，并能够通过远程无线通讯的方式进行参数配置和运行控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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