一种超深金属管道埋深检测设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及检测金属管道深度领域，具体涉及一种超深金属管道埋深检测设备及其使用方法。

背景技术

石油、天然气等金属管道在传输油气过程中需要穿越大江大河，工程中往往需要对该段管道实施定检，主要是检测金属管道埋深情况，防止穿越段的金属管道露出河床，与河水直接接触，造成管道的腐蚀和破损，最终导致油气泄露的情况。目前使用的较多的检测方法是电磁法，其主要原理是向河底的金属管道施加一个固定频率的交流电信号，该电信号通过金属管道时会向管道周围的空间中辐射磁场，可以接收磁场信号，将该磁场信号转变为电信号，通过判断电信号的大小进而反演出管道的埋深。

目前工程中使用的设备是将探头输出的微弱电信号通过连接线的方式输送到接收机中，整个系统需要进行多次校准，在校准过程中要将探头固定在塔尺上，升高到距离地面10米左右的位置，目前的设计是将探头输出的微弱小信号通过10米线缆输入到接收机电路，由于模拟信号的抗干扰能力较差，这种设计会导致输入到接收机中的模拟信号受到干扰，外界噪声的干扰、连接线缆的抖动均会使输出结果波动，影响测量的效率与精确性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种超深金属管道埋深检测设备及其使用方法解决了现有超深金属管道埋深检测设备通过10米连接线传输模拟信号，导致输入信号的衰减和引入外界噪声的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种超深金属管道埋深检测设备，包括：三维矢量探头、模拟开关模块、仪器放大模块、程控放大模块、有源带通滤波模块、16位双极性ADC、FPGA、MSP430单片机和标准信号生成模块；

所述三维矢量探头的探头信号输出端与模拟开关模块的第一输入端连接；所述模拟开关模块的第二输入端与标准信号生成模块的差分信号输出端连接，其输出端与仪器放大模块的输入端连接；所述仪器放大模块的输出端与程控放大模块的输入端连接；所述程控放大模块的输出端与有源带通滤波模块的输入端连接；所述有源带通滤波模块的输出端与16位双极性ADC的输入端连接；所述16位双极性ADC的输出端与FPGA的采集接口端连接；所述FPGA通过SPI接口与MSP430单片机的SPI接口连接；所述MSP430单片机的I/O1端与模拟开关模块的控制端连接，其I/O2端与程控放大模块的控制端连接，其I/O3端与标准信号生成模块的输入端连接。

上述进一步方案的有益效果为：超深金属管道埋深检测设备中包含：仪器放大模块和程控放大模块，放大电路受温度等其他因素影响产生的零点漂移会对测量的精度造成严重影响，于是加入了模拟开关模块，该模块可由微处理器MSP430单片机控制，选择由哪路信号通过电路，可以在探头信号输出通过模拟开关模块前，先控制模拟开关输入接地信号，此时整个系统工作在无输入信号的状态，但是由于电路的零点漂移，电路输出端存在输出信号，在测量得到该信号的幅值后U1，再通过模拟开关模块的选择，使探头输出的信号通过模拟开关模块，得到探头信号通过电路的幅值U2，通过U2-U1后，就能得到在去除电路零点漂移影响后，探头输出信号通过放大滤波的准确值。

进一步地：标准信号生成模块包括：波形生成子模块、单端转差分子模块、电压跟随子模块和电阻衰减子模块；

所述波形生成子模块的输入端作为标准信号生成模块的输入端；所述波形生成子模块的输出端与单端转差分子模块的输入端连接；所述单端转差分子模块的输出端与电压跟随子模块的输入端连接；所述电压跟随子模块的输出端与电阻衰减子模块的输入端连接；所述电阻衰减子模块的输出端作为标准信号生成模块的差分信号输出端。

进一步地：电阻衰减子模块包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、接地电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、接地电阻R11、接地电阻R12、接地电阻R13、接地电阻R14、接地电阻R15和接地电阻R16；

所述电阻R1的一端作为电阻衰减子模块的输入端IN1，其另一端分别与电阻R2的一端和接地电阻R5连接；所述电阻R7的一端作为电阻衰减子模块的输入端IN2，其另一端分别与接地电阻R6和电阻R8的一端连接；所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端和接地电阻R11连接；所述电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端和接地电阻R13连接；所述电阻R4的另一端与接地电阻R15连接，并作为电阻衰减子模块的输出端OUT1；所述电阻R8的另一端分别与接地电阻R12和电阻R9的一端连接；所述电阻R9的另一端分别与接地电阻R14和电阻R10的一端连接；所述电阻R10的另一端与接地电阻R16连接，并作为电阻衰减子模块的输出端OUT2；

所述电阻衰减子模块的输入端IN1和电阻衰减子模块的输入端IN2作为电阻衰减子模块的输入端；所述电阻衰减子模块的输出端OUT1和电阻衰减子模块的输出端OUT2作为电阻衰减子模块的输出端。

上述进一步方案的有益效果为：超深金属管道埋深检测设备中包含多级放大电路与有源带通滤波模块，电路受温度影响会对整个设备的增益产生一定影响，增益的变化会对系统测量的结果产生严重影响，在超深金属管道埋深检测设备中加入波形生成子模块、单端转差分子模块、电压跟随子模块和电阻衰减子模块，波形生成子模块采用直接数字频率合成技术，输出信号幅值稳定，电阻衰减子模块采用低温漂精密电阻，从而保证信号产生电路的标准信号的稳定及精确，在选定整个系统的增益后，通过模拟开关模块的选择让标准正弦信号通过电路得到测量值，通过标准正弦信号的系统增益与电路的测量值可修正最终的测量结果，能够有效克服电路零点漂移与系统温漂对测量结果的影响，提高测量精度。

一种超深金属管道埋深检测设备的使用方法，包括以下步骤：

S1、通过MSP430单片机控制模拟开关模块，输入接地信号，测量有源带通滤波模块输出的零点漂移电压U1；

S2、采用三维矢量探头获取X、Y、Z方向上磁场强度电信号；

S3、通过MSP430单片机控制模拟开关模块，将磁场强度电信号输入仪器放大模块，测量有源带通滤波模块的输出电压U2；

S4、通过输出电压U2减去零点漂移电压U1，得到探头输出磁场强度电信号的幅度值U′；

S5、通过标准信号生成模块生成标准正弦信号，对探头输出磁场强度电信号的幅度值U′进行修正，得到探头输出磁场强度电信号的幅度修正值U″；

S6、通过16位双极性ADC对幅度修正值U″进行采集，并通过FPGA进行检波处理，得到幅度精确值U″′，通过MSP430单片机将幅度精确值U″′传输至接收机，完成超深金属管道埋深检测设备的使用。

进一步地：步骤S5包括以下分步骤：

S51、通过标准信号生成模块生成标准正弦信号，通过MSP430单片机控制模拟开关模块，将标准正弦信号输入仪器放大模块，测量有源带通滤波模块的输出电压U3；

S52、通过输出电压U3和零点漂移电压U1得到系统增益；

S53、根据系统增益对探头输出磁场强度电信号的幅度值U′进行修正，得到探头输出磁场强度电信号的幅度修正值U″。

进一步地：步骤S6包括以下分步骤：

S61、通过FPGA驱动16位双极性ADC对幅度修正值U″进行采集，得到幅度数据；

S62、生成与探头输出磁场强度电信号同频的正弦表和余弦表；

S63、将幅度数据分别与正弦表内数据和余弦表内数据相乘，得到第一调幅数据和与第一调幅数据相差180°相位的第二调幅数据；

S64、将一个采样周期内的第一调幅数据和第二调幅数据各自进行累加和求平均处理，得到第一累加平均调幅值I和第二调幅累加平均值Q；

S65、根据第一累加平均调幅值I和第二调幅累加平均值Q，计算幅度修正值U″的幅度精确值U″′；

S66、将幅度精确值U″′通过SPI协议传输至MSP430单片机，通过MSP430单片机将探头输出磁场强度电信号的幅度精确值U″′传输至接收机，完成超深金属管道埋深检测设备的使用。

上述进一步方案的有益效果为：有源带通滤波器因其固有特性无法完全滤除频带外噪声，数字相敏检波技术的使用，一方面能够准确提取有源带通滤波器输出正弦信号的幅度值，另一方面能够实现数字滤波器的功能，提高系统的信噪比，有效提高测量的准确度。

进一步地：步骤S65中计算幅度修正值U″的幅度精确值U″′的公式为：

进一步地：步骤S63中将幅度数据分别与正弦表内数据和余弦表内数据相乘的方法为：根据16位双极性ADC在一个采样周期内的采样次数，获取相应数量的幅度数据，将所有幅度数据进行按时间先后依次分别与正弦表内数据和余弦表内数据按行一一对应相乘，得到第一调幅数据和与第一调幅数据相差180°的第二调幅数据。

综上，本发明的有益效果为：在探头近端放置信号处理电路，将模拟磁场强度电信号进行放大、滤波、修正、检波获取精确的数字信号的幅度值，并通过线缆将数字信号的幅度值传送至接收机中，避免引入外界噪声的问题，提高系统抗干扰能力。

附图说明

图1为一种超深金属管道埋深检测设备的结构框图；

图2为电阻衰减子模块的电路图；

图3为一种超深金属管道埋深检测设备的使用方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种超深金属管道埋深检测设备，包括：三维矢量探头、模拟开关模块、仪器放大模块、程控放大模块、有源带通滤波模块、16位双极性ADC、FPGA、MSP430单片机和标准信号生成模块；

所述三维矢量探头的探头信号输出端与模拟开关模块的第一输入端连接；所述模拟开关模块的第二输入端与标准信号生成模块的差分信号输出端连接，其输出端与仪器放大模块的输入端连接；所述仪器放大模块的输出端与程控放大模块的输入端连接；所述程控放大模块的输出端与有源带通滤波模块的输入端连接；所述有源带通滤波模块的输出端与16位双极性ADC的输入端连接；所述16位双极性ADC的输出端与FPGA的采集接口端连接；所述FPGA通过SPI接口与MSP430单片机的SPI接口连接；所述MSP430单片机的I/O1端与模拟开关模块的控制端连接，其I/O2端与程控放大模块的控制端连接，其I/O3端与标准信号生成模块的输入端连接。

标准信号生成模块包括：波形生成子模块、单端转差分子模块、电压跟随子模块和电阻衰减子模块；

所述波形生成子模块的输入端作为标准信号生成模块的输入端；所述波形生成子模块的输出端与单端转差分子模块的输入端连接；所述单端转差分子模块的输出端与电压跟随子模块的输入端连接；所述电压跟随子模块的输出端与电阻衰减子模块的输入端连接；所述电阻衰减子模块的输出端作为标准信号生成模块的差分信号输出端。

如图2所示，电阻衰减子模块包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、接地电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、接地电阻R11、接地电阻R12、接地电阻R13、接地电阻R14、接地电阻R15和接地电阻R16；

所述电阻R1的一端作为电阻衰减子模块的输入端IN1，其另一端分别与电阻R2的一端和接地电阻R5连接；所述电阻R7的一端作为电阻衰减子模块的输入端IN2，其另一端分别与接地电阻R6和电阻R8的一端连接；所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端和接地电阻R11连接；所述电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端和接地电阻R13连接；所述电阻R4的另一端与接地电阻R15连接，并作为电阻衰减子模块的输出端OUT1；所述电阻R8的另一端分别与接地电阻R12和电阻R9的一端连接；所述电阻R9的另一端分别与接地电阻R14和电阻R10的一端连接；所述电阻R10的另一端与接地电阻R16连接，并作为电阻衰减子模块的输出端OUT2；

所述电阻衰减子模块的输入端IN1和电阻衰减子模块的输入端IN2作为电阻衰减子模块的输入端；所述电阻衰减子模块的输出端OUT1和电阻衰减子模块的输出端OUT2作为电阻衰减子模块的输出端。

如图2所示，利用电阻分压的方式实现衰减，该模块可实现20倍、200倍、2000倍和6000倍的电压衰减，输出信号电压最小峰峰值为0.1毫伏，衰减后的信号作为设备的标准正弦信号，因此该信号的精确与稳定对系统至关重要，电阻衰减子模块中的电阻均采用低温漂精密电阻(误差0.1％，温度特性10PPM/℃10PPM/℃指单位温度变化下，阻值变化百万分之十)。

电阻R1和电阻R2连接的节点电压相对输入端IN1衰减：{{[(R15+R4)//R13+R3]//R11}+R2}//R5/{{[(R15+R4)//R13+R3]//R11}+R2}//R5+R1≈20。//表示并联/表示除法。

在本实施例中，MSP430单片机控制波形生成子模块产生标准正弦信号，波形生成子模块输出信号峰峰值约为600毫伏，将输出的信号通过单端转差分子模块放大转换为差分信号，后通过电压跟随子模块的隔离输入到电阻衰减子模块，最后可输出3毫伏、0.3毫伏、0.1毫伏的标准正弦信号。

如图3所示，一种超深金属管道埋深检测设备的使用方法，包括以下步骤：

S1、通过MSP430单片机控制模拟开关模块，输入接地信号，测量有源带通滤波模块输出的零点漂移电压U1；

S2、采用三维矢量探头获取X、Y、Z方向上磁场强度电信号；

S3、通过MSP430单片机控制模拟开关模块，将磁场强度电信号输入仪器放大模块，测量有源带通滤波模块的输出电压U2；

S4、通过输出电压U2减去零点漂移电压U1，得到探头输出磁场强度电信号的幅度值U′；

S5、通过标准信号生成模块生成标准正弦信号，对探头输出磁场强度电信号的幅度值U′进行修正，得到探头输出磁场强度电信号的幅度修正值U″；

步骤S5包括以下分步骤：

S51、通过标准信号生成模块生成标准正弦信号，通过MSP430单片机控制模拟开关模块，将标准正弦信号输入仪器放大模块，测量有源带通滤波模块的输出电压U3；

S52、通过输出电压U3和零点漂移电压U1得到系统增益；

S53、根据系统增益对探头输出磁场强度电信号的幅度值U″进行修正，得到探头输出磁场强度电信号的幅度修正值U″。

S6、通过16位双极性ADC对幅度修正值U″进行采集，并通过FPGA进行检波处理，得到幅度精确值U″′，通过MSP430单片机将幅度精确值U″′传输至接收机，完成超深金属管道埋深检测设备的使用。

步骤S6包括以下分步骤：

S61、通过FPGA驱动16位双极性ADC对幅度修正值U″进行采集，得到幅度数据；

S62、生成与探头输出磁场强度电信号同频的正弦表和余弦表；

S63、将幅度数据分别与正弦表内数据和余弦表内数据相乘，得到第一调幅数据和与第一调幅数据相差180°相位的第二调幅数据；

步骤S63中将幅度数据分别与正弦表内数据和余弦表内数据相乘的方法为：根据16位双极性ADC在一个采样周期内的采样次数，获取相应数量的幅度数据，将所有幅度数据进行按时间先后依次分别与正弦表内数据和余弦表内数据按行一一对应相乘，得到第一调幅数据和与第一调幅数据相差180°的第二调幅数据。

S64、将一个采样周期内的第一调幅数据和第二调幅数据各自进行累加和求平均处理，得到第一累加平均调幅值I和第二调幅累加平均值Q；

S65、根据第一累加平均调幅值I和第二调幅累加平均值Q，计算幅度修正值U″的幅度精确值U″′；

步骤S65中计算幅度修正值U″的幅度精确值U″′的公式为：

S66、将幅度精确值U″′通过SPI协议传输至MSP430单片机，通过MSP430单片机将探头输出磁场强度电信号的幅度精确值U″′传输至接收机，完成超深金属管道埋深检测设备的使用。