基于北斗GNSS的交直流电位梯度测量系统设计_张军.pdf
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1、2023 年第 5 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No 5基金项目:国家自然科学基金项目(U21A20481)收稿日期:20220702基于北斗 GNSS 的交直流电位梯度测量系统设计张军,诸海博,宋华东,蔡军,张文强,胡文广(国机传感科技有限公司,辽宁沈阳110043)摘要:文中设计了一种基于北斗 GNSS 的交直流电位梯度测量系统,系统通过探杖下端的电极接触土壤取得电位信号,经过信号调理、模拟数字转换和离散傅里叶变换获得电位梯度测量值,基于北斗GNSS 的相位差分定位技术和探杖姿态传感功能取得测量点的精确位置信息,将电位梯度
2、数据与位置数据融合,形成精确量化的交直流电位梯度全面数据记录,解决了多次测量中数据不能复现的难题,显著提高了管道健康水平综合评估的准确度。关键词:埋地管道;外检测;电位梯度;北斗;测量系统中图分类号:TE988文献标识码:A文章编号:10021841(2023)05005504Design of AC/DC Potential Gradient Measuring System Based on Beidou GNSSZHANG Jun,ZHU Hai-bo,SONG Hua-dong,CAI Jun,ZHANG Wen-qiang,HU Wen-guang(SINOMACH Sensing
3、Technology Co,Ltd,Shenyang 110043,China)Abstract:An AC/DC voltage gradient measurement system based on beidou GNSS was designed in this paper,potential sig-nals were obtained by contacting the soil with an electrode at the bottom of the rod,after signal conditioning,analog to digital con-version and
4、 discrete Fourier transform,potential gradient measurement value was obtained,based on the phase difference positio-ning technology of beidou GNSS and rod gesture sensing function,the precise location of information was achieved The potentialgradient data and position data were fused to form an accu
5、rate and quantified comprehensive data record of AC/DC potential gra-dient,which solves the problem that the data cannot be reproduced in multiple measurements,and significantly improves the accu-racy level of comprehensive assessment of pipeline health levelKeywords:buried pipe;external inspection;
6、potential gradient;beidou;measuring system0引言国家管网在多条管道上开发应用了基于多源数据融合的智能一体化管理平台,实现了管道完整性大数据融合、建模、决策支持,对管道数据融合提出了要求1。综合利用管道内、外腐蚀直接评估技术,通过数据挖掘和评估,能够有效预判并发现管道内、外壁因腐蚀诱发的体积型缺陷,对保证长输油气管道的安全稳定运营具有重要的意义2。文献 24 将管道内检测数据与外检测数据对齐,形成以位置信息为基准的管道信息数据库,并结合实践对管道腐蚀趋势进行综合分析与开挖验证,完善了管道完整性评价体系。文献 5 使用机器学习算法构建了里程预测模型,平均绝
7、对百分误差小于 0 10%,决定系数为 99 99%,满足了数据对齐的要求。文献 57 提出管道数据融合的关键在于管道数据记录的时间、空间一致性。外检测数据获取的主要方法是外腐蚀直接评价(external corrosion defect assessment,ECDA)技术,主要应用交流电压梯度法(alternative current voltage gradi-ent,ACVG)和直流电压梯度法(direct current voltagegradient,DCVG)8。文献 9使用 A 字架进行管道ACVG 测量,测量数据缺少精确定位信息,导致数据有效性降低。文献 10介绍了 Spec
8、trum XLI 管道综合外检测设备的应用情况,通过 GPS 和惯性绘图装置记录管道检测数据和测量点地理信息,但是在国内应用定位精度仅能达到亚米级别。文献 11研制的综合外检测设备,通过一体式探杖同时测量 DCVG 和ACVG,实现了多项测试功能的集成,但是数据记录的定位信息与探杖测量点之间存在较大的偏差,在大间距测量中更严重,影响了缺陷的准确定位。本文针对管道外检测需求,设计了一种基于北斗GNSS 的交直流电位梯度测量系统。采用微型化定位终端硬件,实现了测量点的 cm 级别定位;采用包含参比电极和钢钎电极的复合测量探杖结合精密测量单元,实现 DCVG 和 ACVG 的同步同点精密测量;将电位
9、梯度数据与位置数据融合,形成精确、完整、准确的56Instrument Technique and SensorMay 2023交直流电位梯度数据记录;融合地理坐标信息与测量数据的数据记录具有良好的关联性和可追溯性,满足了智慧管网数据融合的要求,提高了数据的利用率和管道的健康评价水平。测量系统的总体结构示意图如图 1 所示。图 1测量系统总体结构示意图1电子测量单元设计1 1电子测量单元构成为了提高电子测量单元的集成度,减小整个测量系统的体积和重量,将电子测量单元安装于探杖内部。电子测量单元的硬件结构如图 2 所示。图 2电子测量单元硬件结构图电子测量单元中,饱和硫酸铜(Cu/CuSO4)参比
10、电极(以下简称参比电极)和钢钎电极分别安装于探杖的下端,接触土壤获得大地电位信号。其中参比电极用作 DCVG 信号输入,钢钎电极用作 ACVG 信号输入。通过主副探杖之间的信号传输电缆,副探杖上电极的电位信号进入主探杖的测量控制模块进行信号调理和模拟数字转换,再由单片机进行数据采集和运算处理,获得 DCVG 和 ACVG 测量数据。差分定位模块安装于探杖顶端,距离参比电极和钢钎电极测量点约 1 5 m。探杖内有倾斜传感模块,能够测量探杖的姿态并提示用户将探杖保持垂直,此时差分定位模块的天线位置与电极测量点位置在垂直方向上的投影近乎重合,就能够以差分定位模块位置代替电位测量点位置,而不会产生明显
11、的水平定位误差。通讯模块用于实现电子测量单元与数据终端之间的数据交换,采用低功耗蓝牙串口通讯模块,一段与测量系统中的单片机串口相连。探杖上安装的按钮开关是数据保存的触发开关,电子测量单元检测到按键动作以后,数据终端保存数据到磁盘文件中。1 2电子测量单元硬件电路设计电子测量单元关键电路原理图见图 3。图 3电子测量单元关键电路原理图图 3 中的 VGIN_M 和 VGIN_S 信号为被测电压信号,来自于主探杖和副探杖的参比电极或者钢钎电极,经过分压电阻网络 14得到分压后的差分电压信号,2和 3的中点参考电位接在偏置电压 VBIAS上。14采用精密低温漂电阻,精度为 0 1%以上,温度系数不大
12、于 25 ppm(1 ppm=106)。偏置电压发生器电路用于产生电路必须的工作电压参考点 VBIAS,包括电阻 5、6、电容 C1和运算放大器 U3。等值的电阻 5和 6对 3 3 V 电源信号进行串联分压,分压后的信号接到 U3 的同相输入引脚 3,电压约为 1 65 V,6两端并联滤波电容 C1可降低噪声。U3 的反相输入引脚 4 与输出引脚 1 短接,构成同相跟随器电路,在引脚 1 获得低阻抗的偏置电压信号 VBIAS。该信号分别连接到电阻分压网络、仪表放大器 U1 参考电压引脚 5 和 U2 的输入引脚 4,为其提供合适的工作点。由仪表放大器芯片 U1(型号为 INA333),将衰减
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