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电磁法探测地下金属管线的理论及误差分析

电磁法探测地下金属管线的理论及误差分析

杨志军 吉小军

(上海交通大学信息检测技术与仪器系,上海 200030)

摘要 从使用电磁法探测地下金属管线的理论出发,针对使用不同方向天线的测试方法,分析了磁场分布特点和峰值法、反峰值法的定位误差,对旁线干扰、信噪比低等情况下的定位效果进行了仿真,总结了各种测试方法的适用性,为电磁法在地下金属管线实际探测中的具体应用提出了一些指导性的建议。

关键词地下管线 定位 误差 电磁场

中图分类号:TM15 文献标识码:A

Underground metal pipeline EM detecting theory and error analysis

Yang Zhijun Ji Xiaojun

(Dept.of Instrumentaton Eng.,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030)

Abstract Base on underground metal pipeline electromagnetic detecting theory, this paper analyses the locating methods with different positioned antenna, magnetic field distribution and the cause of locating error in Peak and Null locating method. It also simulates the signal interference from the sideline and the locating effect at low signal to noise ratio. Finally, it summarizes the applicability of a variety of locating methods and gives the practical guidance for the specific application of underground pipeline locating.

Key words underground pipeline locate error electromagnetic field

0引言

地下管线是城市发展的命脉,近年来,各地城市建设迅猛发展,但由于没有科学地管理好地下管线数据,或由于历史原因造成地下管线资料的缺漏、偏差和滞后,更为严重的是,由于盲目施工,屡屡发生地下管线损坏导致停水、停电、停气、通讯中断,甚至引起灾害事故和人员伤亡。因此,各个城市和地区通过各种手段,对城市地下管线进行普查,在多种方法中,电磁法金属管线探测是不可或缺的基本探测方法之一[1]。

在城市建设中,大量的金属管道和电线电缆都具有良好的导电性,这为应用电磁法探测地下管线提供了物理基础。其基本原理是:在金属管线上施加某个或某些频率的交变电流,使其在金属管线周围产生变化的磁场,地面上使用探测仪接收并分析由该电流产生的交变磁场的分布特征,即可达到探测地下管线的目的。本文阐述了地下金属管线的电磁法探测原理及定位方法,理论分析了引起管线定位误差的各种主要原因及改进方法。

1直线电流磁场分布特点

设水平地面下有一条良导性无限长地下管线,其中心深度为h。用发射机将探测信号导入,使管线中心产生幅值为I的电流。根据毕奥-萨伐尔定律,地面任意点P的磁场如图1 所示。

通常使用磁芯线圈作为天线进行磁场测量[2],水平方向的磁场强度为,竖直方向为,对各向、各位置的天线测量数据作一定处理,就可以对地下管线的位置和深度作一定的判断和预测。

x

H

z

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H

图1直线电流磁场分量示意图

单根载流无限长导线在地面P点产生的磁场强度为[3]

r

I

H

μ

2

=(1)

式中

μ为真空中介质的磁导率();

m

H/

4

×

μ107?I为导线中的电流强度;r 为导线至P点的距离,如图1所示。理论推导可得水平和竖直的磁场强度、

z

各为:

x

H H

2

2

2h

x

h

I

H

x+

×

=

π

μ(2)

2

2

2h

x

x

I

H

z+

×

=

π

μ(3)

图2是、x H z H 在不同位置的信号强度归一化分布图,横轴为地面水平位置,以导线在地面的投影点为横轴零点,左右远离导线投影位置分别为负方向和正方向,纵轴为归一化信号强度。

电磁法探测地下金属管线的理论及误差分析

图2 无限长载流导线在地面产生的磁场

从式(2),(3)和图2中可以看出,在x H 0=x 时得到最大值,即水平磁场信号在管线正上方的地面强

度最大,随着位置的偏移,信号逐渐减小;z H 在0=x 时得到最小值0,即竖直信号在管线正上方最小;同时本身由于观察位置的不同存在方向差异,即管线左右的磁场竖直分量在同一时刻方向相反,由于管线上施加的是交流信号,单单观察磁场的竖直分量的正负意义不大,但如果将磁场竖直分量的正负与水平分量的同一时刻的方向结合考虑,就能确认当前信号采集天线相对地下管线的位置,如图3所示,在管线左边和右边,因此通过对和的数值正负比较就能知道地下管线在当前测试点的左边还是右边。

z H x H z H

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图3 Hx*Hz 确认管线的左右方向

单单观察数值大小来确定管线位置的方法,称之为峰值法,即管线正上方的信号最强,形成峰值。同样的,单单观察数值大小来确定管线位置的方法,称之为反峰值法,或空值法、哑点法,即管线正上方的信号较两边都小,并且远离一定距离后信号达到峰值,随后逐渐减弱[4]。将和的信号方向结合考虑的方法称之为方向指示法,能快速直观地指示被测管线的位置方向。 x H z H x H z H

2 x H 、z H 分布特点分析

2.1 x H 信号分析

从图4中可以看出相同电流不同埋深的管线在地

面的水平磁场信号分布有以下特点:[5]

(1)在x H 0=x 时得到最大值,即水平信号在管线正上方的地面强度最大;

h

I H x πμ20max =

(4)

(2)随管线埋深增大成反比下降;

max x H (3)管线埋深越浅,由峰值点下滑速度越快,因此越容易区分峰值点,即相同探测条件下,容易对浅埋管线进行定位;

x H (4)若引入作为水平位置参考量,不同埋深的峰值曲线仅存在幅度差异,归一化后完全重合,令h x /h x /=α;

1

12)(2220220220+×

=+×=+×=απμαπμπμh I

h h h I h x h I H x

(5) (5)式(2)中,当,即1/±=h x h x ±=时,

max

02

1212x xh

H

h I H =×=πμ,也就是说当测试点偏离管线位置一个管线深度的距离时,在的测得值是

最大值的一半,x H x h h ±=x H x ±=的位置点可以作为验证探

测深度准确性的特征点。

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图4 不同埋深信号比较

x H 2.2 z H 信号分析

图 5 所示的不同埋深管线的在地面的信号分布有以下特点:

z H (1)在z H 0=x 时得到,即竖直信号在管线正上方强度最小,可用于确定管线位置;

0=z H (2)计算的变化率,z H 2

222

20)(2h x x h I x H z +?×=??πμ,当

1/±=h x 时,获得极值,即z H max

0max

2

1212x z H h I H =×=πμ,

在偏离管线位置一个埋深距离的地面得到的信号峰值;

z H (3)当管线较深时,管线上方的z 信号很微弱且变化平缓,在干扰环境下进行管线定位非常困难;

H

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图5 不同埋深信号比较,以为横轴

z H 以上分析都基于理想条件的信号分布,容易看出,理想条件下长直导线的磁感应强度等势面是轴心在导线上的一些圆筒,垂直与导线的剖面是圆心在导线的一系列同心圆。实际情况很难达到理想条件,被测管线的信号往往被其他因素干扰,如旁线干扰,管线弯曲,金属干扰,噪声干扰等。这些都会影响到磁感应强度的分布不均,导致在现场勘测过程中形成误差。

3 电磁法管线定位误差分析

电磁法的误差主要由以下几方面因素造成。 3.1 旁线干扰

当目标管线周围存在其他管线并载有同频率电流时会引起信号叠加,造成在管线位置和深度上的探测偏差,由于同频干扰的大小、深度和相位的不同,其影响也不一致,这里以几种典型情况为例来进行讨论。

如图6所示,天线接收到的两条相邻管线的信号之和∑的极值位置由于相邻管线的信号干扰偏离目标管线的位置,形成定位偏差,这种情况通常发生在使用感应法进行信号接入的同沟管线的相互干扰[6]

,由于感应法对于感应范围内的金属管线都能形成感生电流,因此多条管线受到信号感应而产生同向电流,当天线接收到多条管线的叠加信号时,所得到的峰值点偏离目标管线的位置,并且偏向干扰管线方向。

x H x H x

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H 图6 相同埋深,同向电流叠加模型

x H 同样的,图7所示的状况通常发生在直接接入法时,施加在管线上的电流在返回时通过远端共同接地的导电性较好的相邻管线返回,引起此类干扰,反向电流的旁线干扰使天线接收到多条管线的叠加信号所得到的峰值点偏离目标管线的位置,方向远离干

扰管线方向。

x

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H 图7 相同埋深,反向电流叠加模型

x H 对比图8,图9的信号叠加模型,反峰值法的定位偏差较峰值法更为严重,因此对于存在旁线干扰的管线定位,建议采用峰值法并将接收天线贴近地面进行探测来提高对地下管线的信号分辨力。

z

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H 图8 相同埋深,同向电流叠加模型

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H 图9 相同埋深,反向电流叠加模型

z H 为避免旁线干扰引起的管线定位误差,可以采用以下一些反方法来降低相邻管线上的信号强度。 a. 在地下管线密集区,减少使用感应法施加探测信号而改用有针对性的单线感应法或直接接入等方法; b. 在只能使用感应法时,选择与相邻管线距离较远的区域进行信号感应,或采用定向感应的方法; c. 对共同接地或相互电气连通的管线采取隔离措施,即断开近端电气连接可以减少信号分流,断开远端的电气连接可以避免旁线回流干扰; d. 对于某些特殊情况,我们可以通过某些方法来避免旁线回流,如金属栏杆、地下金属管等容易引起干扰而又无法与大地断开的情况,可以使用导线远端直连来替代接地,从而避开回流干扰。 3.2 信号微弱

很多时候,地下管线探测人员会发现管线信号忽高忽低,难以捕捉,即使探测到了也很难确定地

下管线的准确位置,这通常是由于目标磁场信号微弱引起的。图10、图11是10dB 信噪比和3dB 信噪比的

比较和x H z H 比较(与最大值比较的信噪比),可以

看出,当信噪比降低到一定程度,信号的不稳定会导致定位的不确定,尤其是反峰值法的管线定位采用的是信号极小值定位,理论上z H 在管线正上方为零,但实际情况中外界存在一定噪声,噪声的大小直接影响到判断范围的大小,因此在信噪比较小的情况下反峰值不宜采用。

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图10 10dB 信噪比和3dB 信噪比

H

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H 图11 10dB 信噪比z H 和3dB 信噪比z H

电磁法探测地下金属管线的理论及误差分析

信噪比的问题归结为信号和噪声两部分[7],由于外界噪声很难控制,通常采用锁定放大器的滤波的方式屏蔽噪声[8],窄带滤波器能较好地提高信噪比;另一方面就是如何提升信号的工作了。建议采取以下方式:

a. 在安全范围内,提高发射机的功率,增加信号强

度;

b. 选择更恰当的方式进行信号加入,如改感应法改

成直连法等;

c. 改进管线回路的导电特性,如改进接地状况,让

整个信号回路电阻降低,从而达到提升信号的目的,还可以通过远端直连地方式提升信号强度; d. 对于长距离的管线可以使用较低的频率避免信号

过快地衰减。

3.3 管线特殊点及其他

某些管线的特殊点也会引起信号场的畸变从而导致定位偏差。如管线转弯、三通、交越、破损、盘长等,都会引起一定的偏差,给定位工作带来不少困难,需要特别注意。通常不建议仅对此类特殊点的直接测试来分析地下管线状况,通过对与此特殊点相连管线的精确定位,能更好地帮助对特殊点的准确判断。

4 结束语

管线定位是一门既讲理论又非常依靠经验的专业技术,随着城市建设迅猛发展,城市地下管线也已经高度密集、高度复杂了,在各种环境、各种复杂条件下需要认真分析各种已知情况,选择恰当的探测方法,

排除各种干扰因素,才能取得准确的探查效果。

参考文献

[1] 田应中,张正禄,杨旭.地下管线网探测与信息管理[M].北京:测绘出版杜,1997:5~10

[2] 北京市测绘设计研究院.城市地下管线探测技术规程[M]..北京:中国建筑工业出版社,2003:18~20

[3] 张汉春,莫国军. 特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究[J].地球物理学进展 2006(4): 1314~1322

[4] 张鸿升. 频域电磁法探测地下管网的理论、方法与技术[J].焦作工学院学报, 1997(5): 15~22

[5] 张宗岭,张效良. 地下管线探测电磁场异常特征的理论与实践[J].地质与勘探,2002(1):83~85

[6] 陈耀红. 地下金属管线探测定位定深及其误差估计的研究[J].甘肃冶金,2004(2):47~50

[7] 陈红旗,张小趁. 城市地下管线高精度电磁法探测技术[J]勘察科学技术, 2004(1):61~64

[8] 靳世久,刘华军,张萍. 新型地下管道位置检测仪研究[J].电子测量与仪器学报,1996(1):51~55

作者简介

杨志军:男,1977年6月出生,上海交通大学信息检测技术与仪器系研究生。主要研究方向为地下管线定位及测量。 E-mail: gyang@http://www.wendangku.net/doc/d3349af6ba0d4a7302763ad9.html