基于远场感应电流法的水管检漏测量

林楚涛， 陈金龙， 陈伟成

(佛山科学技术学院光信息工程系，广东 佛山 528000)

0 引言

供水管道漏水是对宝贵水资源的浪费，它不仅增加了净水成本，而且还额外地增加了供水设施的投资费用。同时，也导致了一些次生灾害，如:路基、建筑物基础的毁坏，污染物和矿物质进入水管等。目前，管道破裂检测定位的常用方法有听音法[1]、相关分析法[2]，压力梯度法[3]等等。但是，这些测量方法存在着以下的缺点:听音法受外界干扰大，特别是噪声大的区域很难用听音法测漏;相关分析法设备贵，投资大，而且必须知道管道的走向等具体信息以及管道的声速(与管道的材质和管径有关);而压力梯度法只能适用于等温管道或介质特性随温度变化很小的管道，且测量精度不高，不能准确测定漏水点的位置。

本文采用远场涡流检测技术对水管进行检漏[4]。常规的远场涡流检测技术主要是通过远场涡流检测信号的相位测量来判断管壁漏水的位置[5]，这种测量方法测量精度高、定位准，但是该方法所需要的实验器材成本高，检测后需要进行的相位比对的数学计算量大、花费时间长。为此，本文采用远场涡流法测量另一个变化的物理量来实现对漏点的测量，即对检测线圈在金属管道中不同位置的感应电流变化情况进行动态测量，并根据感应电流在管道破损处的突变情况进行实时的判断与定位。

1 实验原理与装置

由于本文采用远场涡流法进行水管漏点位置判定的关联物理量是检测线圈的感应电流，所以称该测量方法为远场感应电流法，检漏原理见图1。在待测的管道中放置了一对激励线圈和检测线圈，对激励线圈通以80 Hz的低频交流电流，则激励线圈将产生相应频率的交变磁场。产生的交变磁场将诱导检测线圈产生感应电流，交变磁场能量由激励线圈向管道中检测线圈传播时分别有近场和远场两个不同的耦合方式[6-7]。由激励线圈产生的磁场沿管道内轴向传播到检测线圈所产生的感应电流的磁场能量耦合方式，称为近场耦合;由激励线圈产生的磁场能量穿过管壁到达管道外部后又穿回管壁到达检测线圈所产生感应电流的磁场能量耦合方式，称为远场耦合。因此，在激励线圈两侧会存在两个磁场能量耦合的区域:以近场能量耦合方式为主导的区域称为近场区;以远场能量耦合方式为主导的区域称为远场区[8]。两个区域的具体分界处位置由管壁的厚度、磁导率、电导率和激励频率等因素确定[9]。但是，在管道内，随着检测线圈与激励线圈之间距离的增加，近场耦合的磁场能量将以指数关系衰减。当两线圈的间距处于2～3倍水管内径时，近场耦合的磁场能量比管壁外远场的磁场耦合能量衰减得更快，此时远场耦合能量方式在管道中占据主导地位[10-12]。在远场能量耦合的模式中，单匝检测线圈因交变磁场产生的感应电动势为

图1 远场感应电流检漏测量原理

式中:为磁通;A为磁矢势。

检测线圈与管道同轴放置时，假设产生的远场涡流模型为轴对称[13]，则A只有圆周分量Aθ，即

若检测线圈的半径为r，则检测线圈在以ω交变频率的磁场中产生的感应电动势相量为

若检测线圈的匝数为N，总电阻为R，则探测到的总感应电流为

当检漏探头随着水流在管道中流动时，检漏探头的检测线圈能实时产生由激励线圈所诱导的远场磁场能量耦合的感应电流。如果水管是完好的，则检测线圈中产生的感应电流是稳定的;水管出现破裂时，在破裂处将由于缺乏完好金属屏蔽的远场磁场能量将会得到增强。这样，检测线圈中产生的感应电流将出现异常的增大。通过对检漏探头的感应电流的异常变化的实时测量，就能对水管漏点进行精确的定位。

检漏探头能否正常工作，关键取决于检测线圈能否感受到激励线圈的交变远场磁场能量[17]。为此，我们对检漏探头的激励线圈的工作电流进行放大以增强远场的磁场能量。图2为激励线圈工作电流的放大电路的原理图，激励线圈的放大电路采用音频功放芯片TDA2030芯片。当放大电路工作在4.0 V时，电流放大倍数为100倍。

2 实验数据与分析

2.1 检漏探头对水管沿线的测量

图2 输出放大电路

图3 检漏探头对水管沿线的感应电流探测

采用研制的检漏探头对金属水管进行无损动态测量。将探头放进金属水管中，探头顺着水流方向沿着管道行进，并实时反馈出管道不同位置处的感应电流大小。图3是其相应的水管沿线不同位置处检漏探头中检测线圈测量到的感应电流变化趋势图。从图3可知，检漏探头在完好管壁的水管中流动时产生的感应电流是稳定的，感应电流值恒定为0.035 mA。当检测线圈经过水管的漏点时，感应电流增大，达0.036 mA，并且在整个检漏探头(包括激励线圈、检测线圈和铁棒)流过水管漏点的过程中，感应电流都保持着稳定数值不变，直到探头的最后部分激励线圈离开漏点后，感应电流才回落到原来完好管壁的感应电流的大小。根据图3的感应电流变化规律，可以判定漏点位置相距管口位置30.00 cm处。

实验还发现探头的流速对测量结果无太大影响。而且水管在地下的埋藏深度对本探头的工作影响不大。

2.2 测量结果的不确定度分析

为了验证检漏探头测量的准确性，对TDA2030放大芯片通以不同的工作电压，对水管进行了多次重复测量。表1为5次测量的数据。

在重复测量中，检漏探头的感应电流在水管漏点处均表现出相同的突变特点。通过不确定度的计算，可以找出检漏探头的测量误差范围。经外部测量，水管漏点位置在30.00 cm处。由不确定度公式可以计算探头测量水管漏点位置的误差范围。

A类标准不确定度:

B类标准不确定度:

合成标准不确定度:

所以，漏点的位置判断相对不确定度误差范围为

表1 检漏探头对水管漏点的5次重复测量数据表mA

可见，我们设计的检漏探头对水管漏点位置的判断误差范围在1.3%以内。

3 结语

根据远场涡流的磁场能量耦合特点，采用测量关联物理量为感应电流，设计了远场感应电流的检漏探头。该探头对通水的水管管道进行了无损测量，判定了水管漏点的位置，查找漏点的误差范围小于1.3%。

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