一種長輸油氣管道ACVG信號測量方法與應(yīng)用

國機傳感科技有限公司 張 軍 諸海博 宋華東 徐春風(fēng) 董 冰

在長輸油氣管道管道的外防腐層評價工作中，ACVG信號測量是一種重要的檢測手段。文中針對ACVG信號的特點，設(shè)計了一種高精度ACVG信號測量電路和軟件處理程序。該方法應(yīng)用了差動低噪聲放大技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，有效提高了測量的準確度和分辨力?；诖思夹g(shù)研制的外檢測設(shè)備在現(xiàn)場測試中效果良好，大大提高了外防腐層缺陷的檢測能力和效率。

長輸油氣管道采用密閉、自動化傳輸介質(zhì)，具有傳輸量大、安全可靠的優(yōu)點，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的公路、鐵路、航空、水運等運輸方式，但由于傳輸介質(zhì)的特殊性，對管道安全運行提出了非常高的要求。埋地鋼質(zhì)管道不可避免地會發(fā)生腐蝕穿孔、破裂等，引發(fā)嚴重事故，造成可觀的經(jīng)濟損失。通常對管道實施外防腐層和陰極保護，實現(xiàn)對在役油氣管道腐蝕的控制。ACVG信號測量，是一種評價外防腐層窗臺和陰極保護有效性的行之有效的方法。本文針對ACVG信號的特點，提出了一種高精度測量ACVG信號的方法，并應(yīng)用于所研制的管道外檢測設(shè)備中。經(jīng)過現(xiàn)場測試，證明本方法精確、可靠，對于一般微弱交流信號測量亦具有一定的參考價值。

1 ACVG技術(shù)簡介

ACVG(Alternating Current Voltage Gradient)，即交流地電位梯度法，是一種檢測埋地鋼質(zhì)管道外防腐層狀況的廣泛使用的方法。其通過交流發(fā)射機發(fā)射超低頻電流信號，電流信號自沿管道向遠處傳播，在傳播的過程中逐漸衰減，形成一個緩慢變化的電場，具有局部相對穩(wěn)定的電場梯度。當管道外防腐層發(fā)生破損時，局部阻抗減小，電流從破損點流向土壤，在局部形成一個具有較大梯度的電場。電場中一定間距的兩點間的電位，可反映管道的腐蝕情況，此電位信號稱之為ACVG。

目前的現(xiàn)場應(yīng)用中，絕大部分采用進口設(shè)備如PCM+A字架開展測量，國產(chǎn)外檢測設(shè)備實際應(yīng)用較少。

2 ACVG信號測量方法

2.1 ACVG信號的特點

ACVG信號由超低頻發(fā)射機發(fā)出，包含單一頻率分量或者2～3種頻率分量。采用多種頻率分量方式發(fā)射時，其中一種較高頻率用于防腐層破損程度判定，另外的較低頻率分量用于缺陷點的位置識別。

超低頻發(fā)射機發(fā)出的信號隨著與發(fā)射機距離的增大逐漸衰減，信號強度為數(shù)百mV到uV級別，常以0dB表示1uVrms的信號。ACVG信號幅度低、動態(tài)范圍大，對測量設(shè)備提出了較高的要求。

另外，雜散電流的存在也嚴重影響ACVG測量。在實際測量中，以工頻及其諧波干擾最為常見，其中又以工頻基頻分量以及其奇次諧波分量最為顯著。雜散電流所帶來是交流干擾電勢遠遠高于ACVG信號幅度，因此在信號輸入端，信噪比一般為負值，常規(guī)的萬用表測量方法難以實現(xiàn)有效測量。

綜上所述，信號幅度低、動態(tài)范圍大、信噪比低、工頻干擾強是ACVG信號的特點。

2.2 ACVG信號測量硬件電路

根據(jù)ACVG信號的特點，設(shè)計了一種信號測量電路，并通過數(shù)字信號處理技術(shù)精確還原了原始信號。ACVG測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示，測量電路原理圖見圖2所示。

圖1 ACVG信號測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 ACVG信號測量電路原理圖

ACVG測量電路硬件主要包含三個部分：單片機U01、AD轉(zhuǎn)換器U02和差動放大電路U03。

單片機選用了STM32H750VB，該系列微控制器包含Arm?Cortex?-M7內(nèi)核（含有雙精度浮點運算單元），CPU主頻可達480MHz，內(nèi)嵌的128KB閃存和1MB靜態(tài)隨機存儲器可滿足音頻和圖像處理的需要。本設(shè)計中利用了單片機的SAI音頻通訊接口，與電路中的音頻ADC實現(xiàn)PCM協(xié)議通訊，以DMA方式采集數(shù)據(jù)。利用該單片機的高主頻優(yōu)勢，以及集成的雙精度浮點單元，以及DSP庫函數(shù)，極大提高了測量的精度和數(shù)據(jù)處理效率。單片機外圍有11.0592M高頻晶振和32.768k的低頻晶振。單片機內(nèi)部的時鐘管理單元，生成480MHz的CPU時鐘和120MHz的外設(shè)時鐘。32.768k晶振作為低功耗精密時鐘源，供單片機內(nèi)RTC定時器使用。

ADC芯片U02選用了TI公司的先進的高性能音頻ADC芯片TLV320ADC5140，具有24位轉(zhuǎn)換精度，采樣率最高達768kSPS，內(nèi)置DRE、AGC、增益校準、相位校準、信道混合等多種音頻處理功能。

ADC芯片的的通訊接口包括SPI控制接口和SAI接口。其中SPI接口包括ACCS、ACSCK、ACDO、ACDI信號，由單片機進行參數(shù)配置可運行控制。SAI接口包括ACSDOUT、ACBCLK、ACFSYNC信號，與單片機的SAI接口相連，完成音頻數(shù)據(jù)傳輸。

差動放大芯片U03選用了LME49721低噪聲音頻放大器，典型輸入噪聲密度僅為4nV/√Hz @ 1kHz，總諧波失真為0.0001%（RL=600Ω），增益帶寬積為20MHz，具有103dB的電源共模抑制性能，支持2.2V～5.5V電源供電，靜態(tài)電流運維2mA。電路中C5和C9是交流輸入耦合電容，用于濾除直流信號。電阻R3和R5是交流輸入電阻，與ACVG信號實現(xiàn)阻抗匹配。ACBIAS節(jié)點是參考電位節(jié)點，電壓為1.6V。放大器U03A、U03B與外圍的電阻R2、R4、R6構(gòu)成差動放大電路，C7和C8是高頻消噪電容，能夠降低高頻信號增益，將高于ADC采樣率的信號濾除，避免出現(xiàn)采樣混疊。C4和C6是輸出耦合電容，將放大后的信號輸入到ADC中。

2.3 ACVG信號測量軟件結(jié)構(gòu)

ACVG信號測量的軟件流程見圖3所示。

圖3 ACVG信號測量軟件流程圖

上電后單片機對芯片內(nèi)部的設(shè)備和ADC芯片進行初始化和運行設(shè)置，內(nèi)部設(shè)備包括系統(tǒng)時鐘、GPIO、定時器、通訊端口、DMA、中斷等，對ADC的設(shè)置包括時鐘、采樣率、數(shù)據(jù)格式、通訊速率、模擬通道、功耗控制等。初始化完成后控制ADC啟動一次數(shù)據(jù)采集，采樣時間為500ms。單片機原地等待，并實時掃描數(shù)據(jù)就緒標志位，如果發(fā)生超時情況，表示設(shè)備異常，需要重新進行初始化過程。

ADC芯片接收到啟動轉(zhuǎn)換指令后開始運行，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DMA接口保存到單片機的采樣數(shù)據(jù)緩存區(qū)。到達指定采樣時間后，DMA數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，在DMA傳輸結(jié)束中斷中將數(shù)據(jù)就緒標志置位，本次轉(zhuǎn)換結(jié)束。

單片機檢測到數(shù)據(jù)就緒標志位置位的狀態(tài)后，將采樣數(shù)據(jù)讀取到計算緩存區(qū)，然后進行數(shù)字信號處理，并將計算結(jié)果保存，然后啟動下一次ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2.4 ACVG信號數(shù)字處理技術(shù)

ACVG信號的數(shù)字處理技術(shù)針對信號幅度低、動態(tài)范圍大、信噪比低、工頻干擾強的特點，采用了數(shù)據(jù)加窗、單點離散傅立葉變換實現(xiàn)了測量目標。

2.4.1 數(shù)據(jù)加窗

在現(xiàn)代信號處理中，通過時域轉(zhuǎn)頻域的方式，提取信號的頻域特征，是一種有效的的分析手段。根據(jù)數(shù)字信號理論，從連續(xù)的無限長度的數(shù)據(jù)中取出一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)信號，相當于對數(shù)據(jù)進行了一次截斷的過程，等效于對數(shù)據(jù)進行了一次加窗操作。實際的采樣信號和被測信號存在相位隨機性，在頻譜分析的過程中就會在真實譜線兩側(cè)出現(xiàn)一些較小幅值的譜線，稱為“頻譜泄漏”。時域中的數(shù)據(jù)截斷是在離散傅立葉變換之前進行的，是必須東上二過程，因此頻譜泄露不可避免，但是可以通過數(shù)據(jù)加窗的方法進行抑制。

常用的窗函數(shù)很多，例如矩形窗、三角窗、漢明窗、漢寧窗、Kaiser窗等。本設(shè)計采用了具有較強的旁瓣抑制能力的凱撒窗（Kaiser）窗函數(shù)，其時域形式可以表示為：

公式(1)中的I0(β)是第1類變形的貝塞爾函數(shù)（零階），可用冪級數(shù)表示為：

公式(1)中的是窗函數(shù)β的形狀參數(shù)，由下式確定：

α定義為凱塞窗函數(shù)的旁瓣抑制能力（主瓣幅值值與旁瓣幅值的差值dB），本設(shè)計中大于50。最終確定的α數(shù)值為190，β數(shù)值為20。仿真獲得的窗函數(shù)幅度響應(yīng)和頻譜響應(yīng)圖見圖4所示。

圖4 窗函數(shù)幅度響應(yīng)和頻譜響應(yīng)

2.4.2 單點離散傅立葉變換

離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT），也是對信號進行頻域分析的常用方法和工具。快速傅立葉變換是一種快速計算DFT的方法，能夠一次計算出所有的頻率分量幅值，計算點數(shù)較多時，F(xiàn)FT的運算效率優(yōu)勢明顯。在本應(yīng)用中，由于被測ACVG信號為單一頻率信號，因此應(yīng)用DFT比FFT效率更高。

單次采樣期間的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過DMA傳輸以數(shù)組形式保存在單片機的內(nèi)存中，采樣結(jié)束以后，暫停接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行加窗計算并保存在原位置然后進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要包含相關(guān)平均計算和離散傅立葉變換（DFT）兩個步驟。具體示例如下：

（1）設(shè)被測ACVG信號頻率為128Hz，ADC采樣率為48kHz，采樣時間0.5秒，共計有24000點采樣數(shù)據(jù)，每個ACVG信號周期內(nèi)有48000/128=375點數(shù)據(jù)。

（2）準備平均值數(shù)組avg[1..375]，按照公式(4)計算avg[i]。

（3）經(jīng)過以上處理后，得到ACVG信號的一個信號周期的數(shù)據(jù)，共計375點，保存在數(shù)組avg[1..375]中。數(shù)據(jù)的采樣率為Fs=48kHz，用以上數(shù)據(jù)進行單點DFT（離散傅立葉變換），就可以得到ACVG信號的幅值信息。

2.5 在外檢測設(shè)備中的應(yīng)用

基于以上ACVG測量技術(shù)研制的管道綜合外檢測設(shè)備，在實驗室與進口PCM設(shè)備進行了對比測試，測試結(jié)果（見表1）表明，本技術(shù)具有更高的測量分辨力和測量精度。在管道外檢測現(xiàn)場與其他設(shè)備進行了實際應(yīng)用對比測試，證明該測量技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性和實用性。

表1 管道綜合外檢測設(shè)備與PCM設(shè)備對比測試數(shù)據(jù)表

針對國內(nèi)埋地管道外防腐層檢測技術(shù)的現(xiàn)狀，本文提出的長輸油氣管道ACVG信號測量方法，具有測量準確度高和分辨力強的特點?；诖藴y量方法研制的管道綜合外檢測設(shè)備在實際應(yīng)用中效果良好，有望成為進口產(chǎn)品的有力競爭者。本文中提出的交流小信號測量方法具有較強的通用性，可以應(yīng)用于其他微弱交流信號的測量，因此在傳感器與儀表檢測領(lǐng)域具有廣泛的參考價值。