國(guó)機(jī)傳感科技有限公司 張 軍 諸海博 宋華東 徐春風(fēng) 董 冰

在長(zhǎng)輸油氣管道管道的外防腐層評(píng)價(jià)工作中，ACVG信號(hào)測(cè)量是一種重要的檢測(cè)手段。文中針對(duì)ACVG信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種高精度ACVG信號(hào)測(cè)量電路和軟件處理程序。該方法應(yīng)用了差動(dòng)低噪聲放大技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，有效提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度和分辨力?；诖思夹g(shù)研制的外檢測(cè)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中效果良好，大大提高了外防腐層缺陷的檢測(cè)能力和效率。

長(zhǎng)輸油氣管道采用密閉、自動(dòng)化傳輸介質(zhì)，具有傳輸量大、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的公路、鐵路、航空、水運(yùn)等運(yùn)輸方式，但由于傳輸介質(zhì)的特殊性，對(duì)管道安全運(yùn)行提出了非常高的要求。埋地鋼質(zhì)管道不可避免地會(huì)發(fā)生腐蝕穿孔、破裂等，引發(fā)嚴(yán)重事故，造成可觀的經(jīng)濟(jì)損失。通常對(duì)管道實(shí)施外防腐層和陰極保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在役油氣管道腐蝕的控制。ACVG信號(hào)測(cè)量，是一種評(píng)價(jià)外防腐層窗臺(tái)和陰極保護(hù)有效性的行之有效的方法。本文針對(duì)ACVG信號(hào)的特點(diǎn)，提出了一種高精度測(cè)量ACVG信號(hào)的方法，并應(yīng)用于所研制的管道外檢測(cè)設(shè)備中。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明本方法精確、可靠，對(duì)于一般微弱交流信號(hào)測(cè)量亦具有一定的參考價(jià)值。

1 ACVG技術(shù)簡(jiǎn)介

ACVG(Alternating Current Voltage Gradient)，即交流地電位梯度法，是一種檢測(cè)埋地鋼質(zhì)管道外防腐層狀況的廣泛使用的方法。其通過(guò)交流發(fā)射機(jī)發(fā)射超低頻電流信號(hào)，電流信號(hào)自沿管道向遠(yuǎn)處傳播，在傳播的過(guò)程中逐漸衰減，形成一個(gè)緩慢變化的電場(chǎng)，具有局部相對(duì)穩(wěn)定的電場(chǎng)梯度。當(dāng)管道外防腐層發(fā)生破損時(shí)，局部阻抗減小，電流從破損點(diǎn)流向土壤，在局部形成一個(gè)具有較大梯度的電場(chǎng)。電場(chǎng)中一定間距的兩點(diǎn)間的電位，可反映管道的腐蝕情況，此電位信號(hào)稱(chēng)之為ACVG。

目前的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，絕大部分采用進(jìn)口設(shè)備如PCM+A字架開(kāi)展測(cè)量，國(guó)產(chǎn)外檢測(cè)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用較少。

2 ACVG信號(hào)測(cè)量方法

2.1 ACVG信號(hào)的特點(diǎn)

ACVG信號(hào)由超低頻發(fā)射機(jī)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(shí)，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(diǎn)的位置識(shí)別。

超低頻發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)隨著與發(fā)射機(jī)距離的增大逐漸衰減，信號(hào)強(qiáng)度為數(shù)百mV到uV級(jí)別，常以0dB表示1uVrms的信號(hào)。ACVG信號(hào)幅度低、動(dòng)態(tài)范圍大，對(duì)測(cè)量設(shè)備提出了較高的要求。

另外，雜散電流的存在也嚴(yán)重影響ACVG測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量中，以工頻及其諧波干擾最為常見(jiàn)，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(lái)是交流干擾電勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ACVG信號(hào)幅度，因此在信號(hào)輸入端，信噪比一般為負(fù)值，常規(guī)的萬(wàn)用表測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量。

綜上所述，信號(hào)幅度低、動(dòng)態(tài)范圍大、信噪比低、工頻干擾強(qiáng)是ACVG信號(hào)的特點(diǎn)。

2.2 ACVG信號(hào)測(cè)量硬件電路

根據(jù)ACVG信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種信號(hào)測(cè)量電路，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)精確還原了原始信號(hào)。ACVG測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1所示，測(cè)量電路原理圖見(jiàn)圖2所示。

圖1 ACVG信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 ACVG信號(hào)測(cè)量電路原理圖

ACVG測(cè)量電路硬件主要包含三個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)U01、AD轉(zhuǎn)換器U02和差動(dòng)放大電路U03。

單片機(jī)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(diǎn)運(yùn)算單元），CPU主頻可達(dá)480MHz，內(nèi)嵌的128KB閃存和1MB靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器可滿足音頻和圖像處理的需要。本設(shè)計(jì)中利用了單片機(jī)的SAI音頻通訊接口，與電路中的音頻ADC實(shí)現(xiàn)PCM協(xié)議通訊，以DMA方式采集數(shù)據(jù)。利用該單片機(jī)的高主頻優(yōu)勢(shì)，以及集成的雙精度浮點(diǎn)單元，以及DSP庫(kù)函數(shù)，極大提高了測(cè)量的精度和數(shù)據(jù)處理效率。單片機(jī)外圍有11.0592M高頻晶振和32.768k的低頻晶振。單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘管理單元，生成480MHz的CPU時(shí)鐘和120MHz的外設(shè)時(shí)鐘。32.768k晶振作為低功耗精密時(shí)鐘源，供單片機(jī)內(nèi)RTC定時(shí)器使用。

ADC芯片U02選用了TI公司的先進(jìn)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(dá)768kSPS，內(nèi)置DRE、AGC、增益校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、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(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置可運(yùn)行控制。SAI接口包括ACSDOUT、ACBCLK、ACFSYNC信號(hào)，與單片機(jī)的SAI接口相連，完成音頻數(shù)據(jù)傳輸。

差動(dòng)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(yùn)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(hào)。電阻R3和R5是交流輸入電阻，與ACVG信號(hào)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。ACBIAS節(jié)點(diǎn)是參考電位節(jié)點(diǎn)，電壓為1.6V。放大器U03A、U03B與外圍的電阻R2、R4、R6構(gòu)成差動(dòng)放大電路，C7和C8是高頻消噪電容，能夠降低高頻信號(hào)增益，將高于ADC采樣率的信號(hào)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(hào)輸入到ADC中。

2.3 ACVG信號(hào)測(cè)量軟件結(jié)構(gòu)

ACVG信號(hào)測(cè)量的軟件流程見(jiàn)圖3所示。

圖3 ACVG信號(hào)測(cè)量軟件流程圖

上電后單片機(jī)對(duì)芯片內(nèi)部的設(shè)備和ADC芯片進(jìn)行初始化和運(yùn)行設(shè)置，內(nèi)部設(shè)備包括系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO、定時(shí)器、通訊端口、DMA、中斷等，對(duì)ADC的設(shè)置包括時(shí)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(dòng)一次數(shù)據(jù)采集，采樣時(shí)間為500ms。單片機(jī)原地等待，并實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志位，如果發(fā)生超時(shí)情況，表示設(shè)備異常，需要重新進(jìn)行初始化過(guò)程。

ADC芯片接收到啟動(dòng)轉(zhuǎn)換指令后開(kāi)始運(yùn)行，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA接口保存到單片機(jī)的采樣數(shù)據(jù)緩存區(qū)。到達(dá)指定采樣時(shí)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(biāo)志置位，本次轉(zhuǎn)換結(jié)束。

單片機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志位置位的狀態(tài)后，將采樣數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算緩存區(qū)，然后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，并將計(jì)算結(jié)果保存，然后啟動(dòng)下一次ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2.4 ACVG信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)

ACVG信號(hào)的數(shù)字處理技術(shù)針對(duì)信號(hào)幅度低、動(dòng)態(tài)范圍大、信噪比低、工頻干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了數(shù)據(jù)加窗、單點(diǎn)離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)了測(cè)量目標(biāo)。

2.4.1 數(shù)據(jù)加窗

在現(xiàn)代信號(hào)處理中，通過(guò)時(shí)域轉(zhuǎn)頻域的方式，提取信號(hào)的頻域特征，是一種有效的的分析手段。根據(jù)數(shù)字信號(hào)理論，從連續(xù)的無(wú)限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)中取出一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)信號(hào)，相當(dāng)于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次截?cái)嗟倪^(guò)程，等效于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次加窗操作。實(shí)際的采樣信號(hào)和被測(cè)信號(hào)存在相位隨機(jī)性，在頻譜分析的過(guò)程中就會(huì)在真實(shí)譜線兩側(cè)出現(xiàn)一些較小幅值的譜線，稱(chēng)為“頻譜泄漏”。時(shí)域中的數(shù)據(jù)截?cái)嗍窃陔x散傅立葉變換之前進(jìn)行的，是必須東上二過(guò)程，因此頻譜泄露不可避免，但是可以通過(guò)數(shù)據(jù)加窗的方法進(jìn)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(jì)采用了具有較強(qiáng)的旁瓣抑制能力的凱撒窗（Kaiser）窗函數(shù)，其時(shí)域形式可以表示為：

公式(1)中的I0(β)是第1類(lèi)變形的貝塞爾函數(shù)（零階），可用冪級(jí)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(jì)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(jiàn)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(diǎn)離散傅立葉變換

離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT），也是對(duì)信號(hào)進(jìn)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(jì)算DFT的方法，能夠一次計(jì)算出所有的頻率分量幅值，計(jì)算點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，F(xiàn)FT的運(yùn)算效率優(yōu)勢(shì)明顯。在本應(yīng)用中，由于被測(cè)ACVG信號(hào)為單一頻率信號(hào)，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(guò)DMA傳輸以數(shù)組形式保存在單片機(jī)的內(nèi)存中，采樣結(jié)束以后，暫停接收數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗計(jì)算并保存在原位置然后進(jìn)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(jì)算和離散傅立葉變換（DFT）兩個(gè)步驟。具體示例如下：

（1）設(shè)被測(cè)ACVG信號(hào)頻率為128Hz，ADC采樣率為48kHz，采樣時(shí)間0.5秒，共計(jì)有24000點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，每個(gè)ACVG信號(hào)周期內(nèi)有48000/128=375點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（2）準(zhǔn)備平均值數(shù)組avg[1..375]，按照公式(4)計(jì)算avg[i]。

（3）經(jīng)過(guò)以上處理后，得到ACVG信號(hào)的一個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)，共計(jì)375點(diǎn)，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(jìn)行單點(diǎn)DFT（離散傅立葉變換），就可以得到ACVG信號(hào)的幅值信息。

2.5 在外檢測(cè)設(shè)備中的應(yīng)用

基于以上ACVG測(cè)量技術(shù)研制的管道綜合外檢測(cè)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室與進(jìn)口PCM設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表1）表明，本技術(shù)具有更高的測(cè)量分辨力和測(cè)量精度。在管道外檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)與其他設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用對(duì)比測(cè)試，證明該測(cè)量技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性和實(shí)用性。

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

針對(duì)國(guó)內(nèi)埋地管道外防腐層檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，本文提出的長(zhǎng)輸油氣管道ACVG信號(hào)測(cè)量方法，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高和分辨力強(qiáng)的特點(diǎn)?；诖藴y(cè)量方法研制的管道綜合外檢測(cè)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，有望成為進(jìn)口產(chǎn)品的有力競(jìng)爭(zhēng)者。本文中提出的交流小信號(hào)測(cè)量方法具有較強(qiáng)的通用性，可以應(yīng)用于其他微弱交流信號(hào)的測(cè)量，因此在傳感器與儀表檢測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的參考價(jià)值。