王永濤， 邵 春

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 資源學(xué)院， 湖北 武漢 430074）

0 引 言

污水管道肩負(fù)著運(yùn)輸城市生活污水的功能，如果管道有裂縫，污水會(huì)流出管道，污染管道流經(jīng)區(qū)域環(huán)境。雨天時(shí)，雨水會(huì)流入污水管道，增加污水處理廠的負(fù)擔(dān)。因此，污水管道的好壞與居民的生活和城市的環(huán)境息息相關(guān)，研發(fā)污水管道滲漏檢測(cè)儀器具有重要的意義。

現(xiàn)有的污水管道檢測(cè)儀器很多，包括管道視頻潛望儀、管道視頻檢測(cè)機(jī)器人、推桿式管道內(nèi)窺儀、管道聲納檢測(cè)儀等[1-3]。前面3 種儀器都是以攝像頭為傳感器的視頻檢測(cè)儀器，在管道口或者深入管道里面檢測(cè)，檢測(cè)精度高，能有效檢測(cè)出管道裂縫，但視頻檢測(cè)儀器檢測(cè)前需要對(duì)管道進(jìn)行清洗，作業(yè)成本很高。視頻檢測(cè)儀器還要求污水管道里沒(méi)有水或者水量很少[4]，但大多數(shù)污水管道里面污水很多，并且不能封堵，所以視頻檢測(cè)儀器只能檢測(cè)少部分污水管道。管道聲納檢測(cè)儀是水下檢測(cè)設(shè)備，不需要排干污水，其對(duì)于管道塌陷、管道變形、管道淤泥等缺陷有很好的檢測(cè)效果，但對(duì)于管道滲漏檢測(cè)收效甚微。污水管道滲漏檢測(cè)需要新的技術(shù)方法和儀器設(shè)備。擬流場(chǎng)法是一種地球物理無(wú)損檢測(cè)方法，是由何繼善院士首先提出，并在堤壩管涌滲漏檢測(cè)中已經(jīng)被驗(yàn)證的可行的地球物理方法[5-7]。擬流場(chǎng)法的基本原理是：利用水流場(chǎng)和電流場(chǎng)相似的特點(diǎn)搭建人工電流場(chǎng)，測(cè)出沿著滲漏裂縫流動(dòng)的電流路徑，從而得到水流路徑，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)堤壩管涌通道[8-9]。本文把擬流場(chǎng)法應(yīng)用到污水管道檢測(cè)行業(yè)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于擬流場(chǎng)法的污水管道滲漏檢測(cè)系統(tǒng)，沿著管道軸向繪制管道電場(chǎng)異常曲線，從而發(fā)現(xiàn)管道裂縫大小和位置，供污水管道管理部門在管道修復(fù)決策時(shí)使用。

1 總體設(shè)計(jì)思路

污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)示意圖如圖1 所示。擬流場(chǎng)法主要用于檢測(cè)污水管道周圍管壁裂縫大小和位置信息。整個(gè)系統(tǒng)由水下探頭、電纜盤、牽引動(dòng)力裝置盤和主控制器組成。探頭尾端連接著牽引繩，在動(dòng)力電機(jī)盤的帶動(dòng)下，探頭沿著污水管道前進(jìn)，每分鐘最快可移動(dòng)10 m，移動(dòng)速度越慢，探測(cè)精度越高。探頭由3 個(gè)環(huán)狀金屬電極組成，分別為電極A、電極C、電極D，與地面遠(yuǎn)端電極B 構(gòu)成四電極系統(tǒng)，探頭各電極之間用塑料材料絕緣隔離。四電極系統(tǒng)中電極B 一直作為地電極使用，電極C 和電極D 作為發(fā)射電極，電極A 作為接收電極。探頭前進(jìn)帶動(dòng)信號(hào)電纜增長(zhǎng)，從而轉(zhuǎn)動(dòng)電纜盤，安裝在電纜盤里面的編碼器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成距離值，距離每變化5 mm，觸發(fā)主控制器采集一次電場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖1 污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)示意圖

如圖1 所示，電流在主控制器、電纜線、探頭電極系、污水、管道壁、圍土、電極B 之間形成了一個(gè)閉環(huán)路徑。閉環(huán)路徑中地下電場(chǎng)的分布是污水管道滲漏檢測(cè)的關(guān)鍵，地下電場(chǎng)的分布與路徑中物體的電阻率是相關(guān)的[10]。污水中存在大量的電解質(zhì)，其電阻率為1～10 Ω·m，甚至更小。污水管道大部分采用混凝土管道和雙壁波紋管道，混凝土在潮濕環(huán)境下的電阻率為200～500 Ω·m，雙壁波紋管的電阻率更高。圍土是修建管道時(shí)的覆蓋填充物，一般是泥土和少量瓦礫石塊，其電阻率[11-13]為10～60 Ω·m?；炷凉艿赖碾娮杪适俏鬯蛧恋?0 倍以上，因此電極B 和探頭電極系之間的電場(chǎng)分布主要取決于混凝土管道完整性。如果管道完好，電場(chǎng)將均勻分布；如果管道有裂縫存在，裂縫處的電場(chǎng)將呈現(xiàn)密集分布現(xiàn)象，即電場(chǎng)梯度增大，并且裂縫越大，電場(chǎng)梯度越大。通過(guò)判斷電流場(chǎng)的梯度變化，從而得到水流場(chǎng)的變化規(guī)律，最終確定滲漏點(diǎn)的大小和位置。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路由兩部分構(gòu)成，分別是水下探頭電路和主控制器電路，主要模塊電路設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。水下探頭硬件電路以國(guó)產(chǎn)32 位MCU 芯片CH32V307VCT6 為核心，兩路驅(qū)動(dòng)電路分別控制電極C 和電極D，高精度數(shù)據(jù)采集模塊獲取不斷變化的電場(chǎng)強(qiáng)度，狀態(tài)采集模塊獲取探頭的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)，通信模塊與主控制器之間交互命令和數(shù)據(jù)包。

圖2 儀器硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.1 高精度數(shù)據(jù)采集電路

擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)儀是一個(gè)高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電極A 和地電極B 的信號(hào)通過(guò)屏蔽導(dǎo)線接入采集電路，經(jīng)過(guò)帶通濾波器和放大調(diào)理電路后，分別連接到J1和J2接頭，如圖3 所示。低噪聲運(yùn)算放大器ADA4896-2 作為緩沖器，可以接收前置電路0～5 V 高動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)，輸出驅(qū)動(dòng)ADC?；鶞?zhǔn)電壓源ADR4550ARZ 提供低噪聲、穩(wěn)定的5 V 基準(zhǔn)電壓，從ADC 的REFIN 引腳接入，保證ADC 有寬廣的動(dòng)態(tài)范圍，可以完整采集大范圍變化的電場(chǎng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用24 位芯片AD4032-24，最高采樣速率為500 KSPS，與MCU 有三種通信模式，分別為傳統(tǒng)SPI 模式、回波時(shí)鐘模式和主機(jī)時(shí)鐘模式。本設(shè)計(jì)采用SPI 串行接口模式，MCU 在CNV 引腳上發(fā)出一個(gè)信號(hào)脈沖，脈沖上升沿啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，引腳BUSY 上高電平信號(hào)表示ADC 正在轉(zhuǎn)換工作，隨后低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)結(jié)果可以讀取。片選信號(hào)CS#置低電平，每一個(gè)時(shí)鐘SCK 信號(hào)，從SDO0～SDO3 讀取4 位數(shù)據(jù)，直到24 位轉(zhuǎn)換結(jié)果全部讀取完為止。由于AD4032-24 的VIO 電源采用的是1.8 V 供電，與MCU 的3.3 V 電平不符，兩者之間需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)XLH42245MPX進(jìn)行電平驅(qū)動(dòng)隔離。

圖3 高精度數(shù)據(jù)采集電路原理圖

2.2 電源輸入保護(hù)電路

工程野外現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常采用發(fā)電機(jī)供電，高溫高濕環(huán)境下，供電穩(wěn)定性差，紋波大，故障率高，所以電源保護(hù)電路尤為重要[14]。本系統(tǒng)采用具有電源反向保護(hù)的二極管 控 制 器LTC4359HS8，驅(qū) 動(dòng)N 溝 道MOSFET 管FDS8870，構(gòu)建電源輸入保護(hù)電路，原理圖如圖4 所示。

圖4 電源輸入保護(hù)電路原理圖

如果發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，LTC4359HS8 可以快速關(guān)斷，抑制反向瞬變電流。與傳統(tǒng)使用肖特基二極管作為反向保護(hù)電路相比，例如肖特基二極管SBG2040CT[15]，在10 A負(fù)載的情況下，本應(yīng)用熱耗散從4 W降低到0.2 W，電壓損耗從0.5 V 降低到0.1 V 以下，改善了狹小電路倉(cāng)的散熱環(huán)境。輸出電壓Vout1經(jīng)3 個(gè)低噪聲LDO 穩(wěn)壓器LT1763CS8 分別轉(zhuǎn)換成1.8 V、3.3 V 和5 V 電壓，供給系統(tǒng)中其他模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

探頭中32 位國(guó)產(chǎn)MCU 芯片CH32V307VCT6 控制采集電極A 與地電極B 之間的電場(chǎng)強(qiáng)度值，傳輸給主控制器，主程序流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程

軟件具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1） 系統(tǒng)初始化。儀器上電后，MCU 先設(shè)置寄存器初值，距離值清零。電極C 和電極D 接通電源，與地電極B 在污水、管道壁、圍土之間建立一個(gè)穩(wěn)定的電場(chǎng)。

2） 數(shù)據(jù)采集和傳輸階段。牽引盤轉(zhuǎn)動(dòng)，拉著探頭在污水管道中緩慢移動(dòng)，信號(hào)電纜增長(zhǎng)，電纜盤中的編碼器計(jì)數(shù)，一圈400 脈沖，根據(jù)實(shí)時(shí)圓周半徑，轉(zhuǎn)換成距離值。當(dāng)距離變化5 mm 時(shí)，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集子程序，ADC開(kāi)始工作，采集一組電極A 與地電極B 之間的電場(chǎng)強(qiáng)度值。隨后再采集一組探頭狀態(tài)值，例如探頭內(nèi)溫度、壓力和姿態(tài)，用于判斷探頭是否能繼續(xù)正常工作。最后把所有數(shù)據(jù)打包傳輸給主控制器，完成一輪采集任務(wù)。

3） 數(shù)據(jù)處理階段。原始電場(chǎng)數(shù)據(jù)繪制成曲線后，只有經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師才能分析，而工程施工現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，這就要求結(jié)果簡(jiǎn)單直觀，所以需要軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)識(shí)別等算法處理后，得到直觀的電壓梯度曲線，并把所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中。

4 系統(tǒng)測(cè)試

選取湖北省某市天鵝路公交車站旁的一段污水管道作為測(cè)試對(duì)象，管道長(zhǎng)22 m，材質(zhì)為混凝土，管道直徑為800 cm。為了驗(yàn)證管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，先用管道視頻機(jī)器人爬入管道內(nèi)，對(duì)此段管道做了視頻檢測(cè)。

圖6 是裂縫點(diǎn)視頻截圖，由于篇幅有限，只展示了部分裂縫截圖，并分別標(biāo)注了裂縫點(diǎn)距離檢查井口的距離，以便于與擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 相同污水管道視頻檢測(cè)裂縫截圖

圖7 是污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)軟件界面截圖。圖中繪制了兩條數(shù)據(jù)曲線，上面曲線是滲漏檢測(cè)原始數(shù)據(jù)，下面曲線是根據(jù)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法處理后軟件自動(dòng)得到的電壓梯度曲線。曲線橫軸表示距離井口的距離，由于起始點(diǎn)是從檢查井中心算起，為了與視頻資料距離一致，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄，橫軸起始點(diǎn)從-40 cm 開(kāi)始，縱軸是電壓值。

圖7 污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)軟件界面截圖

由于污水管道距離地表較淺，受雨水環(huán)境影響大，在同一段管道，不同濕度環(huán)境下去檢測(cè)，電阻率變化較大，測(cè)量絕對(duì)值意義不大。這里用相對(duì)值表示，直接用檢測(cè)得到的電壓值代表管道相對(duì)導(dǎo)電性能，從而反映污水管道滲漏情況。電壓梯度曲線能直觀地表示管道滲漏點(diǎn)位置和大小，定義電壓梯度值200 mV 以下的為輕微S 級(jí)裂縫缺陷，電壓梯度值400 mV 以上的為嚴(yán)重L 級(jí)裂縫缺陷，中間值為中等M 級(jí)裂縫缺陷。測(cè)試管段裂縫缺陷統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 裂縫缺陷統(tǒng)計(jì)

對(duì)比圖6、圖7 和表1 的數(shù)值，得出以下結(jié)果：

1） 污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)是可信的。由圖7 與圖6 管道機(jī)器人視頻檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在距離4.18 m、6.40 m、8.62 m、10.64 m、12.50 m、14.72 m、20.93 m 等7 處，兩種方法的裂縫異常數(shù)據(jù)位置是吻合的，并且視頻檢測(cè)中裂縫越大，擬流場(chǎng)法檢測(cè)中電壓梯度值越大，符合理論方法。

2） 污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)比管道視頻機(jī)器人檢測(cè)精度高。在距離4.92 m、9.01 m、10.76 m、11.95 m、18.19 m 等5 處，擬流場(chǎng)法檢測(cè)出屬于輕微S 級(jí)缺陷，而視頻機(jī)器人沒(méi)有檢測(cè)出來(lái)，可能是由于管道外壁有缺陷，但管道內(nèi)壁完好，導(dǎo)致視頻看起來(lái)完好，而實(shí)際污水管道管壁厚度變薄，暗藏隱患。在距離7.12 m處，擬流場(chǎng)法檢測(cè)出屬于中等M 級(jí)缺陷，視頻機(jī)器人檢測(cè)管壁完好，可能是由于混凝土中鋼筋骨架裸露，導(dǎo)致誤檢。所以擬流場(chǎng)法適用于非金屬管道滲漏檢測(cè)，不適用于金屬管道，例如沒(méi)有鋼筋骨架裸露的混凝土管道和塑料管道。

3） 從擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)原始數(shù)據(jù)曲線可以看出，距離16.6 m 處是個(gè)分界點(diǎn)，前面管段檢測(cè)電壓值高，后面管段檢測(cè)電壓值低，這與管道周圍填充物和土壤濕度有關(guān)，雖然不同管段檢測(cè)電壓值差異較大，但不影響整段管道電壓梯度曲線精度。所以擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)適用于多種土壤濕度環(huán)境，不受晴天雨天限制。

4） 此管段檢測(cè)長(zhǎng)度22.01 m，共有缺陷21 個(gè)，其中大型缺陷2 個(gè)，中型缺陷11 個(gè)，小型缺陷8 個(gè)，裂縫缺陷總長(zhǎng)度0.306 m，缺陷總長(zhǎng)度占管道總長(zhǎng)度比例為1.38%。建議對(duì)6～15 m 污水管段范圍內(nèi)做面狀重點(diǎn)修復(fù)，其他管段做點(diǎn)狀修復(fù)。

5 結(jié) 論

本文將擬流場(chǎng)法應(yīng)用到非金屬污水管道裂縫檢測(cè)中，解決了高水位管道裂縫無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了污水管道擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)。與目前市場(chǎng)上成熟的管道視頻機(jī)器人檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擬流場(chǎng)法滲漏檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠，檢測(cè)精度高，能檢測(cè)出污水管道中絕大部分表面裂縫和隱藏缺陷。在工程項(xiàng)目應(yīng)用中，本系統(tǒng)可以和管道聲納檢測(cè)儀一起使用，一次性檢測(cè)出高水位污水管道裂縫、塌陷、變形、淤泥等諸多異常問(wèn)題。本文系統(tǒng)檢測(cè)成本低，檢測(cè)速度快，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為王永濤。