管中電流測量消除地磁干擾方法的技術實現

高志貴

（天津市嘉信技術工程公司，天津 300384）

0 引言

隨著經濟的快速發展，城市電力電氣化的不斷推進，埋地鋼質管道的安全運營面臨著嚴峻考驗。在城市地鐵和輕軌等軌道交通運輸系統中，一般采用直流牽引走行軌回流的方式驅動。一旦回流通路與大地的絕緣存在問題，巨大的直流電流會流入大地，形成隨時間變化的動態雜散電流。雜散電流干擾的危害是在管道的雜散電流流出點，管體會受到強烈的腐蝕。電性干擾的存在嚴重地威脅著城市地下管道等構筑物的安全，若不采取治理措施，干擾致使管道的管體在短時間內腐蝕穿孔發生管道安全事故，因此對雜散電流的檢測顯得尤為重要[1]。

常用的雜散電流測試技術包括：檢查片腐蝕監測、地電位梯度檢測、管地電位正向偏移法、管道電位連續動態監測、雜散電流干擾探針測試法、雜散電流測繪儀SCM檢測等方法。結合對儀器的便捷性、時效性、結果分析難易等因素，目前主流先進的測試技術是雜散電流測繪儀SCM檢測技術。此技術主要應用磁飽和磁力儀探頭獲取電流產生的磁場數據，采集數據的主要影響因素有鐵磁性物質、電磁信號和地磁場干擾。其中，由于地磁場的廣域性、持續性、地域分布性、變化性等特殊性質，使研究如何消除地磁場的影響變為重中之重。

1 遺傳算法簡介

遺傳算法是計算數學中用于解決最佳化的搜索算法，是進化算法的一種。進化算法最初是借鑒了進化生物學中的一些現象而發展起來的，這些現象包括遺傳、突變、自然選擇以及雜交等。遺傳算法通常實現方式為一種計算機模擬。對于一個最優化問題，一定數量的候選解（稱為個體）的抽象表示（稱為染色體）的種群向更好的解進化。進化從完全隨機個體的種群開始，之后一代一代發生。在每一代中，整個種群的適應度被評價，從當前種群中隨機地選擇多個個體（基于它們的適應度），通過自然選擇和突變產生新的生命種群，該種群在算法的下一次迭代中成為當前種群。

遺傳算法是解決搜索問題的一種通用算法，對于各種通用問題都可以使用。搜索算法的共同特 征為：

（1）首先組成一組候選解；

（2）依據某些適應性條件測算這些候選解的適應度；

（3）根據適應度保留某些候選解，放棄其他候選解；

（4）對保留的候選解進行某些操作，生成新的候選解。

在遺傳算法中，上述幾個特征以一種特殊的方式組合在一起：遺傳算法基于染色體群的并行搜索，帶有猜測性質的選擇操作、交換操作和突變 操作。

2 磁飽和磁力儀簡介

電磁測量方法是埋地管道腐蝕檢測行業主流的檢測方法。管道中電流的非接觸式測量所使用的傳感器為磁飽和磁力儀。利用高磁導率的坡莫合金作為靈敏元件，在弱磁場中就能達到磁飽和。靈敏元件的磁芯為閉合磁路，在其兩邊繞以匝數相同、繞向相反的激勵繞組其外繞以信號繞組。對激勵繞組給以交變電壓，使靈敏元件達到近于飽和，若無外磁場存在，則兩邊磁芯產生的磁通波形對稱而反向，這時信號繞組將沒有感應電壓輸出。當沿元件軸向存在一外磁場，則兩邊磁芯在正、負半周內飽和程度不一，產生的磁通量不能互相抵消將有感應電壓脈沖輸出。其幅度與外磁場大小成正比，據此即可測定外磁場的大小[2]。

在理論上，磁飽和磁力儀在測量理想單一的磁場方面有著優秀的能力，但是實際環境中并非只有單一磁場，其他的磁場信號會導致目標磁場的信噪比降低。主要干擾磁場包括鐵磁性物質產生的干擾，例如含鐵磁性材料的構筑物；現場環境中電磁波的干擾等以及地磁干擾。對于前兩種干擾可采取遠離構筑物和低通濾波來消除，而地磁場的特殊性質導致去除地磁干擾的方法相對困難。

3 大地磁場

3.1 大地磁場的分布

圖1 地磁的分布形態

地球磁場近似于放在地心的一個磁偶極子磁場，圖1為地磁的分布形態圖。地磁場的基本特征 如下：

（1）地球有兩個磁極，在地理北極附近的磁極叫北磁極，具有S極性，反之亦然；

（2）磁軸與地球旋轉軸不重合，大致相交11.5°；

（3）不同緯度地區，磁力線方向可從磁針的偏轉方向判定；

（4）地磁場是矢量場，既有方向也有大小[3]。

3.2 大地磁場要素

圖2為地磁的要素，觀測點的地磁場矢量（T）為任意方向，它在坐標系內可分解為以下分量：

（1）x分量（北向分量）：在正北方向（X軸）的投影；

（2）y分量（東向分量）：在正東（Y軸）上的投影；

（3）z分量（垂直分量）：在垂直方向（Z軸）上的投影；

圖2 地磁的要素

（4）H分量（水平分量）：在xoy平面上的 投影；

（5）地磁傾角（I）：T與xoy面的交角，約定T下傾為正；

（6）磁偏角（D）：H與地理北的夾角，即磁子午面與地理子午面的夾角，約定磁北自地理北向東偏為正。

4 消除地磁干擾的方法

面對地磁場的種種特性，結合嘉信公司自主研發的雜散電流記錄儀（SCL）消除地磁干擾所做研究，提出消除地磁干擾的方法。首先，從儀器的探頭方面入手，選用四個性能參數一致的探頭，使其探頭間誤差得到有效控制。

第一次改進是對儀器探頭的擺放進行精細的布局控制。圖3為儀器探頭擺放位置圖，將兩個用于管道電流I 產生磁場的垂直分量測量的磁飽和磁力儀探頭（下稱探頭），沿與管道軸向垂直方向垂直于地面放置，分別稱為3號探頭和4號探頭，之間的間距為L ，靠近管道一側的探頭即3號探頭到經過管道的豎直平面的距離為0.5L。另外以儀器中垂線為軸，探頭兩兩對稱布置，實現對地磁的消除。

第二次改進，由于探頭內部三軸正交誤差以及探頭安裝時安裝平面與三軸的正交存在夾角，使差值計算后地磁干擾沒能完全去除，因此對探頭引入自適應權值校正系數，進一步對地磁干擾進行去除，已達到更好的效果[4]。

根據畢奧-薩伐爾定律，無限長載流直導體的磁感應強度。

3號和4號探頭的磁感應強度為：

圖3 儀器探頭擺放位置圖

根據電流I相等將②中公式進行合并，將r用l和d來表示，得出管道埋深和電流的計算公式。

（1）測量修正系數β和γ的計算：

安裝好儀器后，將1號探頭方向分別放置在無電流干擾情況下地磁場的東、南、西、北四個方向上。以磁北為0度，順時針增大至360度回到磁北。求得在四個方向上B1/B4和B2/B3的比值，即B1標定修正系數β和B2標定修正系數γ。測量結果如表1所示。

表1 四方向修正系數

在標定四方位下B1和B2的修正系數后，便可以通過方位角探頭測量儀器實際使用過程中在不同方向角下的B1和B2修正系數；

（2）獲得修正值

獲得修正系數β和γ后，將此時1號探頭和2號探頭的測量結果分別進行修正，修正計算公式 如下：

修正后1號位置探頭的結果為：

修正后2號位置探頭的結果為：

B1和B2是儀器1號探頭和2號探頭實際測量結果。得到修正后的測量結果后便可以獲得更為精確的管道埋深和管中電流。

第三次改進，雖然校正系數能夠自動根據方向角對系數進行修正，但此方法過于依賴初始測量獲得四方向基礎校正系數。由于地磁場的地域分布性和時間變化性，導致換到初始校正地點以外的其他地方時，消除地磁干擾的效果較差；當與初始校正時間不同時，一起測量效果也會發生細小的誤差。因此第三次的改進是對自適應權值校正系數加入遺傳算法，優化權值，使其更加精確，進一步對地磁干擾進行去除[5]。

由埋深公式變換得出：

因此當埋深d已知時，B3電和B4電就可以通過A來相互變換，將電流I變換成由單獨的B3電和B4電來表示。由于地磁干擾沒有達到完全的消除，導致3號和4號探頭由公式算出的電流值不同，即I差＝｜I3-I4｜≠0。因此反向思考，通過計算單獨由3號或4號探頭得出的電流值的差值越小，來反映地磁干擾消除越徹底。所以對校正系數β和γ加入遺傳算法，使其按照同時增加步長、同時減小步長、一增一減步長四套方案進行迭代，將1號和2號探頭的測量結果進行修正，通過I差是否變小即I差next＜I差，來決定迭代方案是否繼續。選定方案進入迭代后，當迭代后的I差變大即I差next＞I差時，停止迭代，選定此次計算I差時的校正系數為最終校正系數β和γ，來對1號和2號探頭的測量結果進行修正，最終返回測量目標的管中電流值。

表2 在校正地點進行測量

表3 不在校正地點進行測量

5 改進效果對比

分別對管中施加0.5A，1A，2A的電流，統計三次改進的測量結果。測量結果如表2和表3所示。

結合表2和表3可以看出，在校正地點進行測量時，第二次和第三次改進都有效的消除地磁干擾，效果比較明顯，管中電流誤差率在30%以內，誤差率隨電流的增大而減小。但更換測試地點后，第二次改進的測量結果產生較大誤差，消除地磁效果明顯下降，而加入遺傳算法的第三次改進在不同地點都表現出較強的消除地磁干擾的能力，數據結果顯示測量誤差率最大為8.7%，保持控制在10%以內，相比其他改進效果，誤差率最小。表2和表3中第三次改進的數據是迭代30次的結果。驗證得知測量誤差與迭代次數有關，經過進一步的修正后，測量誤差得到大幅度的降低，現已控制在3%以內。

6 結論

加入自適應權值校正系數雖然在校正時的區域消除地磁干擾能力表現優秀，但離開校正時的區域后，消除地磁干擾的能力卻大大衰減。對校正系數引入遺傳算法后，儀器表現出很強的消除地磁干擾的能力，測量管中電流的誤差率在3%以內，誤差率隨電流的增大而減小。因此加入具備遺傳算法的自適應權值校正系數，可以有效消除地磁干擾。