一種長輸油氣管道ACVG信號測量方法與應用

國機傳感科技有限公司 張 軍 諸海博 宋華東 徐春風 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。該方法應用了差動低噪聲放大技術和數字信號處理技術，有效提高了測量的準確度和分辨力?；诖思夹g研制的外檢測設備在現場測試中效果良好，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，具有傳輸量大、安全可靠的優點，大大優于傳統的公路、鐵路、航空、水運等運輸方式，但由于傳輸介質的特殊性，對管道安全運行提出了非常高的要求。埋地鋼質管道不可避免地會發生腐蝕穿孔、破裂等，引發嚴重事故，造成可觀的經濟損失。通常對管道實施外防腐層和陰極保護，實現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，并應用于所研制的管道外檢測設備中。經過現場測試，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管道外防腐層狀況的廣泛使用的方法。其通過交流發射機發射超低頻電流信號，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，具有局部相對穩定的電場梯度。當管道外防腐層發生破損時，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。

目前的現場應用中，絕大部分采用進口設備如PCM+A字架開展測量，國產外檢測設備實際應用較少。

2 ACVG信號測量方法

2.1 ACVG信號的特點

ACVG信號由超低頻發射機發出，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。

超低頻發射機發出的信號隨著與發射機距離的增大逐漸衰減，信號強度為數百mV到uV級別，常以0dB表示1uVrms的信號。ACVG信號幅度低、動態范圍大，對測量設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，常規的萬用表測量方法難以實現有效測量。

綜上所述，信號幅度低、動態范圍大、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ACVG信號的特點，設計了一種信號測量電路，并通過數字信號處理技術精確還原了原始信號。ACVG測量系統結構框圖見圖1所示，測量電路原理圖見圖2所示。

圖1 ACVG信號測量系統結構框圖

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內核（含有雙精度浮點運算單元），CPU主頻可達480MHz，內嵌的128KB閃存和1MB靜態隨機存儲器可滿足音頻和圖像處理的需要。本設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PCM協議通訊，以DMA方式采集數據。利用該單片機的高主頻優勢，以及集成的雙精度浮點單元，以及DSP庫函數，極大提高了測量的精度和數據處理效率。單片機外圍有11.0592M高頻晶振和32.768k的低頻晶振。單片機內部的時鐘管理單元，生成480MHz的CPU時鐘和120MHz的外設時鐘。32.768k晶振作為低功耗精密時鐘源，供單片機內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位轉換精度，采樣率最高達768kSPS，內置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，完成音頻數據傳輸。

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信號實現阻抗匹配。ACBIAS節點是參考電位節點，電壓為1.6V。放大器U03A、U03B與外圍的電阻R2、R4、R6構成差動放大電路，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信號測量軟件結構

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部的設備和ADC芯片進行初始化和運行設置，內部設備包括系統時鐘、GPIO、定時器、通訊端口、DMA、中斷等，對ADC的設置包括時鐘、采樣率、數據格式、通訊速率、模擬通道、功耗控制等。初始化完成后控制ADC啟動一次數據采集，采樣時間為500ms。單片機原地等待，并實時掃描數據就緒標志位，如果發生超時情況，表示設備異常，需要重新進行初始化過程。

ADC芯片接收到啟動轉換指令后開始運行，模數轉換后的數據通過DMA接口保存到單片機的采樣數據緩存區。到達指定采樣時間后，DMA數據傳輸結束，在DMA傳輸結束中斷中將數據就緒標志置位，本次轉換結束。

單片機檢測到數據就緒標志位置位的狀態后，將采樣數據讀取到計算緩存區，然后進行數字信號處理，并將計算結果保存，然后啟動下一次ADC的數據轉換。

2.4 ACVG信號數字處理技術

ACVG信號的數字處理技術針對信號幅度低、動態范圍大、信噪比低、工頻干擾強的特點，采用了數據加窗、單點離散傅立葉變換實現了測量目標。

2.4.1 數據加窗

在現代信號處理中，通過時域轉頻域的方式，提取信號的頻域特征，是一種有效的的分析手段。根據數字信號理論，從連續的無限長度的數據中取出一段時間內的數據信號，相當于對數據進行了一次截斷的過程，等效于對數據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出現一些較小幅值的譜線，稱為“頻譜泄漏”。時域中的數據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，但是可以通過數據加窗的方法進行抑制。

常用的窗函數很多，例如矩形窗、三角窗、漢明窗、漢寧窗、Kaiser窗等。本設計采用了具有較強的旁瓣抑制能力的凱撒窗（Kaiser）窗函數，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（零階），可用冪級數表示為：

公式(1)中的是窗函數β的形狀參數，由下式確定：

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

圖4 窗函數幅度響應和頻譜響應

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?？焖俑盗⑷~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，計算點數較多時，FFT的運算效率優勢明顯。在本應用中，由于被測ACVG信號為單一頻率信號，因此應用DFT比FFT效率更高。

單次采樣期間的ADC轉換數據通過DMA傳輸以數組形式保存在單片機的內存中，采樣結束以后，暫停接收數據，對數據進行加窗計算并保存在原位置然后進行后續數據處理。數據處理主要包含相關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點采樣數據，每個ACVG信號周期內有48000/128=375點數據。

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

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

2.5 在外檢測設備中的應用

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

表1 管道綜合外檢測設備與PCM設備對比測試數據表

針對國內埋地管道外防腐層檢測技術的現狀，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。基于此測量方法研制的管道綜合外檢測設備在實際應用中效果良好，有望成為進口產品的有力競爭者。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域具有廣泛的參考價值。