基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，它涉及通信领域，它解决了金属层对电磁信号带来的屏蔽问题。本发明专利技术的甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器（３）的发射端发射出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组（４）接收甚低频功率电磁脉冲信号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置（５）中，信号处理与传输装置（５）将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相同的信号分量，并传输到计算机（６）进行数据分析，解析通讯指令。本发明专利技术实现了金属管道环境下内外的可靠通讯，在金属、泥沙土层及海水环境中传播时，其电磁信号衰减因子较小。对比高频电磁波信号，其在损耗介质中的传播距离大幅度提高。
Pipeline internal and external communication device based on very low frequency power electromagnetic pulse
The utility model relates to a communication device inside and outside the pipeline based on very low frequency power electromagnetic pulse, which relates to the communication field. Very low frequency power electromagnetic pulse transmitter of the invention and a micro controller (3) of the transmitter emits power very low frequency electromagnetic pulse signal, magnetic induction antenna group (4) received very low frequency power electromagnetic pulse signal and voltage signal transmitted to the signal processing and transmission device (5), signal processing and the transmission device (5) voltage signal filter amplifier, extract the signal component with the same frequency of the transmitter, and transmitted to the computer (6) for data analysis, analysis of communication instruction. The invention realizes the reliable communication inside and outside the metal pipeline environment, and the electromagnetic signal attenuation factor is smaller when the metal, the sand soil layer and the sea water environment are transmitted. Compared with the high frequency electromagnetic wave, the propagation distance is greatly improved.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及通信领域，具体涉及金属管道内外的通讯技术。技术背景随着我国石油化工与市政建设等部门所铺设管线的急剧增长，对新铺设管 道的质量检测、旧管线存在的缺陷检修、管内污垢堵塞清理以及未知地下管线 的分布测绘等方面有巨大需求。管内移动载体就是专门用于管道工程中的探 测、清管与作业的装置，它可以携带各种仪器在管内运行，完成管道探伤、管 道补漏等作业以及清管等工程任务。以往管道工程中对故障点的排险维修工 作，由于目标位置定位精度较低，往往采取盲目的大面积挖掘方法，不仅施工 复杂，对未损管线带来人为破坏，而且造成较大的资源浪费。管道工程的复杂多样性促使管内移动载体向着运动自主(无缆)、内外通讯 (信息传达)、位置可测(示踪定位)的方向发展，以提高其在工程中的实用性。 要想实现管内移动载体的诸多功能，关键在于选用可靠的管道内外通讯装置。 封闭的金属管道环境，对高频电磁波信号具有较强的屏蔽作用，目前广泛应用的射频、微波等无线通讯技术均无法应用于管道工程。采用射线源(x射线、钴-60等)的方式虽然可以实现管壁检测及小范围的管道内外信号传达，但是无 法实现多项通讯协议，并且其较强的放射性对生物与周围环境带来较大危害 (尤其在海底管道中)。而传统的有缆通讯方式，无法实现在线远距离的管道作 业要求。现有的应用于矿山及水下通讯的长波传输技术，虽然可以实现在水、 泥沙、土层等介质中的信号传播，但是对于金属管道环境条件下内外通讯问题 尚无法满足工程需要。
技术实现思路
本专利技术主要针对金属管内移动载体运行与作业信息不可探测的难题，解决 金属层对电磁信号带来的屏蔽问题，而提出了一种基于甚低频功率电磁脉冲的 管道内外通讯装置。本专利技术包括甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3、磁感应接收天线 组4、信号处理与传输装置5和计算机6;甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3的发射端发射出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组4接收 甚低频功率电磁脉冲信号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置5 中，信号处理与传输装置5将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相 同的信号分量，并传输到计算机6进行数据分析，解析通讯指令。利用甚低频功率电磁脉冲较强的穿透特性，研制了一套高效可靠的管道内 外通讯系统，为了验证专利技术的管道内外通讯装置的实用性，进行了大量的实验 工作。1) 甚低频功率电磁脉冲信号对金属管壁的穿透性在长120m、管壁厚 12mm、内径为297mm的金属管道环境中进行实验，测得电磁信号沿管线水 平方向传播距离超过10m，垂直管道轴线方向信号的传播距离大于4m。如图 4和图5为实际检测到的23HZ、 0.7s间隔的电磁信号及信号幅值沿管线的分 布状态。2) 管道内外通讯协议的传达管内移动载体2采用皮碗液压驱动的蛇形 机器人机构，装备了超声检测装置以及本专利技术的通讯系统。当超声检测到管道 缺陷时，通过甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3发送命令，产生如图 6所示的通讯指令信号(发现焊缝缺陷和发现管道泄漏)。本专利技术实现了金属管道环境下管道内外的可靠通讯问题，对于不同壁厚、 内径及铺设长度的管线都具有较好的适用性。基于目前管道工程非开挖检测排 险的迫切需求，以及地下/海底金属管道环境中通讯技术存在的种种弊端，本 专利技术提出了基于甚低频功率电磁脉冲(Extreme low frequency-power electromagnetic pulse: ELF-PEP)的管道内外通讯技术。甚低频功率电磁脉冲的 频率范围为3-30kHz，在金属、泥沙土层及海水环境中传播时，其电磁信号衰 减因子较小。对比高频电磁波信号，其在损耗介质中的传播距离大幅度提高。在对甚低频功率电磁脉冲信号的传播机理进行分析以及大量现场实验的 基础上，得出了以下结论1)在泥沙、土层、空气等导电率低的介质中，甚低频功率电磁脉冲信号 能量衰减较少，传播距离受频率影响很少，衰减因子/ 表示为<formula>formula see original document page 5</formula>其中，C7 —电导率，A—磁导率，S—介电常数。2)在金属管道、海水及潮湿土壤等导电率较高环境中，甚低频功率电磁 脉冲信号能量衰减较大，发射频率越低，信号传播距离越远，可以有效解决金 属管壁对电磁波通讯的屏蔽效应。衰减因子々表示为- = >/>7 (2)其中，a—电导率，p—磁导率，/一发射频率。本专利技术专门应用于管道工程中地面/海面上对管内移动载体进行监测，此 技术也可广泛应用于水下舰艇通讯、矿山搜救及管道工程的非破坏性排险救援 等领域。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控 制器3的电路图；图3是甚低频功率电磁脉冲信号波形图；图4是23HZ、 0.7s 间隔的甚低频功率电磁脉冲信号波形图；图5是23HZ、 0.7s间隔的甚低频功 率电磁脉冲信号幅值沿管线的分布图；图6是通讯命令信号波形图。具体实施方式具体实施方式一结合图1说明本实施方式，本实施方式由甚低频功率 电磁脉冲发射器及其微控制器3、磁感应接收天线组4、信号处理与传输装置 5和计算机6组成；甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3的发射端发射 出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组4接收甚低频功率电磁脉冲信 号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置5中，信号处理与传输装置 5将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相同的信号分量，并传输到 计算机6进行数据分析，解析通讯指令。所述的甚低频功率电磁脉冲发射器及 其微控制器3安装在金属管道1内的移动载体2上，甚低频功率电磁脉冲发射 器及其微控制器3的通信端连接移动载体2的中央控制器。具体实施方式二结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器3由单片机3-l、D/A 转换3-2、功率放大器3-3、发射线圈3-4、磁芯3-5、备用电池3-6、第一电压 转换模块3-7、第二电压转换模块3-8、微控制器3-9、电池充电器3-10、开关 &、开关管&、继电器&、稳压管A、第一二极管D2、第二二极管D3、第一 电阻Rh第二电阻R2、 24V电源线Z卜CAN通讯线丄2、地线丄3组成；24V电源线丄i连接第一电压转换模块3-7的输入端和开关&的一端，第一电压转 换模块3-7的输出端连接第一二极管D2的阳极，第一二极管D2的阴极连接第 二电压转换模块3-8的输入端、第一电阻R,的一端、第二二极管D3的阴极、 单片机3-1的第一输入端、D/A转换3-2的第一输入端和功率放大器3-3的第 一输入端；第二电压转换模块3-8的输出端连接微控制器3-9的第一输入端； 微控制器3-9的第二输入端连接第一电阻R！的另一端、第二电阻R2的一端和 稳压管A的阴极；第二电阻R2的另一端和稳压管A的阳极接地；微控制器 3-9的第三输入端连接CAN通讯线Z2;微控制器3-9的第一输出端连接开关 管&的基极，开关管S2的发射极接地，开关管&的集电极连接发射线圈3-4 的输出端、单片机3-l的第一输出端、D/A转换3-2的第一输出端和本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于甚低频功率电磁脉冲的管道内外通讯装置，其特征在于它包括甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器（３）、磁感应接收天线组（４）、信号处理与传输装置（５）和计算机（６）；甚低频功率电磁脉冲发射器及其微控制器（３）的发射端发射出甚低频功率电磁脉冲信号，磁感应接收天线组（４）接收甚低频功率电磁脉冲信号转换并为电压信号，传输给信号处理与传输装置（５）中，信号处理与传输装置（５）将电压信号进行滤波放大，提取出与发射器频率相同的信号分量，并传输到计算机（６）进行数据分析，解析通讯指令。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓华，齐海铭，陈宏钧，邓宗全，唐德威，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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