專利名稱：一種用于計算由埋入式載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真的探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于計算由埋入式載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真的探測器。
背景技術(shù)：
在埋有電纜，光纜或其它公用工程管道或管線的地方開始挖掘或其它作業(yè)之前， 測定上述埋地的纜索或管線位置以確保它們在進(jìn)行作業(yè)時不被破壞是非常重要的。一旦定 位出埋地的公用工程，公用工程的深度就能夠被計算出來以便測定一個安全的挖掘深度。載流導(dǎo)體發(fā)射可以由電性天線探測到的電磁輻射。如果光纜或非金屬公用工程纜 索或管線是以少量電子示蹤器線路設(shè)置的，示蹤器線路能夠感應(yīng)一股交流電輪流發(fā)射的電 磁輻射。眾所周知的使用探測器探測由承載交流電的導(dǎo)體發(fā)射的電磁場。一種類型的所述探測器是以兩種模式中的一種進(jìn)行工作的，S卩“主動”或“被動”模 式。每種模式均有各自的探測頻率波段。被動模式包括“電力，，模式和“無線電“模式。在電力模式中，探測器探測到由承 載交流電主干線電源的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場達(dá)到50/60HZ，或來自由鄰近承載交流電電纜導(dǎo)致 的導(dǎo)體再輻射的磁場，加之更高諧頻一直到大約5KHz。在無線電模式中，探測器探測由埋地 導(dǎo)線再輻射的超低頻(VLF)無線電能量。最初的超低頻無線電信號的來源是多個超低頻 長波發(fā)射機(jī)，用于商業(yè)和軍事方面。在主動模式中，一信號發(fā)送機(jī)產(chǎn)生一公知調(diào)頻的交變磁場以感應(yīng)在鄰近埋地導(dǎo)線 中的電流。信號發(fā)送機(jī)可以被直接連接到導(dǎo)線上或，不能直接連接通路的地方，信號發(fā)送機(jī) 可以被放置在鄰近埋地導(dǎo)線的位置及可以在導(dǎo)線內(nèi)感應(yīng)信號。埋地導(dǎo)線再輻射由信號發(fā)送 機(jī)產(chǎn)生的信號。本實用新型為計算埋地電流承載導(dǎo)線深度的現(xiàn)有設(shè)備帶來更多的提高，為使用者 提供附加的功能和便利。

實用新型內(nèi)容根據(jù)本實用新型的第一個方面，提供一種用于計算由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場 失真的探測器，該探測器包括一第一天線；一具有其軸線平行于第一天線軸線并距離第 一天線隔開s間隔的第二天線；一具有其軸線平行于第一和第二天線軸線并距離第一天線 隔開2s間隔，距離第二天線隔開s間隔的第三天線；用于對比在第一和第二天線的磁場而 產(chǎn)生的第一相對值的設(shè)備；用于對比在第二和第三天線的磁場而產(chǎn)生的第二相對值的設(shè) 備；基于第一和第二相對值計算上述埋地導(dǎo)線深度的第一設(shè)備；基于在一對第一，第二和 第三天線的磁場計算上述埋地導(dǎo)線深度的第二設(shè)備；以及用于比較計算深度的第一設(shè)備和 計算深度的第二設(shè)備的深度計算而計算由上述埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真的設(shè)備。位于第一和第二天線的磁場和位于第二和第三天線的磁場可運(yùn)用下述關(guān)系進(jìn)行 比較[0010]R = (Bb-Bm) / (Bb-Bt)其中Bb表示位于第一天線的電磁場Bm表示位于第二天線的電磁場；以及Bt表示位于第三天線的電磁場；以及運(yùn)用下述關(guān)系計算深度的第一設(shè)備可被安排計算位于第一天線下面的上述導(dǎo)線 的深度d d = 2s (I-R)/(2R-1)以及運(yùn)用下述關(guān)系計算深度的第二設(shè)備可被安排計算位于第一天線下面的上述 導(dǎo)線的深度d:d = 2s/(Bb/Bt-1)該探測器可進(jìn)一步包括當(dāng)由上述埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真> 10%時用于 提醒操作者的設(shè)備。每一天線可輸出一代表位于天線的電磁場的磁場強(qiáng)度信號的類似物。該探測器可 進(jìn)一步包括增強(qiáng)磁場強(qiáng)度信號的設(shè)備。該探測器可進(jìn)一步包括將磁場強(qiáng)度信號類似物轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的設(shè)備；及處理 數(shù)字信號以便隔離預(yù)先確定的頻率波段信號的設(shè)備。將磁場強(qiáng)度信號類似物轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的設(shè)備可以是delta-sigma立體編解碼
ο每對第一和第二天線以及第二和第三天線可被校準(zhǔn)達(dá)到至少六十萬分之一的精度。根據(jù)本實用新型的第二個方面，提供一種計算由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失 真的方法，該方法包括提供一第一天線；提供一具有其軸線平行于第一天線軸線并距離 第一天線隔開s間隔的第二天線；提供一具有其軸線平行于第一和第二天線軸線并距離第 一天線隔開2s間隔，距離第二天線隔開s間隔的第三天線；對比在第一和第二天線的磁場 而產(chǎn)生的第一相對值；對比在第二和第三天線的磁場而產(chǎn)生的第二相對值；基于第一和第 二相對值計算上述埋地導(dǎo)線深度；基于在一對第一，第二和第三天線的磁場計算上述埋地 導(dǎo)線深度；以及比較深度計算的結(jié)果和計算由上述埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場的失真。位于第一和第二天線的磁場和位于第二和第三天線的磁場可運(yùn)用下述關(guān)系進(jìn)行 比較R = (Bb-Bm) / (Bb-Bt)其中Bb表示位于第一天線的電磁場Bm表示位于第二天線的電磁場；以及Bt表示位于第三天線的電磁場；以及運(yùn)用下述關(guān)系可首先計算位于第一天線下面的上述導(dǎo)線的深度d d = 2s (I-R)/(2R-1)運(yùn)用下述關(guān)系可第二次計算位于第一天線下面的上述導(dǎo)線的深度d d = 2s/(Bb/Bt-1)[0035]根據(jù)本實用新型的第三個方面，提供一種承載計算機(jī)可讀編碼的運(yùn)載媒體以控制 一微處理器從而實現(xiàn)上述方法。根據(jù)本實用新型的第四個方面，提供一種用于計算由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場 失真的探測器，該探測器包括一第一天線；一具有其軸線平行于第一天線軸線并距離第 一天線隔開s間隔的第二天線；一具有其軸線平行于第一和第二天線軸線并距離第一天線 隔開2s間隔，距離第二天線隔開Is間隔的第三天線；以及一微處理器，配置為對比在第 一和第二天線的磁場而產(chǎn)生的第一相對值；對比在第二和第三天線的磁場而產(chǎn)生的第二相 對值；基于第一和第二相對值計算所述埋地導(dǎo)線的第一深度；基于在一對第一，第二和第 三天線的磁場計算所述埋地導(dǎo)線的第二深度；以及比較第一和第二深度計算以計算由所述 埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場的失真。位于第一和第二天線的磁場和位于第二和第三天線的磁場可運(yùn)用下述關(guān)系進(jìn)行 比較R = (Bb-Bm) / (Bb-Bt)其中Bb表示位于第一天線的電磁場Bm表示位于第二天線的電磁場；以及Bt表示位于第三天線的電磁場；以及運(yùn)用下述關(guān)系計算深度的第一設(shè)備可被安排計算位于第一天線下面的上述導(dǎo)線 的深度d d = 2s (I-R)/(2R-1)以及運(yùn)用下述關(guān)系計算深度的第二設(shè)備可被安排計算位于第一天線下面的上述 導(dǎo)線的深度d:d = 2s/(Bb/Bt-1)該探測器可進(jìn)一步包括一用戶界面用于當(dāng)由上述埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失 真彡10%時提醒操作者注意。每一天線可輸出一代表位于天線的電磁場的磁場強(qiáng)度信號。該探測器可進(jìn)一步包 括安排放大器以增強(qiáng)磁場強(qiáng)度信號。該探測器可進(jìn)一步包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將磁場強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；以及 安排一數(shù)字信號處理器以處理數(shù)字信號以便隔離預(yù)先確定的頻率波段信號。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以是delta-sigma立體編解碼器。每對第一和第二天線以及第二和第三天線可被校準(zhǔn)達(dá)到至少六十萬分之一的精度。本實用新型的有益效果是為計算埋地電流承載導(dǎo)線深度的現(xiàn)有設(shè)備帶來更多的 提高，為使用者提供附加的功能和便利。

圖1是根據(jù)本實用新型的實施例公開的探測器的結(jié)構(gòu)圖；圖2是一常用探測器的兩水平天線的示意圖；圖3是圖1所示探測器的三天線的示意6[0056]圖4是圖1所示的處理由圖3中的天線探測的信號的探測器的局部示意圖；圖5是圖1所示探測器的兩天線的示意圖；圖6是圖1所示探測器的更多兩天線的示意圖；以及圖7是圖1所示探測器的數(shù)字信號處理模塊的局部示意圖。
具體實施方式
圖1是根據(jù)本實用新型的一實施例公開的便攜式探測器的結(jié)構(gòu)圖。探測器包括5 個用于探測由一電流承載導(dǎo)體輻射的電磁信號的天線3。每個天線3將位于天線的電磁場 轉(zhuǎn)換為從天線3輸出的磁場強(qiáng)度信號5。每個天線輸出被傳到前置放大、均衡濾波、增益開關(guān)7。如果磁場強(qiáng)度信號5的強(qiáng) 度弱則來自天線3的輸出通過均衡過濾器被增強(qiáng)和過濾。如果有足夠的來自天線3輸出的 磁場強(qiáng)度信號5則信號被直接提供給探測器的下一階段。除來自天線3的輸出外，其它輸 入可被直接應(yīng)用于探測器例如來自輔助部件如夾具，聽診器，水下探針和用于故障探測的 三角支架。來自前置放大、均衡濾波、增益開關(guān)7的輸出被提供到超外差混頻器9中。該混頻 器電路被設(shè)計為恢復(fù)來自承載器的全量級和階段信息。來自混頻器9的輸出被提供到編解碼器11中。該編解碼器11是24比特立體 delta-sigma模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。這是一種相對廉價的設(shè)備并且其具有士 1 %的低絕對 精度但是具有極高的比例精度。然而，如下所述本實用新型的編解碼器11的被應(yīng)用的路徑 使其成為理想的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。編解碼器11達(dá)到96KHz時過度取樣磁場強(qiáng)度信號。編 解碼器11的輸出被提供到由數(shù)字信號處理器(DSP)和磁場可編程序日期陣列(FPGA)。該探測器進(jìn)一步包括一包含動力能源如電池和電源管理電路的電源單元 (PSU) 15。提供一通信模塊17以允許探測器連接到個人計算機(jī)(PC)或個人數(shù)字助(PDA) 上傳存儲在探測器中的數(shù)據(jù)以及允許從個人計算機(jī)/個人數(shù)字助理到探測器的下載，例如 軟件更新。該探測器進(jìn)一步包括一存儲塊19和用戶界面模塊21。用戶界面模塊21可包括 一個或更多顯示器用于顯示信息給設(shè)備操作者，輸入設(shè)備如鍵盤或觸摸敏感屏幕以及音響 輸出設(shè)備如揚(yáng)聲器或?qū)ず魴C(jī)。便攜式探測器的組成被收容在一外殼內(nèi)(未示出)。圖2是在加長的垂直保持的外殼(未示出)內(nèi)的已知探測器的兩個水平垂直分離 天線B，T的示意圖。使用中的探測器被置在埋地載流導(dǎo)體的地面23的垂直上方底部天線 B接近于地面23。天線的軸線均平行以及在底部天線B和頂部天線T間的間隔為2s。埋 地導(dǎo)體25位于地面23以下深度為d處(以及在底部天線B以下)以及天線B和T和導(dǎo)體 25之間的水平位移為χ。當(dāng)交流電在導(dǎo)體25中流變時導(dǎo)體25輻射一電磁場。由載流導(dǎo)體25產(chǎn)生的電磁 場引起的位于天線Bb底部和天線Bt頂部的磁通量密度和磁場分別通過以下給出Bb(x，d) = μ 0id/2 π (d2+x2)+C(1)以及Bt (χ, d) = y0i(d+2s)/2 3i ((d+2s)2+x2)+C(2)其中l(wèi)·^是自由空間的磁導(dǎo)系數(shù)；
7[0072]i是在導(dǎo)體25中的電流流動；以及C是被稱為通常模式磁場失真的頻率應(yīng)變量。通常模式磁場失真是由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真，這是由埋地載流導(dǎo)體25 內(nèi)的材料的復(fù)數(shù)阻抗引起的。由于地面具有分布的復(fù)數(shù)阻抗，通常模式磁場失真的結(jié)果是 由通過地面的返回電流引起的信號均勻失真。地面的復(fù)數(shù)阻抗由于不同材料如干土，濕粘 土以及沙而變化。例如，在頻率為83KHz當(dāng)埋地導(dǎo)體在濕粘土中的深度為1. 7m時C的貢獻(xiàn) 是對B理論值給出34%的變差。
d = D d、(3)BB{x,d) — 1 Br (x, d)基于磁通量密度測量值Bb和Bt埋地導(dǎo)體的深度為當(dāng)χ = 0時用等式(3)代替等式(1)和(2)，即當(dāng)探測器直接在載流導(dǎo)體25上時 給出從等式(4)中可以看出，運(yùn)用兩個天線進(jìn)行深度計算依賴于通常模式磁場失真， 這導(dǎo)致在確定埋地導(dǎo)體深度時有實際困難。常規(guī)設(shè)備中減少難點是基于從不同地點對于 “平均”土壤類型給出函數(shù)C的
d=-T^--(4)Ιπ __1
" +C測量值而配備一近似通常模式磁場失真的補(bǔ)償算法。由于在濕粘土和干砂之間的 測量值的重大差異達(dá)到35 %，該近似值不能滿足要求，通常會導(dǎo)致低估埋地載流導(dǎo)體的深度。圖3是圖1的探測器的三個橫向垂直間隔的天線T，M，B的示意圖。所述天線的 軸線均是平行的。中間天線M被安置在底部天線B和頂部天線T的中間每個天線相互間隔 s以便于底部天線B和頂部天線T的間隔為2s。如圖2所示，導(dǎo)體25被埋在地面23以下 (以及在底部天線B以下)深度為d以及天線T，M，B和導(dǎo)體之間的水平位移為
n ( ΛMoKd ^ s).廣
_2] BM{x,d)=+C(5)
2π((α + s) +χ )χ。中間天線的磁通量密度Bm由以下給出實際上，當(dāng)天線在導(dǎo)體的垂直上方時可計算載流導(dǎo)體的深度，即，當(dāng)水平位移χ為 0時。等式⑴，(2)和(5)變?yōu)橐徽J(rèn)為方便的比率R由以下給出
—BmIx —--(yj
bB ^bT[0087] Bt
給出
B
B
μ￡_
2nd
+ C
/ O
2π( + 2 y)
+ C
Bm =
/
O
C
2π(β + s)
由等式(9)替換等式(6)，(7)和(8)給出, R
Moi 2nd
+ C-
/
2π{ + s)
+ C
/V
+ C-
+ C
(6)
(7)
(8)
(10)
2nd 2π{ + 2^)
比率R是有效的第二派生梯度術(shù)語以及與通用模式失真C無關(guān)。
-等式(10) R —
d d + s d + s — d + 2s
2 2{d + s)
(H)
d d + 2s d + 2s
對于d的求解等式(11)給出三個天線深度等式 d —
2^(1 - R)
(12)
2R-1因此，等式(9)和(12)提供了一種通過比較位于三個天線的磁通量密度計算載流 導(dǎo)體25的深度的方法。通過運(yùn)用不依賴埋地載流導(dǎo)體內(nèi)物質(zhì)的復(fù)數(shù)阻抗的比率術(shù)語R，等 式(9)和(12)無需為埋地載流導(dǎo)體25內(nèi)的物質(zhì)的通常模式磁場影響作補(bǔ)償以及這些等式 提供一種計算埋地導(dǎo)體深度的改進(jìn)方法。等式⑴，⑵和(5)應(yīng)用到承載均勻電流和在真空中提供精確徑向場的無限延伸 導(dǎo)體。當(dāng)所述的導(dǎo)體埋在含有有限傳導(dǎo)性的次級電流的土壤中并產(chǎn)生磁場時將會在土壤中 有所感應(yīng)。對用于載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場等式(1)，(2)和(5)的可選擇模式在下面給出，顯 示等式(1)，(2)和(5)如何脫離理論的純徑向場 β _ Mp1 ^
2nd
d
δ(7).
(13)[0099] 其中
—■= 503
WT)
Tμ。是自由空間的磁導(dǎo)系數(shù)；i是在導(dǎo)體25中的電流流動；δ是地傳導(dǎo)性；以及γ是根據(jù)地傳導(dǎo)性頻率變化的變量架設(shè)土壤傳導(dǎo)性是同質(zhì)的，如果對于每個天線用等式(9)代替等式(3)其可表明 在比率分析中消除指數(shù)項和通常模式磁場的影響。該比率計算的先決條件是三個水平天線Τ，Μ, B的精確校正達(dá)到大約六十萬分之 一的精度。天線的校正是關(guān)于頂部和中間天線T，M以及中部和底部天線Μ, B的相對性能而 執(zhí)行的。探測器的組裝完成后，每個天線被依次安放在已知磁場內(nèi)然后從天線處輸出的磁 場強(qiáng)度信號的量級和狀態(tài)通過頻率排列被測得。表示頂部和中間天線以及中間和底部天線 性能比例的校正值被計算和存儲在探測器的存儲塊19中以便于從一對天線輸出的磁場強(qiáng) 度信號的比例計算始終精確到大約六十萬分之一。圖4是圖1所示處理由圖3所示天線探測到的信號的探測器的局部結(jié)構(gòu)圖。如果由天線Τ，Μ, B探測到的信號弱，通過前置放大、均衡濾波、增益開關(guān)7提供以 及通過因子G(W)增強(qiáng)來自三個天線T，M，B中的每個的模擬輸出；另外來自天線Τ，Μ，Β的 輸出被直接提供到電路的混頻器9中?；祛l器9包括兩個多路轉(zhuǎn)換器，第一多路轉(zhuǎn)換器結(jié) 合來自頂部天線T和中間天線M的信號以及第二多路轉(zhuǎn)換器結(jié)合來自中間天線M和底部天 線B的信號。來自每一多路轉(zhuǎn)換器的輸出當(dāng)時被提供到delta-sigma編解碼器11內(nèi)。 delta-sigma編解碼器是數(shù)字轉(zhuǎn)換成對天線的輸出的理想編解碼器因為它們提供幾乎精確 的比例精度(大約224分之一交叉取樣頻帶寬度從4KHz到96KHz)。因此等式(9)的執(zhí)行 包括提供來自中間天線M的輸出到兩個delta-sigma編解碼器11內(nèi)。關(guān)于圖4，當(dāng)天線T，M，B的輸出未被增強(qiáng)時，等式(9)變?yōu)?br> n B ￡2-M ￡2nA,R=--(14)
B￡\-T￡2其中B是來自底部天線的輸出；M是來自中間天線的輸出；T是來自頂部天線的輸出；Cl是編解碼器1的轉(zhuǎn)換函數(shù)；以及C2是編解碼器2的轉(zhuǎn)換函數(shù)。通過除以C2，等式(14)變?yōu)?br> 10[0119]
權(quán)利要求一種計算由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真的探測器，其特征在于，該探測器包括一第一天線；一具有其軸線平行于第一天線軸線并與第一天線分隔一定距離的第二天線；一具有其軸線平行于第一和第二天線軸線并與第一天線分隔2s以及與第二天線分隔s距離的第三天線；比較位于第一和第二天線的磁場以產(chǎn)生第一相對值的設(shè)備；比較位于第二和第三天線的磁場以產(chǎn)生第二相對值的設(shè)備；并基于第一和第二相對值計算所述埋地導(dǎo)體的第一設(shè)備；基于位于成對的第一，第二和第三天線的磁場計算所述埋地導(dǎo)體深度的第二設(shè)備；以及比較計算深度的第一設(shè)備的深度計算和計算深度的第二設(shè)備以計算由所述埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真的設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，該探測器可進(jìn)一步包括一當(dāng)由埋地載流 導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真> 10%時提醒操作者注意的設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，進(jìn)一步包括增強(qiáng)磁場強(qiáng)度信號的設(shè)備。
4.如權(quán)利要求3所述的探測器，其特征在于，進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)換模擬磁場強(qiáng)度信號為數(shù)字信號的設(shè)備；以及處理數(shù)字信號以分離預(yù)先確定的頻 率帶的信號的設(shè)備。
5.如權(quán)利要求4所述的探測器，其特征在于，其中轉(zhuǎn)換模擬磁場強(qiáng)度信號為數(shù)字信號 的設(shè)備是一 delta-sigma立體編解碼器。
6.如權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，其中每對第一和第二天線以及第二和 第三天線可被校準(zhǔn)達(dá)到至少六十萬分之一的精度。
7.一種計算由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真的探測器，其特征在于，該探測器包括一第一天線；一具有其軸線平行于第一天線軸線并與第一天線分隔距離s的第二天線； 一具有其軸線平行于第一和第二天線軸線并與第一天線分隔2s以及與第二天線分隔 s距離的第三天線；一微處理器設(shè)置為比較位于第一和第二天線的磁場以產(chǎn)生第一相對值； 比較位于第二和第三天線的磁場以產(chǎn)生第二相對值； 基于第一和第二相對值計算所述埋地導(dǎo)體的第一深度；基于位于成對的第一，第二和第三天線的磁場計算所述埋地導(dǎo)體的第二深度；以及 比較第一和第二深度計算以計算由所述埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真。
8.如權(quán)利要求7所述的探測器，其特征在于，進(jìn)一步包括被安排增強(qiáng)磁場強(qiáng)度信號的 放大器。
9.如權(quán)利要求8所述的探測器，其特征在于，其中模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是一delta-sigma立體編解碼器。
10.如權(quán)利要求7所述的探測器，其特征在于，其中每對第一和第二天線以及第二和第 三天線可被校準(zhǔn)達(dá)到至少六十萬分之一的精度。
專利摘要用于計算由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真的探測器包括3個天線B，M，T。運(yùn)用兩種方法比較兩對天線的輸出以及計算埋地導(dǎo)體的深度。如果兩種計算的深度存在重大區(qū)別那么就認(rèn)為由埋地載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場被埋地導(dǎo)體內(nèi)的材料嚴(yán)重失真。該探測器可以用于計算由埋入式載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場失真，進(jìn)而探測埋入式載流導(dǎo)體。
文檔編號G01B7/26GK201749197SQ20092000756
公開日2011年2月16日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日
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