專利名稱：埋藏管路定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及的是隱藏管路的定位，更具體涉及的是確定能夠傳輸交流電流的地下電纜或管線位置的方法和裝置。
對象煤氣、供水和污水管線和電話電纜這樣的埋藏管路經(jīng)常需要確定位置，以便維修或替換損壞或有故障的管路。在挖掘時事先知道這種地下設(shè)備的位置也是很重要的。已有技術(shù)中包括許多用于確定具有導電性導電電纜的管路或其他能夠傳輸電流的管路的位置的裝置，這些裝置采用感應(yīng)線圈或電容器板探測由管路中電流所產(chǎn)生的電磁測試信號。最早的電纜定位器采用一個單獨的傳感器，在其經(jīng)過電纜附近的時候，傳感器檢測出一個單獨的零或峰值信號(取決于傳感器的取向)。由于峰值范圍相當寬，所以就使電纜定位的精度很低。而零點檢測很靈敏，對于多條電纜傳輸測試信號的情況會出現(xiàn)定位錯誤，因此在這種區(qū)域峰值檢測更好，但是由于其響應(yīng)范圍很寬，峰值檢測很難找到電纜的準確位置。
以后的許多裝置采用兩個或更多的傳感器來合成信號以提供管路臨近的指示。這樣的探測系統(tǒng)記載在下列專利中美國專利號3,617,8654,542,3444,091,3224,639,6744,134,0614,665,369
4,220,9134,672,3214,295,0954,686,4544,387,3404,843,3244,390,8364,942,3654,427,9424,990,8524,438,3895,001,4304,458,2045,093,6224,520,317這些專利的最后一個專利對其它許多專利所記載的技術(shù)進行了有益的比較。還可以知道這最后一個專利是針對信號處理的改進，而不是在傳感器設(shè)置上的改進。
最簡單的多傳感器裝置是只對來自兩個傳感器的信號進行合成，合成信號通常是通過信號相減來進行，以產(chǎn)生一個表示臨近的信號，如在上面所列專利的第一個專利所記載的那樣。這種技術(shù)(雙峰)不需要變換設(shè)計的復雜電路，適合低成本、堅固耐用的電纜定位器的需要。如

圖1所進一步說明的那樣，圖1表示的是一條信號強度與距管路的距離的關(guān)系曲線，這種雙峰值方法還可以提高緊鄰埋藏管路區(qū)域的靈敏度(即與單個峰值檢測器的曲線B相比較的一條陡峭響應(yīng)曲線A)。但是，這種方法的曲線在主峰兩例有假峰或臺肩(shoulder)，在最大值之間有最小值(零)。這種效果令人不滿意的理由有幾個。首先，如果電纜靠近假峰值之外沒有經(jīng)驗的人使用這種裝置會產(chǎn)生錯讀。在例舉的圖1的曲線表示的情況中，會錯誤認為電纜是位于在水平方向上偏離了電纜深度的兩或三倍的位置上。在檢測多條管路時還會讀錯結(jié)果。最后，對于集中了傳輸測試信號的多條管路的區(qū)域，雙峰值方法還可能產(chǎn)生混亂指示。
一種已有技術(shù)的裝置(′942號專利)只有當下部傳感器檢測出的超過預定信號強度值的信號的強度大于上部線圈檢測的信號強度時，通過啟動揚聲器來掩蓋住側(cè)峰。雖然這種方法似乎挺吸引人，但并不是最好的，理由有兩個。首先，側(cè)峰是被掩蓋住，而不是被消除或轉(zhuǎn)換成平的響應(yīng)曲線，這會增加響應(yīng)特性的非線性，而且在有相鄰的傳輸很弱信號的管路存在的情況下造成讀數(shù)非?；靵y并不可預計；換句話說，就是不能消除或減少這種相鄰電纜的干擾。第二，這需要附加硬件從而增加了裝置的成本。因此，就需要設(shè)計一種更先進的電纜定位器，它既保持了雙峰值設(shè)計的簡單性(和低制造成本)，又使虛假峰的影響最小。
本發(fā)明提供一種用于確定電流傳輸管路方向和位置的改進的裝置。該裝置總的包括一個有兩個空間取向的傳感器的接收器，一個信號處理單元和一個指示器。傳感器探測由管路中交流電流感應(yīng)產(chǎn)生的測試信號。改進之處在于在合成傳感器信號之前先對其中一個信號進行相移。通過在兩個傳感器之間進行相移來改變響應(yīng)特性，從而有效地消除側(cè)邊的最小值和最大值。在兩個信號間的增益的不匹配增強了這種結(jié)果，并使整個響應(yīng)特性更陡峭。當用作地下電纜定位器的時候，傳感器可以由支承在接收器殼體內(nèi)的感應(yīng)線圈組成，這些線圈相互平行，在使用中總的來說在水平方向?qū)识谪Q直方向分開。這種改進的響應(yīng)特性還有利于在所埋的多條電纜靠得很近的區(qū)域確定電纜位置。
本發(fā)明的權(quán)利要求書說明了本發(fā)明的新穎特點和范圍。但是通過參照附圖才能更好地理解本發(fā)明自身，其中圖1是說明具有單個和兩個傳感器的典型已有技術(shù)的電纜定位器響應(yīng)特性的曲線圖；圖2是本發(fā)明的電纜定位系統(tǒng)的示意圖，其包括有接收裝置；圖3是在試圖定位隔離的電纜的時候，本發(fā)明裝置的響應(yīng)特性與已有技術(shù)的裝置的響應(yīng)特性相比較的曲線圖；和圖4-8是在試圖對靠近正在傳輸部分測試電流的第二管路的電纜進行定位的時候，已有技術(shù)裝置和本發(fā)明裝置理論響應(yīng)特性曲線的曲線圖。
現(xiàn)在參照附圖，特別是參照圖2，其表示的是本發(fā)明的電纜定位器10的實施例。定位器10總的包括一對空間取向的傳感器12和14，傳感器12和14與一個信號處理單元16相連，而信號處理單元16與指示器18、鍵盤20和電源(電池)22相連。所有這些部件可以裝在一個共同的殼體24中，這與5,093,622號美國專利記載的相似。指示器18和鍵盤20還可以采取與這一專利的控制板相似的形式，指示器包括一個可視顯示器和一個聲音揚聲器，鍵盤20包括電源開/關(guān)、頻率選擇、信號校對和深度讀數(shù)的按鈕。雖然本發(fā)明也可以變換為采用電場電容器板，但傳感器12和14最好是采用磁場感應(yīng)線圈。這些線圈的軸基本上是平行的，傳感器最好裝在殼體24中，以便使用期間持拿該裝置時，傳感器基本水平平行于大地表面26而且在垂直方向上是分開的，定義傳感器12為上部傳感器，傳感器14為下部傳感器。
術(shù)語“水平方向的”和“垂直方向上”的這種使用在說明使用定位裝置10確定地下管路位置的情況中是精確的，但這并不意味著認為只限于探測。例如，如果所要定位的管路埋在靠近一堵傾斜的殘墻的地方，或者電纜是沿建筑物墻壁鋪設(shè)的，則要調(diào)節(jié)殼體傾斜的幅度以垂直墻壁的表面。
傳感器12和14檢測由所要定位的管線，例如地下管路28中的交流電流所產(chǎn)生的電磁信號。電流(以已知頻率為例如577赫茲或33千赫茲)可以直接施加于管路28上或通過一般的發(fā)射器30感應(yīng)。接收到的信號由信號處理單元16的前置放大器32和34放大。然后由可變增益放大器36對這些放大的信號進行相減合成，放大器36輸出的信號經(jīng)過帶通濾波器38。最后處理的輸出信號輸送給指示器18。
上段還說明了典型的已有技術(shù)的雙峰值檢測器。但是，本發(fā)明與已有技術(shù)的不同在于在傳感器信號相減之前，對其中一個傳感器信號進行了相移。這個步驟可以用多種不同的方式來完成，但最好是通過一個RC電路來完成，這個RC電路包括一個串聯(lián)電阻器46和一個電容器40，它們與放大器36的一個輸入端電連接。如果定位器10在一個以上頻率上工作，比如通過可開關(guān)地連接一個差分電容器42來代替電容器40，從而提供一個具有不同響應(yīng)特性的附加RC電路。在這種情況下，通過一個接口控制邏輯電路44選擇RC電路，電路44還與帶通濾波器38相連以調(diào)節(jié)通過的寬度。邏輯電路44控制RC電路與地(公共地或外殼)之間的開關(guān)。另一種方法是可以在一個單獨RC電路中使用可變電阻器和/或可變電容器。在定位器10是復頻率的實施例中，濾波器38當然是可編程的。控制邏輯電路44還包括一個自動增益控制部分以自動調(diào)節(jié)放大器36。還可以采用一個壓伸器(Compander)(一般的壓縮/擴展電路—沒有示出)以便對接收信號的變化提供更細的靈敏度。
信號間相對相移的結(jié)果是實際消除了在已有技術(shù)的雙峰值系統(tǒng)的主峰任意一側(cè)所通常存在的最低點。圖3的曲線表示了這一點，圖3表示的是本發(fā)明定位器的響應(yīng)曲線C(下面進一步說明曲線C也反映了增益不匹配)；為便于比較圖3還包括已有技術(shù)的響應(yīng)曲線A和B。這種改進的產(chǎn)生是基于這樣的事實，即除非兩個信號等于零，具有不等于0或180度相位差的兩個交流信號的差或和絕對不可能等于零。因此，來自傳感器12和14的兩個(相移)信號的差絕對不會是零，從而使響應(yīng)曲線C的最低點提高了。相移可以在5到25度之間變化，最好是約為12度。在不同的頻率上可以提供不同的相移。對于工作在上述頻率上的定位器10，RC電路具有下面例舉的規(guī)格一個2千歐的電阻器46(假定下面給定的電阻器41和43的數(shù)值)，一個39毫微法的電容器40(對于577赫茲)，和一個680微微法的電容器42(對于33千赫)。
通過同時增加信號中的一個的相對增益可以增強信號間相移所產(chǎn)生的效果。這通過連接一個與電容器40并聯(lián)的另一個電阻器41(和通過在另一個RC電路中進行相似的連接，例如使電阻器43與電容器42相并聯(lián))來實現(xiàn)。圖2表示了向上部傳感器12提供相移和增益不匹配的最佳方式。當然，也可以改變來自傳感器14的信號，進一步詳細考慮的是在一個信號中引入相移，同時向另一個信號提供增益不匹配。如果要改變的是來自上部傳感器12的信號，該信號的增益應(yīng)該是減小的，但是如果改變的是來自下部傳感器14的信號，該信號的增益應(yīng)該是增加的。應(yīng)該理解到可以采用其它方法來產(chǎn)生增益不匹配，例如通過具有不同特性的前置放大器32和34來實現(xiàn)。
在相移提高曲線C側(cè)邊的最低點的同時，增益不匹配通過平整側(cè)峰來對這個結(jié)果進行補充。如圖4-8所示，通過采用增益和相移不匹配，可以明顯減少來自相鄰管路的干擾。通過采用每一個阻抗約為6.65千歐的電阻器41和43相對增益強度可以在1到4分貝之間變化，最好是大約2.4分貝。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知道相移的度數(shù)和增益不匹配的量的組合的最佳選擇取決于若干個工作因素，最重要的是傳感器之間的距離和電纜的近似深度。前面所述的最佳數(shù)值反映了關(guān)于工作參數(shù)的一定假設(shè)以及經(jīng)驗分析。
在圖4-8的每一幅圖中，響應(yīng)特性曲線A代表了已有技術(shù)雙峰值方法的理論響應(yīng)特性，而曲線C代表了本發(fā)明方法的理論響應(yīng)特性。曲線C是移相12度并衰減2.4分貝得到的。圖4表示的是這種情況下的響應(yīng)特性，即主電纜位于2英尺的深度，第二電纜位于3英尺的深度，向右離開主電纜9英尺并傳輸主電纜的 電流(負電流值表示在第二電纜中流動的電流的方向與主電纜的電流方向相反，即返回電流)。在圖5中，主電纜位于3英尺的深度，第二電纜也位于3英尺的深度，向右離開主電纜6英尺并傳輸主電纜 的電流。圖6表示的是這種情況下的響應(yīng)特性，即主電纜位于3英尺的深度，第二電纜位于2英尺的深度，向右離開主電纜6英尺并傳輸主電纜 的電流。在圖7中，主電纜位于3英尺的深度，第二電纜位于1.5英尺的深度，向右離開主電纜4英尺并傳輸主電纜 的電流。最后，圖8表示的是這種情況下的響應(yīng)特性，即主電纜位于3英尺的深度，第二電纜位于3英尺的深度，向右離開主電纜8英尺并傳輸主電纜 的電流。
在絕大多數(shù)情況下實驗數(shù)據(jù)與理論結(jié)果相匹配，消除響應(yīng)特性曲線上的最低點和側(cè)峰。如從圖4-8可以看到的，當消除了側(cè)邊最低點和側(cè)峰的時候，在響應(yīng)特性曲線上峰的數(shù)目和這些峰各自的位置更準確地與傳輸發(fā)射信號的埋藏管路的實際位置相對應(yīng)，這樣，在絕大多數(shù)情況下消除了混亂。在特別密集的區(qū)域，其中多條相鄰電纜傳輸相同的測試信號，這里說明的相移雙峰值方法的響應(yīng)特性曲線可能會有一些側(cè)峰；但是，這些側(cè)峰的有效幅度和數(shù)量幾乎總是低于已有的雙峰裝置的情況。
定位器10的使用很簡單。但是在定位器10使用之前，發(fā)射器30必須在一些已知、容易找到的地方與管路相耦合。如果管路已經(jīng)傳輸了交流電流，則不需要這個步驟，例如，如果是已知頻率(60赫茲)的電源，假定定位器能夠在這個頻率上工作。定位器使用者可以在發(fā)射器所在位置或發(fā)射器附近開始定位并追尋電纜。通過一個把手拿著定位器，把手使定位器的取向自然處于合適的位置。按下電源開/關(guān)按鈕，接下來可以檢查電池臨界值(任選電路通過可視圖象或聲音警報指示任何低電池條件)。使用者可以根據(jù)自己的愿望選擇鍵盤20上的另外的按鈕，以便不使用指示器18的揚聲器部分而只依靠可視顯示器進行指示。如果定位器能夠進行復頻檢測，通過鍵盤20選擇合適的頻率?？梢允褂昧硪粋€按鈕復位自動增益控制(在定位過程中這個按鈕可以重復使用，以壓伸器更高的靈敏度來保持信號響應(yīng))。
使用者可以通過在非?？拷l(fā)射器的管路路線上前后擺動(平移)跨越管路來對定位器進行檢驗。在定位器10如此移動時，來自信號處理器16的輸出信號發(fā)生變化，當定位器最靠近(直接位于其上方)管路時，輸出信號變得最強。在使用者離開發(fā)射器走動的時候，定位器要繼續(xù)擺動，走動要沿著最大信號強度所指示的路線。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照特定實施例進行了說明，但是這種說明并不解釋成是限定性的。參照本發(fā)明的說明，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，所述實施例的各種變化以及本發(fā)明的變換實施例是很明顯的。例如，可以知道由上述模擬電路實現(xiàn)的相移和增益不匹配也可以由數(shù)字電路來實現(xiàn)，例如可編程微處理器，模-數(shù)轉(zhuǎn)換器等。雖然這些變換設(shè)計在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，但是這些變換設(shè)計因成本比所說明的實施例要高而被認為不是更好的。因此，可以預計在不離開由所附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下可以實現(xiàn)這些變化。
權(quán)利要求
1.一種檢測由傳輸交流電流的隱藏管路發(fā)射的測試信號的裝置，包括第一裝置，用于檢測測試信號并根據(jù)所測測試信號產(chǎn)生第一電信號；第二裝置，用于檢測測試信號并根據(jù)測試信號產(chǎn)生第二電信號，所述的第二檢測裝置在空間上與所述的第一檢測裝置分開，所述的第一和第二檢測裝置的每一個基本上是平行的；用于把所述的第一電信號相對所述的第二電信號進行相移，生成一個相移信號的裝置；用于把所述的相移信號與所述的第二電信號進行減法比較，產(chǎn)生一個電輸出信號的裝置；和用于提供所述的輸出信號幅值的指示的裝置。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的第一和第二檢測裝置各由具有一個軸的第一和第二感應(yīng)線圈構(gòu)成，還包括一個殼體，所述的第一和第二感應(yīng)線圈裝在所述的殼體里，而且所述的軸基本平行。
3.權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的比較裝置有一個輸入端與所述的第一檢測裝置電連接；和所述的相移裝置包括一個RC電路，所述的RC電路與所述的比較裝置的所述的輸入端電連接。
4.權(quán)利要求1所述的裝置，還包括用于相對于所述的第二信號幅度增加所述的第一信號幅度的裝置。
5.權(quán)利要求1所述的裝置，還包括用于相對于所述第二信號幅度減小所述第一信號的幅度的裝置。
6.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的第一和第二電信號，所述的相移信號和所述的輸出信號都是模擬信號。
7.權(quán)利要求1所述的適合于檢測至少兩個頻率的測試信號的裝置，其中所述的相移裝置對于所述的兩個頻率提供的相移量是不同的。
8.權(quán)利要求1所述的裝置還包括對所述的第二檢測裝置到隱藏的管路的距離進行估算的裝置。
9.權(quán)利要求1所述的裝置還包括對在隱藏管路中傳輸?shù)碾娏鞯牧窟M行估算的裝置。
10.權(quán)利要求1所述的適合檢測至少兩個頻率的測試信號的裝置，還包括邏輯裝置，用于選擇所述的兩個頻率中的一個；和鍵盤裝置，用于手動控制所述的邏輯裝置。
11.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的相移在5到25度的范圍之內(nèi)。
12.權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述的增益增加在1到4分貝范圍之內(nèi)。
13.權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述的比較裝置有一個輸入端與所述的第一檢測裝置電連接；和所述的相移裝置包括至少兩個RC電路，所述的兩個RC電路與所述的比較裝置的所述輸入端電連接，所述RC電路的每一個都包括有開關(guān)裝置，所述的開關(guān)裝置將所述的RC電路有選擇地與地相連，所述的開關(guān)裝置響應(yīng)于所述的邏輯裝置。
14.權(quán)利要求13所述的裝置，還包括用于改變所述的第一與第二電信號相對增益的裝置。
15.一種檢測傳輸交流電流的隱藏管路發(fā)射的測試信號的裝置，所述的裝置包括用于檢測測試信號和根據(jù)該測試信號產(chǎn)生第一電信號的第一裝置，用于檢測測試信號并根據(jù)該測試信號產(chǎn)生第二電信號的第二裝置，所述的第二檢測裝置在空間上偏離所述的第一檢測裝置，用于將所述的第一和第二信號進行相減比較而產(chǎn)生一個電輸出信號的裝置，和提供所述輸出信號幅度指示的裝置，其中改進在于包括使所述的第一電信號相對所述的第二電信號移相的裝置。
16.權(quán)利要求15所述的裝置，其中的改進在于還包括用于改變所述的第一與第二電信號相對增益的裝置。
17.權(quán)利要求15所述的適合于檢測至少兩個頻率的測試信號的裝置，其中所述的相移裝置對于所述的兩個頻率提供不同的相移量。
18.一種對埋藏或以其它方式隱藏的能夠傳輸交流電流的管線進行定位的系統(tǒng)，包括用于沿所述管線以已知頻率發(fā)送交流電流的發(fā)射裝置，和用于檢測電磁信號的接收裝置，所述的接收裝置包括一個殼體；一個具有一個軸的第一感應(yīng)線圈，其安裝在所述的殼體上；一個具有一個軸的第二感應(yīng)線圈，其安裝在所述的殼體上，所述第一和第二線圈的所述的軸基本平行；第一前置放大器，其與所述的第一感應(yīng)線圈相連，第一前置放大器的輸出端串聯(lián)一個電阻器，以改變由所述的第一和第二線圈接收的信號的相對增益；第二前置放大器，其具有一個輸出端并與所述的第二感應(yīng)線圈相連；一個可變增益放大器，其第一輸入端與所述的串聯(lián)電阻相連，其第二輸入端與所述的第二前置放大器的所述輸出端相連，所述的可變增益放大器還具有一個輸出端；多個RC電路，每一個RC電路都與所述的可變增益放大器的所述第一輸入端相連，而且每一個RC電路都是可開關(guān)地與地相連，所述的RC電路分別在不同的頻率上對信號的移相進行調(diào)諧?？删幊處V波器裝置，用于在所述的不同頻率上有選擇地通過信號，所述的帶通濾波器有一個輸入端和一個輸出端，所述的輸入端與所述的可變增益放大器的所述輸出端相連；邏輯裝置，用于選擇所述的不同頻率中的一個頻率；鍵盤裝置，用于手動控制所述的邏輯裝置；和用于提供在所述帶通濾波器的所述輸出端輸出的信號的幅度指示的裝置。
19.一種確定能夠傳輸交流電流的隱藏管線的位置的方法，包括沿所述管線以已知頻率提供交流電流的步驟，和通過如下步驟檢測沿管線路線發(fā)射的電磁信號的相對強度，這些步驟是分別從檢測發(fā)射的電磁信號的第一和第二裝置獲得第一和第二電信號；使所述的第一信號相對所述的第二信號移相；對所述的第一相移信號與所述的第二信號進行相減比較以產(chǎn)生一個輸出信號；和檢查輸出信號的強度。
20.權(quán)利要求19所述的方法，還包括在進行所述的比較步驟之前，相對于所述的第二信號的增益減小所述的第一信號的增益的步驟。
全文摘要
一種確定象隱埋的電纜這樣的隱藏管線(28)的裝置，采用了一種新穎的信號處理技術(shù)以提高該裝置特別是在管線密集區(qū)域的靈敏度。這種電纜定位裝置(10)與已有技術(shù)的雙峰值檢測裝置相類似，對來自兩個平行的感應(yīng)線圈(12，14)的信號進行比較，但是在進行比較之前要對信號中的一個進行移相。這種相移的作用使在已有技術(shù)的雙峰值裝置的響應(yīng)特性曲線上的所述最低點的影響最小。
文檔編號G01V3/10GK1117316SQ94191050
公開日1996年2月21日 申請日期1994年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月29日
發(fā)明者Z·H·多安尼 申請人:明尼蘇達礦產(chǎn)制造公司