一种基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置

摘要

本发明公开了一种基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置，将远场发射线圈和近场发射线圈同时分别以20Hz和8KHz激发，并通过管道壁传输，两种信号在管道上叠加后先后被平均场线圈、阵列传感器接收；平均场线圈对叠加信号进行放大滤波，然后判断是否有缺陷，若有，则使用管道近场周向阵列传感器检测叠加信号发生突变时的突变信号，突变信号再依次进行放大、滤波、采样和修正，最后通过数据处理电路检测管道内外壁缺陷位置。

说明书

技术领域

本发明属于电磁涡流测井技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置。

背景技术

电磁涡流阵列检测技术具有检测速度较快、覆盖范围广和测试精度较高等优点。近年来，随着传感器技术的发展，电磁涡流阵列传感器检测技术的研究和应用得到极大的发展，广泛应用于航空航天部件和油气管道的无损检测中。

管道远场涡流检测研究中，接收线圈与发射线圈同轴设置于管内中心轴位置。线圈同轴设置的检测模式对于全周向缺陷可以实现良好检测，而对于半周向缺陷、1/4周向缺陷或更小局部缺陷不能准确实现其具体位置和深度的检测，因为同轴检测模式下检测信号反映的是管壁一周的平均壁厚情况。若将接收线圈贴近管壁设置可以提高局部缺陷的定位和定量检测精度，但是这势必需要更多的检测次数以完成管道周向壁厚的整体检测，降低了管道的检测速度。

在管道涡流检测的远场区域设置阵列检测传感器，可以提高检测速度、精度和实现缺陷在管壁周向和轴向位置的检测；由于远场信号具有两次穿透管壁的传输特性，对管道内壁和外壁缺陷具有相同的检测灵敏度，远场阵列传感器的检测信号不能实现内外壁缺陷的分辨。针对这个问题，利用高频信号仅在管壁近表面传输的趋肤特性，通过在远场阵列检测传感器正下方的骨架上增设一个高频信号发射线圈来实现缺陷在管道内外壁位置的分辨。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置，利用电磁涡流信号仅在管壁近表面传输的趋肤特性，实现内外管壁缺陷的分辩。

为实现上述发明目的，本发明一种基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置，其特征在于，包括：

一管道近场周向阵列传感器，位于远场区域且呈周向式等间距分布，通过机械支架控制向外撑出紧贴被测管壁，且与平均场线圈、近场发射线圈与远场发射线圈同轴，位于骨架轴心上；管道近场周向阵列传感器用于同时接收近场发射线圈和远场发射线圈发送的电磁涡流信号，并实时监测出电磁涡流信号发生突变时的突变信号；

一平均场线圈，用于同时接收近场发射线圈和远场发射线圈发送的电磁涡流信号，用于检测管道周向是否存在缺陷，若存在缺陷，则使用管道近场周向阵列传感器继续接收电磁涡流信号进行内外壁检测

一近场发射线圈，用于产生高频电磁涡流信号，并通过被测管道的管壁进行传输，用于管道内外壁缺陷检测；

一远场发射线圈，用于产生低频电磁涡流信号，并通过被测管道的管壁进行传输，辅助用于管道内外壁缺陷检测；

一放大电路，用于接收管道近场周向阵列传感器监测出的突变信号，并进行放大；

一滤波电路，对放大后的突变信号进行滤波，区分出高频电磁涡流信号和低频电磁涡流信号；

一数据采集电路，分别对高频电磁涡流信号和低频电磁涡流信号进行采样；

一数据修正电路，用于对采样数据进行修正，并通知数据处理电路进行数据处理；

一数据处理电路，读取修正后的采样数据，并进行再次滤波，然后对滤波后的数据求取相位再将此相位再分别与高频电磁涡流信号和低频电磁涡流信号的相位求差，若低频电磁涡流信号的相位发生变化，而高频电磁涡流信号的相位无变化，即低频积分参数CorP_L为1，高频积分参数CorP_H为0，则该缺陷为外壁缺陷；若低频电磁涡流信号的相位发生变化，而高频电磁涡流信号的相位也发生变化时，即高频积分参数CorP_H为1，则该缺陷为内壁缺陷；远场发射线圈和近场发射线圈同时分别以低频和高频激发，并通过管道壁传输，两种信号在管道上叠加后先后被平均场线圈、阵列传感器接收；平均场线圈对叠加信号进行放大滤波，然后判断是否有缺陷，若有，则使用管道近场周向阵列传感器检测叠加信号发生突变时的突变信号，突变信号再依次进行放大、滤波、采样和修正，最后通过数据处理电路检测管道内外壁缺陷位置。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置，将远场发射线圈和近场发射线圈同时分别以20Hz和8KHz激发，并通过管道壁传输，两种信号在管道上叠加后先后被平均场线圈、阵列传感器接收；平均场线圈对叠加信号进行放大滤波，然后判断是否有缺陷，若有，则使用管道近场周向阵列传感器检测叠加信号发生突变时的突变信号，突变信号再依次进行放大、滤波、采样和修正，最后通过数据处理电路检测管道内外壁缺陷位置。

附图说明

图1是本发明基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置原理图；

图2是管道近场周向阵列传感器检测模型图；

图3是拼接管道中涡流周向检测的2D轴对称模型图；

图4是信号处理框图；

图5是远、近场涡周向流检测信号比较图；

图6是拼接管道中近场阵列检测模型图；

图7是近场涡流检测仿真信号的微分处理结果图。

图8是缺陷位置判别结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种一种基于电磁涡流检测管道内外壁缺陷位置的装置，包括：管道近场周向阵列传感器、平均场线圈、近场发射线圈、远场发射线圈、放大电路、滤波电路、数据采集电路、数据修正电路和数据处理电路。

管道近场周向阵列传感器，位于远场区域且呈周向式等间距分布，通过机械支架控制向外撑出紧贴被测管壁，且与平均场线圈、近场发射线圈与远场发射线圈同轴，位于骨架轴心上，如图2所示；管道近场周向阵列传感器用于同时接收近场发射线圈和远场发射线圈发送的电磁涡流信号，并实时监测出电磁涡流信号发生突变时的突变信号；

在本实施例中，管道近场周向阵列传感器设置了12个位于远场区域且呈周向式分布的传感器。12个传感器在周向上等间距分布，每个传感器的检测范围为1英寸(25.4毫米)。12个传感器仅在内直径97毫米的管道上检测适中，在其它内径的管道上检测覆盖范围不足或重叠。本实施例所采用的管道近场周向阵列传感器主要用于检测内直径范围为55毫米～220毫米的管道。当测试内直径小于97毫米的管道时，各传感器的检测范围发生重叠，此时可以等间隔抽取传感器(如抽取编号为1、3、5…的传感器)的检测信号进行处理或者采用数据一致性融合技术对阵列检测信号进行处理；当测试内直径大于97毫米的管道时，可旋转阵列传感器进行多次测试(如第一次测试时1号传感器在周向的方位角为0度，则第二次测量时可将1号传感器按顺时针或逆时针旋转15度)；其中，每个传感器由绞线绕制而成，参数如表1。

表1

平均场线圈，用于同时接收近场发射线圈和远场发射线圈发送的电磁涡流信号，用于检测管道周向是否存在缺陷，若存在缺陷，则使用管道近场周向阵列传感器继续接收电磁涡流信号进行内外壁检测；

近场发射线圈，用于产生高频电磁涡流信号，并通过被测管道的管壁进行传输，用于管道内外壁缺陷检测；

在本实施例中，近场发射线圈由绞线绕制而成，其目的是为了补充实现通过管道近场周向阵列传感器对管道缺陷内外壁位置的分辨，近场发射线圈与远场发射线圈同轴，且相距832mm。

远场发射线圈，用于产生低频电磁涡流信号，并通过被测管道的管壁进行传输，辅助用于管道内外壁缺陷检测；

在本实施例中，如图3所示，为了获取低频电磁涡流信号和高频电磁涡流信号的特征进行比较和分析，设置管道1长2000mm，内径157.1mm，外径177.8mm；管道2长2000mm，内径161.1mm，外径177.8mm；接箍长184.2mm，内径177.8mm，外径194.5mm。且在管道1上设置了内壁缺陷，缺陷的长度为50毫米，缺陷的深度为4毫米；在管道2上设置了外壁缺陷，缺陷的长度为50毫米，缺陷的深度为4毫米。其中近场发射线圈的参数由表2给出，远场发射线圈的参数由表3给出；并分别以表4中的信号对远、近场线圈同时进行激发。

表2

表3

表4

在本实施例中，由于检测到的信号的大小并不满足后续的滤波和模数转换，所以需要通过空心骨架中部署的电路做信号调理，而整个信号的处理过程如图4，下面我们对空心骨架中部署的各电路进行说明。

放大电路，用于接收管道近场周向阵列传感器监测出的突变信号进行一定衰减，其中，信号放大的倍数G由如下公式给出；

G＝1+49.4KΩ/R_G

其中，R_G为分压电阻值；在本实施例中，放大电路使用INA129低功耗仪用放大器，通过设置合适的放大倍数就可以将信号调理至合适的区间，方便后续的滤波与ADC采样。

滤波电路，由于远场发射线圈和近场发射线圈是同时激发，所以12个传感器上的信号是远场与近场激发信号经过管道后的叠加，为了将二者区分开，本实施例使用8通道ADG1414模拟开关构成滤波器。将信号经由8通道输入引脚输入，并导通模拟开关，在对应的8通道输出引脚外设置频率为100Hz的低通滤波器和8Khz的带通滤波器，100Hz的低通滤波器可以得到20Hz的低频电磁涡流信号，8KHz的带通滤波器可以得到8KHz的高频电磁涡流信号，这样就可以实现多路同时滤波，从而区分出高频电磁涡流信号和低频电磁涡流信号。

数据采集电路，分别对高频电磁涡流信号和低频电磁涡流信号进行采样；

在本实施例中，经过滤波后的信号使用8通道、24位同步采样芯片AD7771进行采样。本设计中，AD7771最高采样速率可达32K。AD7771由FPGA控制进行采样，且使用两片采集16路模拟信号。

数据修正电路，用于对采样数据进行修正，并通知数据处理电路进行数据处理；

在本实施例中，AD7771在此处最高采样频率为32KHz，每个模拟信号将转化为24位的数字信号，FPGA在此处将24位数字信号保留高16位，舍弃跳变的低8位，并且通过SPI的方式对AD7771进行控制，当数据采集到一定数量时，FPGA触发DSP中断使其读取数据；

数据处理电路，从FPGA中读取读取修正后的采样数据，并进行再次滤波，然后对滤波后的数据求取相位再将此相位再分别与高频电磁涡流信号和低频电磁涡流信号的相位求差，若低频电磁涡流信号的相位发生变化，而高频电磁涡流信号的相位无变化，即低频积分参数CorP_L为1，高频积分参数CorP_H为0，则该缺陷为外壁缺陷；若低频电磁涡流信号的相位发生变化，而高频电磁涡流信号的相位也发生变化时，即高频积分参数CorP_H为1，则该缺陷为内壁缺陷；

远场发射线圈和近场发射线圈同时分别以低频和高频激发，并通过管道壁传输，两种信号在管道上叠加后先后被平均场线圈、阵列传感器接收；平均场线圈对叠加信号进行放大滤波，然后判断是否有缺陷，若有，则使用管道近场周向阵列传感器检测叠加信号发生突变时的突变信号，突变信号再依次进行放大、滤波、采样和修正，最后通过数据处理电路检测管道内外壁缺陷位置。

在本实施例中，原始激发信号以16位数字信号的形式传入了DSP，但由于信号每个周期只能采集4个点，无法用互相关算法完成相位差的计算，所以在DSP中采用了免混频处理方法。设被AD7771采集后每通道的采样点为S1、S2、S3、S4…，对采样点进行I、Q分组，并对分组后的两组数据进行滤波处理，最后计算出相位差，分组方式表5给出。

序号123456789101112采样点s1s2s3s4s5s6s7s8s9s10s11s12I组数据s10-s30s50-s70s90-s110Q组数据0-s20s40-s60s80-s100s12

表5

I组和Q组数据按照表5方式进行分组，在工程中每组数据分辨包含40个点，即采集了10个周期的鉴别场信号。分组后的数据进行滤波处理，滤波系数由MATLAB给出。得到滤波后的信号I’，Q’两组数据，在计算过程中分别对I’和Q’数据中的元素取算数平均值，最后利用式(2)得到传感器通道和参考通道的相位值信息，做差即可得到传感器通道与参考通道的相位差信息。

实验数据经过以上处理得到结果如图5所示。远场涡流检测信号的相位对缺陷1(移动次数5～15之间)、接箍(移动次数20～40之间)和缺陷2(移动次数45～55之间)均有良好的特征反映，验证了远场涡流检测信号对管道内外壁缺陷具有相同检测灵敏度的特性。近场涡流检测信号的相位对内壁缺陷(缺陷1，移动次数5～15之间)具有良好的特征反映，而对外壁缺陷(缺陷2，移动次数45～55之间)无特征反映。当管道内径产生变化(在移动次数30左右)时，近场涡流检测信号的相位亦会出现特征变化。这说明近场涡流检测信号的相位仅对管道内壁缺陷和管道内径变化具有检测效应，而不能实现管道外壁缺陷的检测。

在本实施例中，为计算简洁方便，利用CorP代表CorP_H和CorP_L，其中CorP_H为使用高频信号相位进行积分得到的积分参数，CorP_L为使用低频信号相位进行积分得到的积分参数。

其中，ΔS为信号变化量，x₀为需要判别的检测点，Δx为传感器检测范围内的检测点数。

由于在实际管道检测中，油气管道通常是由不同的管道拼接而成，各拼接管道在材质和内径上可能不一致。因为近场高频检测信号不仅会受到管道内壁缺陷的影响，也会受到管道内径变化的影响；难以直接分辨高频检测信号的变化量ΔS是由管道内径变化造成还是由内壁缺陷造成，如图6所示。

因为在拼接管道的近场阵列检测中，由管道内径造成的信号变化占据信号总量较多，且相对稳定，可以视为低频信号；由内壁缺陷造成的信号变化量随机、多变，可视为高频信号。因为每个传感器的检测信号相互独立，为了获取近场阵列检测信号中由缺陷造成的变化量ΔS，可将分别每个阵列传感器的检测信号按照下式进行处理。

其中，N为窗口长度，n和m表示检测窗口内不同的位置点；为后向微分算子，为前向微分算子，S(n)、S(n-m)和S(n+m)为同一传感器在不同位置的检测信号，可增强高频信号和抑制低频信号，需要说明的是，传感器检测信号在微分处理之前需进行滤波以提高信号的信噪比，否则噪声信号的增加可能比有用信号还多，对图4中近场涡流检测仿真信号相位进行处理的结果如图7。

在图8中，当管道内壁出现缺陷时，判别结果值等于1。图8清楚地指出管道内壁缺陷位置和管道内径变化位置，这说明通过近场涡流检测阵列实现管壁缺陷内外壁位置的分辨是可行的，同时也验证了关于近场涡流阵列检测信号处理方法研究的正确性。另外，由图8可知，判别出的内壁缺陷长度随着数据处理窗口的增大而增大，数据处理窗口长度的设定与仪器的检测速度以及传感器的检测精度有关。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。