管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置及管道缺陷檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置及管道缺陷檢測方法，裝置包括中央控制模塊、終端處理器和16個渦流傳感器模塊；方法包括16個渦流傳感器的激勵線圈實時對海底石油管道進行激勵并獲得16個響應信號；將響應信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；終端處理器對電壓信號轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號；16個終端處理器定期將數(shù)字信號發(fā)送至中央控制模塊并存儲；將信號激發(fā)與采集裝置從海底石油管道取出，并與上位機連接；上位機讀取信號激發(fā)與采集裝置的中央控制模塊存儲的數(shù)字信號，根據(jù)讀取的數(shù)字信號進行海底石油管道泄漏檢測。本發(fā)明設計同軸三線圈法設計渦流傳感器，增加一個激勵線圈，在同等條件下比常規(guī)渦流傳感器測量距離遠，能更充分滿足管道內(nèi)部測量要求。
【專利說明】管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置及管道缺陷檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石油管道泄漏檢測領(lǐng)域，具體是一種管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝 置及管道缺陷檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 長距離石油管道，尤其是石油管道，容易出現(xiàn)長時間泄露的情況，對人民經(jīng)濟財產(chǎn) 造成損失，并可能引起火災、爆炸毒害等危險狀況，并造成環(huán)境污染。因此管道的無損檢測 技術(shù)是各個大型用油國家及公司競相研究的技術(shù)。隨著工業(yè)精確度要求的提升，管道內(nèi)檢 測技術(shù)成為了近年來發(fā)展的熱點。內(nèi)檢測技術(shù)有著應用范圍較廣等特點，但是也存在著以 下缺點：
[0003] (1)渦流傳感器測量范圍有限，因此在管道比較復雜的情況下，不能有效的獲得管 道數(shù)據(jù)，影響管道檢測裝置在關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲取能力。
[0004] (2)精度較低，可擴展性不強。一般采用耗能較低的單片機作為中央處理單元，傳 感器采用渦流傳感器或者霍爾傳感器，A/D采用采樣頻率較低但數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較高的芯 片。這樣，受晶振頻率和A/D轉(zhuǎn)換頻率的影響，不能夠滿足高速實時采集數(shù)據(jù)的要求，從而 限制了對于缺陷辨識的精確程度。
[0005] (3)在長距離管道中，管道內(nèi)檢測機器人普遍不能解決能源耗費的問題。如何利用 管道檢測機器人所帶電池中的電量完成幾十甚至上百公里的管道無損檢測，是設計時要考 慮的主要問題之一。
[0006] (4)采集裝置采集的數(shù)據(jù)如何能夠準確的反應管道的缺陷的尺寸、類型以及是否 為多類型缺陷檢測，是后續(xù)工作中遇到的重大問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置及 管道缺陷檢測方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0009] -種管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置，包括中央控制模塊、終端處理器和16個 渦流傳感器模塊；
[0010] 所述渦流傳感器模塊包括渦流傳感器和信號調(diào)理電路，渦流傳感器采用同軸三線 圈式，渦流傳感器的探頭包括3個同軸線圈，S卩外層激勵線圈、渦流檢測線圈和內(nèi)層激勵線 圈；渦流傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接終端處 理器的輸入端，終端處理器的脈沖輸出端連接渦流傳感器，終端處理器的信號輸入端通過 串行總線連接中央控制模塊的輸出端。
[0011] 所述的外層激勵線圈的直徑、渦流檢測線圈的直徑和內(nèi)層激勵線圈的直徑依次減 小。
[0012] 所述的外層激勵線圈和內(nèi)層激勵線圈都接通交變電壓且外層激勵線圈的電流頻 率和內(nèi)層激勵線圈的電流頻率相同。
[0013] 所述16個渦流傳感器模塊按環(huán)形陣列布置。
[0014] 利用所述的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置進行管道缺陷檢測的方法，包括如 下步驟：
[0015] 步驟1 :將信號激發(fā)與采集裝置置于石油管道中；
[0016] 步驟2:16個渦流傳感器的激勵線圈實時對石油管道進行激勵，并通過各渦流檢 測線圈獲得16個響應信號；
[0017] 步驟3 :渦流檢測線圈獲得的響應信號傳輸至信號調(diào)理電路，將響應信號轉(zhuǎn)換成 電壓信號；
[0018] 步驟4 :終端處理器對轉(zhuǎn)換得到的電壓信號進行AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號；
[0019] 步驟5 :中央控制模塊同時控制16個終端處理器接收和發(fā)送數(shù)字信號，16個終端 處理器定期將接收到的數(shù)字信號發(fā)送至中央控制模塊并存儲；
[0020] 步驟6 :將信號激發(fā)與采集裝置從石油管道取出，并將信號激發(fā)與采集裝置與上 位機連接；
[0021] 步驟7 :上位機讀取信號激發(fā)與采集裝置的中央控制模塊存儲的數(shù)字信號，根據(jù) 讀取的數(shù)字信號進行石油管道缺陷類型檢測；
[0022] 步驟7. 1 :上位機讀取信號激發(fā)與采集裝置的中央控制模塊存儲的數(shù)字信號，將 各數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成矩陣形式；
[0023] 步驟7. 2 :利用SPWVD算法判斷當前石油管道是否存在缺陷：對矩陣形式的數(shù)字信 號采用SPWVD算法進行時域分析，若得到的三維譜圖存在頻譜分散情況即三維譜圖中非峰 值部分的頻譜比例變大，同時三維譜圖的峰值變化不低于原峰值的1. 5倍，則當前石油管 道存在缺陷，執(zhí)行步驟7. 3,否則返回步驟7. 1 ;
[0024] 步驟7. 3 :利用SPWVD算法判斷缺陷類型：若存在缺陷的測量點的各個頻率的數(shù)字 信號的衰減值呈線性衰減，則當前缺陷的類型是裂紋缺陷；若將存在缺陷的測量點的渦流 傳感器的提離值與非缺陷測量點的渦流傳感器的提離值比較，提離值變大，則當前缺陷的 類型是外部缺陷；若存在缺陷的測量點的數(shù)字信號幅值變大，并且利用SPWVD算法對數(shù)字 信號進行時頻分析得到的SPWVD值的低頻分量沿時間軸向外擴展的幅度變大時，則判斷出 此時為內(nèi)部缺陷；若存在缺陷的測量點的數(shù)字信號幅值隨時間變大，利用SPWVD算法對數(shù) 字信號進行時頻分析得到的SPWVD值沿著時間軸向外擴展的幅度變大時，但SPWVD值的低 頻分量的衰減速率變慢且沿時間軸向外擴展的幅度變大，SPWVD值的低頻區(qū)域產(chǎn)生高幅波 形，則判斷出此時為腐蝕缺陷；若存在缺陷的測量點不滿足裂紋缺陷、外部缺陷、內(nèi)部缺陷 或腐蝕缺陷的判斷條件，則當前缺陷的類型是混合缺陷。
[0025] 有益效果：
[0026] 本發(fā)明設計一種高精度的，省電的，高穩(wěn)定性的內(nèi)檢測裝置，并對采集數(shù)據(jù)進行處 理，以確定缺陷的位置，類型，并減少對缺陷的誤判斷。本發(fā)明利用多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計 了存在多個渦流傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集裝置，在系統(tǒng)內(nèi)部利用串行總線I 2C進行通信。這 種裝置尤其適用于管道的檢測情況。
[0027] 同軸三線圈法設計渦流傳感器，增加了一個激勵線圈，在同等條件下比常規(guī)渦流 傳感器測量距離遠，能更充分滿足管道內(nèi)部測量要求。并且每一個渦流傳感器配有一個終 端處理器，能夠保證各個渦流傳感器模塊數(shù)據(jù)同步，同一模塊激勵信號和檢測信號更有可 比性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置的安裝示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】的渦流傳感器的探頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1-外層激勵 線圈，2-渦流檢測線圈，3-內(nèi)層激勵線圈；
[0031] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】的渦流傳感器環(huán)形陣列示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】的管道缺陷檢測方法流程圖；
[0033] 圖6為本發(fā)明【具體實施方式】的信號調(diào)理電路原理圖；
[0034] 圖7為本發(fā)明【具體實施方式】的當前石油管道有無腐蝕缺陷的三維時頻圖，（a)為 當前石油管道無腐蝕缺陷的三維時頻圖，（b)為當前石油管道存在腐蝕缺陷的三維時頻 圖；
[0035] 圖8為本發(fā)明【具體實施方式】的當前石油管道有無裂紋缺陷的三維時頻圖，（a)為 當前石油管道無裂紋缺陷的三維時頻圖，（b)為當前石油管道存在裂紋缺陷的三維時頻 圖；
[0036] 圖9為本發(fā)明【具體實施方式】的當前石油管道有無混合缺陷的三維時頻圖，（a)為 當前石油管道無混合缺陷的三維時頻圖，（b)為當前石油管道存在混合缺陷的三維時頻圖。

【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0038] 如圖1所示，管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置，用于石油管道內(nèi)檢測器中，管道 內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置對石油管道進行激勵，并通過各渦流檢測線圈獲得響應信 號。
[0039] 如圖2所示，管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置包括中央控制模塊、終端處理器 和16個渦流傳感器模塊，16個渦流傳感器模塊之間用導線連接，以擴充系統(tǒng)的通用性；采 用串行總線I 2C進行通信，以減少連線的復雜度。
[0040] 渦流傳感器模塊包括渦流傳感器和信號調(diào)理電路。
[0041] 渦流傳感器采用同軸三線圈式，如圖3所示，渦流傳感器的探頭包括3個同軸線 圈，即外層激勵線圈1、渦流檢測線圈2和內(nèi)層激勵線圈3,3個同軸線圈可以達到節(jié)省空間、 增加測量距離的目的；外層激勵線圈的直徑、渦流檢測線圈的直徑和內(nèi)層激勵線圈的直徑 依次減小。外層激勵線圈和內(nèi)層激勵線圈都接通交變電壓且外層激勵線圈的電流頻率和內(nèi) 層激勵線圈的電流頻率相同，但幅值和匝數(shù)可以不一樣。采用脈沖驅(qū)動的方式對渦流傳感 器進行驅(qū)動。
[0042] 如圖4所示，渦流傳感器緊貼管壁工作，采集磁場變化并輸出模擬信號。16個渦流 傳感器模塊按環(huán)形陣列布置。
[0043] 渦流傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接終 端處理器的輸入端，終端處理器的脈沖輸出端連接渦流傳感器，終端處理器的信號輸入端 通過串行總線連接中央控制模塊的輸出端。
[0044] 渦流傳感器的輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字信號之 前必須進行調(diào)理，調(diào)理就是放大，緩沖或定標模擬信號等，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC) 的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到終端處理器，以便用于系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)處理。本實施方式的信號調(diào)理電路如圖6所示。
[0045] 終端處理器的型號為MSP430F2013,終端處理器可以利用片內(nèi)16位AD對渦流傳感 器取得的模擬信號進行轉(zhuǎn)換或者外加 AD轉(zhuǎn)換電路。通過一個控制芯片MSP430F2013片內(nèi)高 精度16位AD進行轉(zhuǎn)換，能夠保證精度。而MSP430F2013芯片擁有足夠的片內(nèi)RAM，能夠?qū)⑥D(zhuǎn) 換的數(shù)據(jù)暫時存到片內(nèi)，起到了緩存的作用，提升了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。MSP430F2013 芯片有0.5uA的節(jié)能狀態(tài)，能夠在不進行工作的情況下處于幾乎不費電的狀態(tài)，節(jié)約了能 源的消耗。
[0046] 中央控制模塊采用型號為MSP430F2370的微控制器，通過I2C總線控制渦流傳感 器模塊。
[0047] 利用上述的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置進行管道缺陷檢測的方法，如圖5 所示，包括如下步驟：
[0048] 步驟1 :將信號激發(fā)與采集裝置置于石油管道中；
[0049] 步驟2:16個渦流傳感器的激勵線圈實時對石油管道進行激勵，并通過各渦流檢 測線圈獲得16個響應信號；
[0050] 步驟3 :潤流檢測線圈獲得的響應信號傳輸至信號調(diào)理電路，將響應信號轉(zhuǎn)換成 電壓信號；
[0051] 步驟4 :終端處理器對轉(zhuǎn)換得到的電壓信號進行AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號；
[0052] 步驟5 :中央控制模塊同時控制16個終端處理器接收和發(fā)送數(shù)字信號，16個終端 處理器定期將接收到的數(shù)字信號發(fā)送至中央控制模塊并存儲；
[0053] 步驟6 :將信號激發(fā)與采集裝置從石油管道取出，并將信號激發(fā)與采集裝置與上 位機連接；
[0054] 步驟7 :上位機讀取信號激發(fā)與采集裝置的中央控制模塊存儲的數(shù)字信號，根據(jù) 讀取的數(shù)字信號進行石油管道泄漏檢測；
[0055] 步驟7. 1 :上位機讀取信號激發(fā)與采集裝置的中央控制模塊存儲的數(shù)字信號，將 各數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成矩陣形式；
[0056] 步驟7. 2 :利用SPWVD算法判斷當前石油管道是否存在缺陷：對矩陣形式的數(shù)字信 號采用SPWVD算法進行時域分析，若得到的三維譜圖存在頻譜分散情況即三維譜圖中非峰 值部分的頻譜比例變大，同時三維譜圖的峰值變化不低于原峰值的1. 5倍，則當前石油管 道存在缺陷，執(zhí)行步驟7. 3,否則返回步驟7. 1 ;
[0057] SPWVD算法為平滑的偽Wigner-Ville分布（SPWVD)算法；
[0058] 步驟7. 3 :利用SPWVD算法判斷缺陷類型：若存在缺陷的測量點的各個頻率的數(shù)字 信號的衰減值呈線性衰減，則當前缺陷的類型是裂紋缺陷；若存在缺陷的測量點的渦流傳 感器的提離值與非缺陷測量點的渦流傳感器的提離值比較，提離值發(fā)生變化，則當前缺陷 的類型是外部缺陷；若存在缺陷的測量點的數(shù)字信號幅值變大，并且利用SPWVD算法對數(shù) 字信號進行時頻分析得到的SPWVD值的低頻分量沿時間軸向外擴展的幅度變大，則當前缺 陷的類型是內(nèi)部缺陷；若存在缺陷的測量點不滿足裂紋缺陷、外部缺陷或內(nèi)部缺陷，則當前 缺陷的類型是混合缺陷。
[0059] 若存在缺陷的測量點的數(shù)字信號幅值隨時間變大，利用SPWVD算法對數(shù)字信號進 行時頻分析得到的SPWVD值沿著時間軸向外擴展的幅度變大，但SPWVD值的低頻分量的衰 減速率變慢且沿時間軸向外擴展的幅度變大，SPWVD值的低頻區(qū)域產(chǎn)生高幅波形，則判斷出 此時為腐蝕缺陷。腐蝕缺陷屬于一種特殊的內(nèi)部缺陷。
[0060] 圖7為【具體實施方式】的當前石油管道有無腐蝕缺陷的三維時頻圖，（a)為當前石 油管道無腐蝕缺陷的三維時頻圖，（b)為當前石油管道存在腐蝕缺陷的三維時頻圖，SPWVD 對于有缺陷情況依然能夠保持比集中的三維時頻圖結(jié)果峰值，SPWVD對于腐蝕缺陷的峰值 變化更明顯，因此，在后續(xù)結(jié)果處理時，可以利用SPWVD確定腐蝕缺陷的類型。
[0061] 圖8為本【具體實施方式】的當前石油管道有無裂紋缺陷的三維時頻圖，（a)為當前 石油管道無裂紋缺陷的三維時頻圖，（b)為當前石油管道存在裂紋缺陷的三維時頻圖，三維 時頻圖結(jié)果較為集中，圖像較為平滑，因此可以看出其穩(wěn)定性較高，裂紋缺陷的頻譜變化 較為均勻，因為裂紋缺陷相對管壁的深度變化較小，而頻率變化與缺陷存在深度有關(guān)；
[0062] 圖9為本【具體實施方式】的當前石油管道有無混合缺陷的三維時頻圖，（a)為當前 石油管道無混合缺陷的三維時頻圖，（b)為當前石油管道存在混合缺陷的三維時頻圖，在出 現(xiàn)混合缺陷時，SPWVD的三維譜圖也出現(xiàn)了頻譜分散的趨勢，即在非峰值部分的頻譜比例變 大。但是，峰值依然出現(xiàn)了較大幅度變化。
[0063] 綜合圖7、8、9可知，在不同類型的缺陷出現(xiàn)時，三維時頻圖的峰值均出現(xiàn)了不同 程度提升。三維時頻圖結(jié)果較為集中，圖像較為平滑，因此可以看出其穩(wěn)定性較高，這是成 為判斷缺陷類型的最主要依據(jù)；三維時頻圖的峰值變大，使得圖像更加直觀；SPWVD值在不 同缺陷下的變化均在峰值附近變化，這就減小了分割處理范圍，即能夠有效地利用后續(xù)處 理對所得圖像進行處理，提高了處理結(jié)果的準確性。
【權(quán)利要求】
1. 一種管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置，其特征在于：包括中央控制模塊、終端處 理器和16個渦流傳感器模塊； 所述渦流傳感器模塊包括渦流傳感器和信號調(diào)理電路，渦流傳感器采用同軸三線圈 式，渦流傳感器的探頭包括3個同軸線圈，S卩外層激勵線圈、渦流檢測線圈和內(nèi)層激勵線 圈；渦流傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端連接終端處 理器的輸入端，終端處理器的脈沖輸出端連接渦流傳感器，終端處理器的信號輸入端通過 串行總線連接中央控制模塊的輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置，其特征在于：所述的外 層激勵線圈的直徑、渦流檢測線圈的直徑和內(nèi)層激勵線圈的直徑依次減小。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置，其特征在于：所述的外 層激勵線圈和內(nèi)層激勵線圈都接通交變電壓且外層激勵線圈的電流頻率和內(nèi)層激勵線圈 的電流頻率相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置，其特征在于：所述16個 渦流傳感器模塊按環(huán)形陣列布置。
5. 利用權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)檢測器信號激發(fā)與采集裝置進行管道缺陷檢測的方 法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟1 :將信號激發(fā)與采集裝置置于海底石油管道中； 步驟2 :16個渦流傳感器的激勵線圈實時對海底石油管道進行激勵，并通過各渦流檢 測線圈獲得16個響應信號； 步驟3 :渦流檢測線圈獲得的響應信號傳輸至信號調(diào)理電路，將響應信號轉(zhuǎn)換成電壓 信號； 步驟4 :終端處理器對轉(zhuǎn)換得到的電壓信號進行AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號； 步驟5 :中央控制模塊同時控制16個終端處理器接收和發(fā)送數(shù)字信號，16個終端處理 器定期將接收到的數(shù)字信號發(fā)送至中央控制模塊并存儲； 步驟6 :將信號激發(fā)與采集裝置從海底石油管道取出，并將信號激發(fā)與采集裝置與上 位機連接； 步驟7 :上位機讀取信號激發(fā)與采集裝置的中央控制模塊存儲的數(shù)字信號，根據(jù)讀取 的數(shù)字信號進行海底石油管道泄漏檢測； 步驟7. 1 :上位機讀取信號激發(fā)與采集裝置的中央控制模塊存儲的數(shù)字信號，將各數(shù) 字信號轉(zhuǎn)化成矩陣形式； 步驟7. 2 :利用SPWVD算法判斷當前海底石油管道是否存在缺陷：對矩陣形式的數(shù)字信 號采用SPWVD算法進行時域分析，若得到的三維譜圖存在頻譜分散情況即三維譜圖中非峰 值部分的頻譜比例變大，同時三維譜圖的峰值變化不低于原峰值的1. 5倍，則當前海底石 油管道存在缺陷，執(zhí)行步驟7. 3,否則返回步驟7. 1 ; 步驟7. 3 :利用SPWVD算法判斷缺陷類型：若存在缺陷的測量點的各個頻率的數(shù)字信號 的衰減值呈線性衰減，則當前缺陷的類型是裂紋缺陷；若存在缺陷的測量點的渦流傳感器 的提離值與非缺陷測量點的渦流傳感器的提離值比較，提離值發(fā)生變化，則當前缺陷的類 型是外部缺陷；若存在缺陷的測量點的數(shù)字信號幅值變大，并且利用SPWVD算法對數(shù)字信 號進行時頻分析得到的SPWVD值的低頻分量沿時間軸向外擴展的幅度變大，則當前缺陷的 類型是內(nèi)部缺陷；若存在缺陷的測量點不滿足裂紋缺陷、外部缺陷或內(nèi)部缺陷，則當前缺陷 的類型是混合缺陷。
【文檔編號】G01N27/90GK104155360SQ201410352876
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】張化光, 吳振寧, 劉金海, 于翔, 高亮, 馮健, 汪剛, 馬大中 申請人:東北大學