單少卿，陳世利，靳世久，劉 棟

(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;2.天津綠清管道科技發(fā)展有限公司，天津301700)

0 引言

管道運(yùn)輸是石油、天然氣和成品油最經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)輸方式之一，為減少運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，管道完整性管理要求對(duì)管道定期進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)［1］。

漏磁檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的鐵磁性管道缺陷檢測(cè)技術(shù)，由于傳統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)器傳感器數(shù)量和檢測(cè)維度有限，容易造成對(duì)不敏感缺陷的漏檢或缺陷評(píng)定誤差增大，降低了管道完整性評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠度［2］。因此，本文研發(fā)了一種高清晰度三軸管道內(nèi)檢測(cè)器漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)增加了傳感器的擺放密度、檢測(cè)維度和采樣頻率，這樣勢(shì)必增加了系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量和功耗，進(jìn)而在數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和功耗問題上帶來了新的問題。因此，本文采用低功耗、高速并行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在低功耗的情況下很好地實(shí)現(xiàn)了高清晰度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，與設(shè)計(jì)目的較相符合。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 三軸漏磁檢測(cè)的基本原理

鐵磁性管壁被磁化以后，管壁的缺陷處會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，漏出的磁力線折射后將會(huì)偏離原磁場(chǎng)方向，分別在三維方向上有對(duì)應(yīng)的分量強(qiáng)度分布變化，經(jīng)霍爾元件轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電壓信號(hào)。當(dāng)霍爾元件的其他條件確定后，霍爾電壓直接反映的是平行于霍爾元件法線方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。高清晰度三軸管道內(nèi)檢測(cè)器漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在3個(gè)方向上沿管壁順次擺放了大量霍爾傳感器，分別為:垂直于管道軸向的傳感器測(cè)量軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，垂直于管體表面徑向的傳感器測(cè)量徑向的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，垂直于管道周向的傳感器測(cè)量周向磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，如圖1所示。

圖1 三維矢量方向與傳感器擺放示意圖Fig 1 Schematic drawing of 3D vector directions and sensors’arrangement

1.2 三軸漏磁信號(hào)與缺陷外形的關(guān)系

從腐蝕缺陷判別和管道腐蝕程度評(píng)價(jià)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中得知，通常將缺陷的外形參數(shù)定義為:缺陷長(zhǎng)度(沿管道軸向方向)、缺陷寬度(沿管道周向方向)、缺陷深度。三軸管道內(nèi)檢測(cè)器漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄了管道內(nèi)壁附近漏磁場(chǎng)的三維數(shù)據(jù)，研究表明［3］:3個(gè)維度的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)的各種特征與缺陷特征有相當(dāng)緊密的聯(lián)系，為相關(guān)分析和評(píng)估提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，如圖2所示。

圖2 軸向、徑向和周向信號(hào)示意圖Fig 2 Schematic drawing of axial，radial and circumferential signal

徑向漏磁信號(hào)正峰值和負(fù)峰值之間的距離一般表現(xiàn)為與缺陷的長(zhǎng)度緊密相關(guān)，在缺陷的長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，峰峰間距將與其呈近似線性關(guān)系，如公式(1)所示

其中，L為長(zhǎng)度;Pp為信號(hào)峰峰值。

缺陷區(qū)域影響的軸向傳感器通道數(shù)量和周向漏磁信號(hào)的中心塌陷程度可以用來判斷缺陷的寬度。由于傳感器是周向均勻排列的，缺陷寬度的評(píng)價(jià)主要取決于在管道周向分布的傳感器個(gè)數(shù)與傳感器之間的周向距離。對(duì)于較寬的缺陷，圖像浮散作用變得不很明顯，所以，缺陷寬度變大時(shí)，漏磁急劇增大，周向信號(hào)中心位置的塌陷變大，周向信號(hào)用作補(bǔ)償性定性分析。

在此研究的813 mm管徑的漏磁檢測(cè)器一周有528只軸向傳感器通道，這樣每個(gè)通道覆蓋的周向距離約為4.83 mm。選擇衰減系數(shù)為45%時(shí)，受影響的通道所覆蓋的區(qū)域與缺陷的實(shí)際寬度最為接近，如公式(2)所示

其中，N為某缺陷影響的通道數(shù);AC為中心通道軸向信號(hào)幅值;A4為第四條通道軸向信號(hào)幅值。

漏磁信號(hào)的幅值在其他變量恒定的前提下，與缺陷深度呈近線性關(guān)系。檢測(cè)3個(gè)維度上的漏磁信號(hào)的幅值，能夠更加精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷深度的判斷。漏磁信號(hào)幅值與缺陷的寬度呈正比，與缺陷的長(zhǎng)度呈反比，與缺陷的面積呈正比，利用這些關(guān)系和某些參數(shù)，通過試驗(yàn)得出孤立缺陷的實(shí)際深度經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于不同管徑的漏磁信號(hào)，公式的系數(shù)會(huì)有所變化，如公式(3)所示

其中，Am為信號(hào)幅值;L為量化長(zhǎng)度;W為量化寬度;D為深度;C為標(biāo)定系數(shù)。

1.3 新系統(tǒng)出現(xiàn)的問題和解決方法

由于進(jìn)一步增加了傳感器排列密度，減小了采樣時(shí)間間隔。目前漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)速度和存儲(chǔ)容量都已接近極限，在原有系統(tǒng)上設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。

因此，本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制可休眠的霍爾傳感器，并且，基于FPGA為核心的處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了新型管道漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并行處理和存儲(chǔ)工作，既增多了傳感器數(shù)量，又較好地解決了系統(tǒng)功耗和數(shù)據(jù)處理能力的矛盾。

2 漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管道內(nèi)檢測(cè)器整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

上面說到的一些原材料中，質(zhì)量控制主要是體現(xiàn)在含泥量方面，按照已有的標(biāo)準(zhǔn)慣例來看，在砂石的含泥量中不得大于3%，而碎石的含泥量也不能超過2%，假若是不小心超過了這個(gè)已有的標(biāo)準(zhǔn)，那將會(huì)對(duì)整個(gè)建筑工程的質(zhì)量帶來尤為嚴(yán)重的危害。并且除了上文說的要保證碎石、砂石等原材料的含泥量外，也需要做好對(duì)于骨料的質(zhì)量控制，骨料看重的是他的含水量，這個(gè)因素將直接影響著混凝土的強(qiáng)度，在選擇骨料的時(shí)候應(yīng)該選擇熱膨脹系數(shù)比較小，且含泥量相對(duì)較低的骨料。在材料的質(zhì)量控制中，要對(duì)混凝土進(jìn)行嚴(yán)格把控，這也是整個(gè)建筑材料的質(zhì)量核心，混凝土質(zhì)量與規(guī)格的達(dá)標(biāo)是對(duì)整個(gè)建筑材料的保證，更是有利于提升建筑工程整體的施工質(zhì)量和建設(shè)水平。

霍爾傳感器和單片機(jī)被封閉包裝在漏磁檢測(cè)探頭中，位于漏磁檢測(cè)艙，F(xiàn)PGA，PC—104和固態(tài)硬盤均位于記錄儀艙內(nèi)。

圖3 內(nèi)檢測(cè)器整體結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Overall structural drawing of inner inspection tool

漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 高清晰度漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structural drawing of the MFL data acquisition system with high definition

內(nèi)檢測(cè)器漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)控制處理單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元三部分構(gòu)成:數(shù)據(jù)采集單元中傳感器電壓信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)通過SPI總線被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理控制單元的FPGA，然后對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，再通過PCI總線傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元PC—104，由PC—104存儲(chǔ)到工業(yè)固態(tài)硬盤。在盡可能降低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道的高清晰度三軸漏磁檢測(cè)。

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

為保證功耗盡可能的低，在此選用Allegro公司的A1393型微功率線性霍爾傳感器 IC，帶三態(tài)輸出和用戶可選休眠方式，傳感器正常工作時(shí)，功率消耗為10 mW，休眠時(shí)功耗為0.075 mW。單片機(jī)為Cygnal公司的C8051F410單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換精度最高可達(dá)12位，最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 kS/s，非常適合應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域?？稍诠I(yè)溫度范圍(-40～+85℃)內(nèi)用2.0～2.75 V的電壓工作。

在數(shù)據(jù)采集單元中，每個(gè)漏磁檢測(cè)探頭電路板包括10只霍爾傳感器和1個(gè)單片機(jī)，在軸向和徑向2個(gè)方向上各自依次分別擺放4只傳感器，由于周向傳感器信號(hào)不用于量化分析，只用作判斷修正，所以，周向方向均勻放置2只傳感器即可。電路板用環(huán)氧樹脂完全封閉包裝到漏磁檢測(cè)探頭內(nèi)，與管道內(nèi)高溫腐蝕油氣環(huán)境隔離，該探頭按周向順序緊貼管壁擺放132個(gè)，這樣共有1320路霍爾傳感器信號(hào)。傳感器和檢測(cè)探頭擺放方式如圖5所示。

圖5 漏磁檢測(cè)探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其擺放示意圖Fig 5 Schematic drawing of inner structure of MFL probe and its arrangement

單片機(jī)對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行及時(shí)的休眠和喚醒控制，同時(shí)對(duì)傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳給FPGA集中存儲(chǔ)。單片機(jī)程序框圖如圖6所示。

圖6 單片機(jī)程序框圖Fig 6 Block diagram of MCU program

2.2 數(shù)據(jù)控制處理單元與SPI總線通信

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)在高速采集系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣［4］，作為數(shù)據(jù)控制處理單元核心的 FPGA，選用ALTERA公司 Stratix系列的 EP1S20F484I6，共有20萬(wàn)門LE邏輯資源，其在85℃環(huán)境溫度下靜態(tài)功耗僅為0.12～0.14 W，F(xiàn)PGA內(nèi)部功耗可控制在2W以內(nèi)，與傳統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)器的控制核心相比，大大降低了功耗，提高了電池的使用效率。將SPI總線與FPGA編程結(jié)合，利用FPGA的靈活性，使電子設(shè)計(jì)能夠在很短的周期內(nèi)完成，符合設(shè)計(jì)的要求［5］。

FPGA為主器件、多個(gè)漏磁檢測(cè)探頭內(nèi)單片機(jī)為從器件的連接圖如圖7所示。

FPGA中通過VerilogHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)SPI通信接口模塊，保持與每個(gè)單片機(jī)的時(shí)鐘相位和極性一致［6］。FPGA的SPI模塊同步發(fā)送SPICLK時(shí)鐘信號(hào)，接收單片機(jī)數(shù)據(jù)。并將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。檢測(cè)器在管道內(nèi)工作時(shí)采樣間距3.3 mm，需要保證在行駛速度5 m/s的情況下不丟數(shù)據(jù)［7］，由此，計(jì)算得出的系統(tǒng)采集頻率不得低于1.7 kHz。整個(gè)系統(tǒng)的采集頻率可由如下公式(4)計(jì)算得出

圖7 SPI數(shù)據(jù)通信硬件連接示意圖Fig 7 Schematic drawing of hardware connection for SPI data communication

其中，f采樣為系統(tǒng)采集頻率，v為管道內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行速度，h為采樣間隔距離。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和PCI總線通信

本設(shè)計(jì)選用的 PC—104工控機(jī)型號(hào)為研華 PCM—3362Z2，產(chǎn)品最大功耗為11.85W，作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，可通過PCIPLUS專用接口與FPGA通信，相對(duì)于PC—104支持的另一個(gè)ISA通用總線接口，PCI總線的CPU占用率極低。在FPGA電路板上加裝PCI9054芯片，可提供FPGA與PC—104之間的PCI橋通信功能。FPGA內(nèi)部緩存存滿后，發(fā)送使能信號(hào)到PCI9054芯片，PC—104工控機(jī)可由PCIPLUS接口通過PCI9054接收FPGA端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)到固態(tài)硬盤設(shè)備中。選用的2.5 in(1 in=2.54 cm)寬溫工業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤，容量為256 GB，沒有機(jī)械存取結(jié)構(gòu)，具有抗震性極強(qiáng)、讀寫速度快的特點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在保證接收數(shù)據(jù)正確的前提下，SPI的時(shí)鐘頻率可達(dá)到2 MHz，采用DMA突發(fā)傳輸模式，PCI突發(fā)傳輸速率可達(dá)20 MB/s，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，同時(shí)系統(tǒng)總功耗不超過80 W，可完全滿足要求。

對(duì)某一圓柱形人工缺陷進(jìn)行5次漏磁檢測(cè)，5次實(shí)驗(yàn)中第3次實(shí)驗(yàn)的圖像結(jié)果，如圖8所示。

人工缺陷特征參數(shù)與測(cè)量結(jié)果如表1所示，其中，平均誤差為對(duì)深度和直徑誤差求算術(shù)平均值。

通過對(duì)缺陷進(jìn)行3個(gè)維度的檢測(cè)，增加了管道特征的信息量，從而提高了對(duì)管道特征的分辨能力和精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:三軸方向信號(hào)的記錄使得高清晰度三軸管道內(nèi)漏磁檢測(cè)器在檢測(cè)能力和置信度等多方面有較高的可靠性和實(shí)用性。

圖8 圓柱形人工缺陷軸向、徑向和周向信號(hào)圖Fig 8 Axial，radial and circumferential signal drawing of a cylindrical man-made defect

表1 圓柱形人工缺陷特征參數(shù)與測(cè)量結(jié)果Tab 1 Feature parameters and measuring result of the defect

4 結(jié)束語(yǔ)

該基于FPGA為核心的三軸管道內(nèi)檢測(cè)器漏磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢測(cè)清晰度高，提高了檢測(cè)器對(duì)各類缺陷的檢出敏感性、尺寸精度和置信度，同時(shí)功耗不高，檢測(cè)結(jié)果較為可靠，適合于長(zhǎng)距離較大管徑管道檢測(cè)，具有一定的廣闊應(yīng)用前景。

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