基于脉冲涡流的管道漏磁内检测集成探头及检测方法与流程

本发明属于管道漏磁内检测技术领域，涉及一种管道内检测缺陷三维漏磁测量和内外壁缺陷区分集成探头及识别评价方法。

背景技术：

管道漏磁内检测是在不影响油气管道介质正常输送的条件下，利用检测装置中的磁化系统进行管道局部磁化，通过霍尔传感器检测缺陷处漏磁通信号的矢量大小、方向及分布，精确量化缺陷的几何尺寸。传统的漏磁内检测器采用两节探头结构：第一节结构包含霍尔传感器，用来定量测量缺陷的大小和方向；第二节结构包含内、外壁缺陷区分传感器，用来定性区分缺陷是在管道内壁还是外壁。目前，经常采用基于相敏检波的涡流检测作为内外壁区分的方法。涡流检测方法是一种非接触测量的无损检测方法，主要适用于金属材料的缺陷检测。传统的涡流检测技术以周期性的正弦波为激励信号，采用两路同步且正交的相敏检波参考信号，经过低通滤波后得到涡流检测线圈的电阻分量和感抗分量，最后经过数字信号处理，计算出缺陷处信号的幅值信息和相位信息。幅值反映缺陷的长度和高度信息，相位的滞后和超前反映缺陷是位于管道的内壁还是外壁。这种方法由于采用数字信号处理器，带来电路结构复杂、耗高、响应速度慢的问题，从而极大的影响了管道漏磁内检测的检测速度。

脉冲涡流检测技术是在传统涡流检测技术的基础上发展而来的一种新型检测方法。脉冲涡流检测以法拉第电磁感应原理为基础，当把通有矩形波的检测线圈逐渐靠近被测金属试件时，试件中会感应产生涡流。而涡流电流所产生的二次感应磁场又会反作用于检测线圈，从而在检测线圈上感应出电压。感应电压的大小受缺陷的大小和形状影响，通过测量感应电压便可以推断出管壁是否存在缺陷。脉冲涡流检测技术具有频谱丰富、响应速度快、深层缺陷检测能力强的优点。

中国专利cn102798660b介绍了基于三维漏磁和电涡流的管道内外壁缺陷检测装置及方法。所述的漏磁检测器和涡流检测器分别位于数据处理与存储器的两侧，两者间距至少0.5m，只有当漏磁检测器检测到异常信号时，涡流检测器才开启。该专利漏磁和涡流位于不同部位，采用多路开关进行切换，属于检测装置的设计，不涉及脉冲涡流技术，更不涉及管道内检测探头的设计。

中国专利cn102192953a，介绍了一种低功耗智能三维漏磁检测探头，该探头可以对缺陷进行x、y和z定量测量，不能判断缺陷是位于内壁还是外壁。

文献《涡流管道内检测管壁内外缺陷识别技术研究》，利用涡流阻抗分析法，采用正弦交流信号作为线圈激励信号，当线圈碰到缺陷时，缺陷处电路的总阻抗会引起电压的变化。该专利设计了桥式涡流探头和外围硬件电路，对涡流检测输出信号的幅值进行实时采集、存储，实现管道内外壁缺陷的区分。但是方法本身不涉及脉冲涡流检测技术，更不涉及信号采集方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：传统的漏磁检测器采用两节探头，采用分离式安装、设备体积庞大、笨重所引起的机械失效、成本大。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种基于脉冲涡流的管道漏磁内检测集成探头，n个集成探头沿待检测的管道的周向均匀布置，其特征在于，每个所述集成探头包括脉冲涡流检测单元和三维漏磁检测单元，其中，三维漏磁检测单元，用于对管道的缺陷的径向、轴向和周向进行三维漏磁测量，得出缺陷的结构信息；

脉冲涡流检测单元，用于测量管道的缺陷位于管道内壁还是管道外壁，得出缺陷的位置信息，包括脉冲涡流激励电路、脉冲涡流电桥、差分电流测量电路、差分电压测量电路和中央处理器，其中：

脉冲涡流激励电路用于在中央处理器的控制下产生涡流激励信号；

脉冲涡流电桥包括测量桥臂和参考桥臂，涡流激励信号加载到测量桥臂和参考桥臂后发射空间交变磁场，对管道进行电磁激励，由差分电流测量电路及差分电压测量电路分别检测测量桥臂和参考桥臂的差分电流及差分电压；当管壁的内壁没有缺陷时，脉冲涡流电桥达到平衡；当管壁的内壁存在缺陷时，由中央处理器采集得到差分电流测量电路及差分电压测量电路输出的差分电流及差分电压；

中央处理器根据采集到的差分电流及差分电压计算得到差分电导，根据差分电导的数据曲线得到缺陷的位置信息。

优选地，还包括数据采集电路，用于将所述差分电流及差分电压转化为数字量后输出给所述中央处理器。

优选地，所述三维漏磁检测单元包括多个平行阵列式排列的三轴霍尔传感器，三轴霍尔传感器的数量根据所述集成探头的宽度及每个三轴霍尔传感器的宽度确定。

优选地，所述脉冲涡流电桥有至少一组，所有所述脉冲涡流电桥沿所述管道的轴向前后布置。

优选地，所述测量桥臂包括测量线圈及与测量线圈串联的电阻，所述涡流激励信号加载到测量线圈后发射所述空间交变磁场；所述参考桥臂包括参考线圈及与参考线圈串联的电阻，所述涡流激励信号加载到参考线圈后发射所述空间交变磁场。

本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述集成探头的管道漏磁内检测方法，其特征在于，结合三维漏磁信号和脉冲涡流信号得出管道的缺陷的结构和位置信息，完成无损检测，包括以下步骤：

步骤1：缺陷三维定量测量

n个上述的集成探头沿待检测的管道的周向均匀布置，当n个集成探头在管道中沿轴向滑动时，三维漏磁检测单元不断对管道的管壁进行径向、轴向和周向的三维漏磁定量测量以得出缺陷长、宽、高的尺寸信息；

步骤2：脉冲涡流激励电路将输出的涡流激励信号加载到测量桥臂和参考桥臂上，由测量桥臂和参考桥臂发射空间交变磁场，对管道进行电磁激励；

步骤3：涡流桥臂电信号测量

若集成探头通过的管道无内壁缺陷时，脉冲涡流电桥达到平衡；若集成探头通过的管道内壁存在缺陷时，中央处理器通过差分电流测量电路及差分电压测量电路采集到形成差分电压和差分电流；

步骤4：差分电导计算

中央处理器根据测量的差分电压和差分电流计算得到差分电导；

步骤5：中央处理器根据计算得到的差分电导形成差分电导波形，当集成探头经过管道的内壁有缺陷时，测量得到的差分电导波形上有前正峰值后负峰值的波形；管道的内壁没有缺陷时，差分电导波形没有峰值信号产生；

步骤6：缺陷位置判断

当三维漏磁信号径向分量的数据曲线上有前负峰值后正峰值的波形，则可判断出有缺陷信号；当三维漏磁测量到有缺陷信号时，结合步骤5，如果差分电导波形上有前正峰值后负峰值的波形，则判断出缺陷位于管道的内壁；当三维漏磁测量到有缺陷信号时，且差分电导波形没有峰值波形，则缺陷位于管道的外壁。

优选地，所述涡流激励信号是占空比为50％的矩形pwm波。

本发明提供了一种漏磁内检测集成探头和检测方法。该探头采用脉冲涡流的原理，设计了一种新型的信号采集电路和检测方法，解决了常规脉冲涡流探头只能检测缺陷，不能判断缺陷是位于内壁还是外壁的问题。同时，探头集成了三维漏磁传感器，能对缺陷进行定量测量，得出缺陷的结构信息。

本发明漏磁、涡流一体化探头解决了常规漏磁检测器采用两节探头带来的检测器成本增加，弯头通过性和变形适应性变差，容易出现卡堵的问题。本发明所提供的方法响应速度快、灵敏度高、功耗低、内外壁缺陷区分准确，可以在工程上应用推广。

附图说明

图1为集成探头在管道中放置位置示意图；

图2为集成探头三维漏磁检测单元和脉冲涡流检测单元位置示意图；

图3为涡流电桥测量原理图；

图4为涡流电桥电路结构图；

图5为脉冲涡流激励电路；

图6为ref产生电路；

图7为涡流线圈电流测量电路；

图8为涡流电桥差分电压测量电路；

图9为模/数转换电路；

图10为涡流电桥信号波形采样时序；

图11为涡流电桥信号采集流程；

图12为管道缺陷内外壁区分方法。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实施例提供的一种基于脉冲涡流的管道漏磁内检测集成探头其在管道内部的布局如图1所示，图中，1-1为管道，1-2为沿管道周向布局的一系列本发明提供的集成探头。1-3为集成探头内部的霍尔传感器，霍尔传感器沿管道1-1周向放置。1-4为集成探头内部的涡流测量线圈，1-5为集成探头内部的涡流参考线圈，涡流测量线圈1-4和涡流参考线圈1-5沿管道1-1轴向放置。

本实施例中，本发明提供的集成探头包括三维漏磁检测单元和脉冲涡流检测单元，三维漏磁检测单元和脉冲涡流检测单元位置示意如图2所示。三维漏磁检测单元由5个沿管道周向排列的三轴霍尔传感器h1、h2、h3、h4、h5组成，5个三轴霍尔传感器h1、h2、h3、h4、h5两两周向中心距为5mm，用于测量缺陷的x-y-z三个方向的漏磁强度。三轴霍尔传感器的数量根据三轴霍尔传感器自身的宽度及本发明提供的集成探头的总体宽度确定，以方便三轴霍尔传感器的安装为宜。本实施例中的三轴霍尔传感器h1、h2、h3、h4、h5拥有16位磁场分辨率，可以检测到1050mt的磁场强度，具有体积小、功耗低等优点。三维漏磁检测单元的后方是脉冲涡流检测单元，包括两组涡流检测电桥。每组涡流检测电桥包括测量线圈和参考线圈。测量线圈及参考线圈均为涡流线圈，涡流线圈采用50匝、内径6.2mm、线径0.1mm的漆包线绕制而成。涡流线圈的周向中心距为21mm，轴向中心距为23.5mm。脉冲涡流检测单元上的前后两个涡流线圈分别为测量线圈和参考线圈构成一组涡流检测电桥，即涡流测量线圈mea1串联电阻一和涡流参考线圈ref1串联电阻二构成一组涡流电桥，涡流测量线圈mea2串联电阻三和涡流参考线圈ref2串联电阻四构成另一组涡流电桥。

两组涡流检测采用相同的检测原理。其中一组涡流检测的测量原理如图3所示。当管道没有内壁缺陷时，涡流检测电桥通过测量桥臂及参考桥臂上串联的电阻r1、r2达到平衡。当涡流检测电桥碰到带有腐蚀、裂纹等内壁缺陷的管道时，由于测量线圈mea1和参考线圈ref1进出缺陷的时间不同，会在涡流检测电桥的桥臂上引起电压差。差分电压测量电路通过设计的差分运算放大电路采集测量线圈和参考线圈之间的差分电压vdiff1＝v1-v2。同时，缺陷的存在必将导致测量线圈和参考线圈中的电流不一致，形成差分电流。差分电流测量电路通过跨阻放大将测量线圈和参考线圈上的桥臂电流转化成电压ui1和ui2，中央处理器(本实施例中，中央处理器采用cpld)通过数学运算，将两个电压ui1和ui2转化成测量桥臂和参考桥臂之间的差分电流idiff1。用差分电流除以差分电压，便可得到涡流电桥的差分电导c＝idiff1/udiff1。根据前述差分电导的波形，便可以得出缺陷是位于管道内壁还是外壁。

如图4为任一组涡流检测电桥的电路结构图。由脉冲涡流激励电路、测量线圈、参考线圈、测量线圈电流采样电路、参考线圈电流采样电路、涡流桥臂差分电压采样电路、模/数转换电路和cpld组成。涡流桥臂差分电压采样电路的输出为测量线圈和参考线圈的电压差。

图5为脉冲涡流激励电路。图中，pwma为cpld控制下正负对称、频率为33k的方波信号来驱动模拟开关。模拟开关的输出经过运放跟随电路以增强涡流激励信号moa驱动能力，涡流激励信号moa为1.65±1.5v的电压信号。r3＝5.1k，r4＝5.1k，r5＝24k，r6＝27k。

当pwma＝1时：

当pwma＝0时：

上述结构及后续电路中使用到的电压基准vref产生电路如图6所示，+3.3va通过两个等值电阻进行分压，再利用电压跟随电路提高信号的驱动能力，vref＝+1.65v。

图7为涡流测量线圈电流测量电路。涡流测量线圈中流过的电流通过i1跨阻放大变为电压信号vi1，放大倍数为rg。则测量线圈的电流i1为i1＝vi1/rg

同理，涡流参考线圈的电流i2经过跨阻放大转化成vi2。则差分电流idiff1＝i1-i2。

图8为差分电压测量电路。该电路包含两个运放，两个运放组成差分放大电路。测量线圈和参考线圈的电压分别送入运放的同相输入端，产生一个桥臂差分电压vdiff1。vdiff1＝v1-v2。

图9为模/数转换电路。考虑到信号的转换速度，信号采集电路采用16位sar型adc。adc的供电电压为+3.3v，基准设为+2.5v，采用单端接法。

图10为位信号波形的采样时序图。在涡流线圈上施加一个周期为30us的涡流激励信号moa(信号的频率会随着内检测器行进的速度不同而改变)。该周期分成三部分：

第一部分：正半周测量周期，从该周期的第5us开始，数据采集电路adc会依次读取差分电压值vdiff1、涡流测量桥臂电流i1对应的电压vi1和涡流参考桥臂电流i2对应的电压vi2。

第二部分：负半轴测量周期，从该周期的第5us开始，数据采集电路adc会读取差分电压vdiff1、涡流测量桥臂电流i1对应的电压vi1和涡流参考桥臂电流i2对应的电压vi2。

第三部分：计算周期，从涡流激励正半周和负半周开始的第10us，中央处理器cpld会计算涡流桥臂的差分电流得到idiff1＝i1-i2，并根据测量得到的差分电压和差分电流计算缺陷处的电导值

采用两组涡流检测电桥平行放置的目的是增大缺陷的覆盖面，具体实施细则如下：当两组涡流电桥都有前正峰值后负峰值的信号时，则可能有两种情况发生，第一种是两组涡流电桥检测到同一个内壁大缺陷，第二种是两组涡流电桥检测到两个或多个近邻内壁缺陷。具体判断需要等内检测完成，即等本发明提供的探头在轴向上扫描完整个管道将数据离线导出后，根据反演算法判定是第一种还是第二种。如果两组涡流电桥，第一组有前正峰值后负峰值的信号，第二组没有峰值信号，则可以判断出第一组是一个内壁缺陷，第二组需要结合漏磁信号，来判断是外壁缺陷还是没有缺陷。

图11为发明的信号采集流程。程序开始后，中央处理器会一直采集三维漏磁数据，并开启涡流激励。通过采集测量线圈和参考线圈处的差分电压和差分电流，得到差分电导。之后，程序会对漏磁信号进行判断，当判断到漏磁有峰值信号时，再根据差分电导的峰值信息，得出缺陷是处于内壁还是外壁。当判断到漏磁没有信号时，则结束程序，进入下一个循环。

图12为基于脉冲涡流的管道漏磁内检测方法。当探头通过管道内壁缺陷时，脉冲涡流检测单元的差分电导会有先正峰值后负峰值的波形产生，三维漏磁检测单元的三轴霍尔传感器在径向分量上会有一个先负峰值后正峰值的波形产生。当探头通过管道外壁缺陷时，脉冲涡流电导没有峰值的波形产生，而三轴霍尔传感器的径向分量会有一个先负峰值后正峰值的波形产生。所以，通过三维漏磁信号结合脉冲涡流信号便可以区分出缺陷的位置，是在管道内壁还是外壁。而三维漏磁检测单元可以测量x、y和z的漏磁分量，对缺陷的结构进行定量分析。