基于电磁超声测厚法的储气井检测方法、硬件电路及装置

本发明涉及声发射源定位，具体涉及一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法、硬件电路及装置。针对加气站等有关的储气井进行壁厚测量和腐蚀程度检测，以评估其安全状况的电磁无损检测设备和技术手段。

背景技术：

1、天然气(cng)储气井由于其安全、高效、占地面积小等优点，广泛应用于城市cng加气站等场所。据统计，国内目前有天然气储气井约8000口，并保持快速增长。但其中部分天然气储气井已经老化，由腐蚀等原因已经导致井筒上冒、下沉、气体泄漏、甚至爆炸事故，存在严重的安全风险。针对天然气储气井的定期检测，在防范天然气储气井发生安全事故方面发挥着重要作用。

2、由于天然气储气井的特殊需求，所以无损检测在天然气储气井的检测中具有显著优势。目前国内主要采用的是水浸法超声测厚，但由于水浸法存在排水不彻底等问题，从而腐蚀天然气储气井内部，会极大地减少天然气储气井的服役寿命。

3、为解决水浸法的固有缺陷，工程技术人员提出了电磁超声测厚法。相较于水浸超声法，电磁超声测厚法仅需要空气作为工作介质，不需要额外耦合剂，因此在检测过程中不存在附带损伤。正是这种优势，使得电磁超声测厚法在管道无损检测领域的地位越来越重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法、硬件电路及装置，该方法提高电磁超声测厚装置的检测效率、缩小其体积，提高装置的可操作性，以克服现有技术的不足。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法，该方法采用电磁超声原理，通过电磁超声换能器对准被测储气井壁，被测储气井壁在洛伦兹力、磁致伸缩力、磁性力的作用下产生电磁超声波，根据电磁激励效应的逆效应，电磁线圈会产生感生电动势，经过信号处理后便可计算出被测管道的厚度，进而完成对管道进行探伤；所述电磁超声换能器包括激励线圈和偏置磁场。

3、作为本发明的进一步方案：所述激励线圈在电磁超声换能器中通过通入脉冲激励产生磁场，从而被测工件中激发出电磁超声波；所述激励线圈为跑道构型线圈，且激励线圈双组，对应双组激励线圈中线圈绕向相反。

4、作为本发明的进一步方案：所述偏置磁场的磁场强度可采用永磁体阵列中相邻磁体的中心间距在数值上等于波长的一半即λ/2，从而在被测工件中任意位置，不同永磁铁下方导波源传播到该处的导波的相位为2π的整数倍，形成波幅度的叠加，极大地增强信号能量，从而提高换能效率；或者采用通过多通道脉冲阵列，通过时钟频率控制不同emat线圈的脉冲相位差，使其到达被测工件特定位置时实现叠加效应。

5、作为本发明的进一步方案：采用钕铁硼永磁铁提供偏置磁场，实现提供稳定且强大的静磁场，且没有电磁噪声；所述偏置磁场的磁化方向为垂直磁化。

6、一种基于电磁超声测厚法的储气井检测硬件电路，所述硬件电路包括电磁超声激励电路、信号调理电路和以fpga为核心的控制通讯模块，所述电磁超声激励电路、信号调理电路之间连接有激励线圈，信号调理电路通过模数转换器连接控制通讯模块的输入端，控制通讯模块的数据通讯端通过串口转usb电路可与上位机通讯；所述fpga作为时钟信号发生器控制电磁超声激励电路产生激励信号，激励信号通过激励线圈在被测工件内产生电磁超声回波；超声回波由激励线圈通过逆效应转化为电压信号，该电压信号输入信号调理电路进行信号处理；再由模数转换器将电压信号转换为数字信号输入fpga中；再通过串口转usb电路实现与上位机的通讯。

7、作为本发明的进一步方案：所述电磁超声激励电路包括fpga时钟信号发生器和高压开关电路；所述高压开关电路将fpga时钟信号转化为高压脉冲，其中电磁超声激励电路采用单脉冲激励。

8、作为本发明的进一步方案：所述信号调理电路模块包括前置放大电路、带通滤波电路、二级放大电路和模数转换电路，所述电压信号及电压信号中的杂波经过前置放大电路后；通过双二阶环带通滤波器，滤除低频和高频噪音；经过滤波的信号经过二级放大电路后，由模数转换器将电压信号转换为数字信号输入fpga中，可以实现快速准确的信号激励和信号接收以及数据预处理、传输。

9、一种基于电磁超声测厚法的储气井检测装置，包括主壳体，在主客体内分别安装有电池和电磁超声激励电路板，电池用于对电磁超声激励电路板供电，在主壳体下端设置有感应器支座，在感应器支座四周均匀布置感应器，所述感应器与电磁超声激励电路板连通，在感应器支座底部设置有防撞套，在主壳体上端设置有上端盖，所述上端盖内设置有u盘及其电路板，所述u盘及其电路板与电磁超声激励电路板连通。

10、作为本发明的进一步方案：所述上端盖与主壳体之间设置有上扶正器；在主壳体与感应器支座之间设置有下扶正器，所述上扶正器包括固定轴，所述固定轴上端通过螺纹方式连接上端盖的盖座，在固定轴下端通过螺纹方式连接主壳体的上端部；

11、作为本发明的进一步方案：在固定轴中部四周铺设四片垫板，所述垫板横截面为梯形结构实现彼此配合密封，所述垫板通过内六角圆柱头螺钉固定在固定轴。

12、作为本发明的进一步方案：在固定轴左、右侧的垫板上通过螺纹方式均设有两根螺杆，在同侧的两根螺杆端部套有滚轮轴，在对应螺杆上设置有弹簧，所述弹簧两端依次卡在垫板和滚轮轴端部，在滚轮轴上设置有可调节橡胶轮；在弹簧作用下，大直径橡胶轮可随着管道内径的变化而实时调整。

13、作为本发明的进一步方案：在另外两块垫片上设置有小直径橡胶轮，所述小直径橡胶轮的安装方式与大直径橡胶轮的安装方式一致。

14、作为本发明的进一步方案：所述下扶正器结构与上扶正器结构一致，其中下扶正器上的大橡胶轮位置与上扶正器上的大橡胶轮位置彼此错位。

15、作为本发明的进一步方案：所述上端盖顶部设置有吊环。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在传统压缩天然气储气井超声波检测装置的基础上，运用新的电磁超声测厚法进行检测装置的开发，通过对储气井内壁壁厚的测量实现对储气井腐蚀状况的判断。首先介绍了电磁超声测厚的基本原理，并结合储气井测厚的实际要求，提出了电磁超声检测系统的总体设计框架；在对不同超声波测厚方法进行分析对比的基础上，根据任务要求，选择电磁超声测厚方法。提出了储气井测厚系统的总体设计方案，明确了测厚系统的工作流程；根据储气井壁的电磁超声波测厚要求与仪器使用要求，开发了硬件电路系统。对硬件电路系统所用的硬件进行了选型与开发，对fpga系统进行了软件开发，实现了将电磁超声波探头接收的数据转存至u盘；根据储气井规格以及测量时的实际工作环境设计检测装置的机械结构，确保了测量过程将侧装自豪的稳定性、防水性，实现系统的轻便易携，操作简便。

技术特征：

1.一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法，其特征在于：该方法采用电磁超声原理，通过电磁超声换能器对准被测储气井壁，被测储气井壁在洛伦兹力、磁致伸缩力、磁性力的作用下产生电磁超声波，根据电磁激励效应的逆效应，电磁线圈会产生感生电动势，经过信号处理后便可计算出被测管道的厚度，进而完成对管道进行探伤；所述电磁超声换能器包括激励线圈和偏置磁场。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法，其特征在于：所述激励线圈在电磁超声换能器中通过通入脉冲激励产生磁场，从而被测工件中激发出电磁超声波；所述激励线圈为跑道构型线圈，且激励线圈双组，对应双组激励线圈中线圈绕向相反。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法，其特征在于：所述偏置磁场的磁场强度通过利用相位叠加原理实现的，即可采用永磁体阵列中相邻磁体的中心间距在数值上等于波长的一半即λ/2，从而在被测工件中任意位置，不同永磁铁下方导波源传播到该处的导波的相位为2π的整数倍，形成波幅度的叠加，极大地增强信号能量，从而提高换能效率；或者采用通过多通道脉冲阵列，通过时钟频率控制不同emat线圈的脉冲相位差，使其到达被测工件特定位置时实现叠加效应。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法，其特征在于：采用钕铁硼永磁铁提供偏置磁场，实现提供稳定且强大的静磁场，且没有电磁噪声；所述偏置磁场的磁化方向为垂直磁化。

5.一种基于电磁超声测厚法的储气井检测硬件电路，其特征在于：所述硬件电路包括电磁超声激励电路、信号调理电路和以fpga为核心的控制通讯模块，所述电磁超声激励电路、信号调理电路之间连接有激励线圈，信号调理电路通过模数转换器连接控制通讯模块的输入端，控制通讯模块的数据通讯端通过串口转usb电路可与上位机通讯；所述fpga作为时钟信号发生器控制电磁超声激励电路产生激励信号，激励信号通过激励线圈在被测工件内产生电磁超声回波；超声回波由激励线圈通过电磁激励的逆效应转化为电压信号，该电压信号输入信号调理电路进行信号处理；再由模数转换器将电压信号转换为数字信号输入fpga中；再通过串口转usb电路实现与上位机的通讯。

6.根据权利要求5所述的基于电磁超声测厚法的储气井检测硬件电路，其特征在于：所述电磁超声激励电路包括fpga时钟信号发生器和高压开关电路；所述高压开关电路将fpga时钟信号转化为高压脉冲，其中电磁超声激励电路采用单脉冲激励。

7.根据权利要求5所述的基于电磁超声测厚法的储气井检测硬件电路，其特征在于：所述信号调理电路模块包括前置放大电路、带通滤波电路、二级放大电路和模数转换电路，所述电压信号及电压信号中的杂波经过前置放大电路后；通过双二阶环带通滤波器，滤除低频和高频噪音；经过滤波的信号经过二级放大电路后，由模数转换器将电压信号转换为数字信号输入fpga中，可以实现快速准确的信号激励和信号接收以及数据预处理、传输。

8.一种基于电磁超声测厚法的储气井检测装置，包括主壳体(1)，在主客体(1)内分别安装有电池和电磁超声激励电路板，电池用于对电磁超声激励电路板供电，其特征在于：在主壳体(1)下端设置有感应器支座(2)，在感应器支座(2)四周均匀布置感应器，所述感应器与电磁超声激励电路板连通，在感应器支座(2)底部设置有防撞套(3)，在主壳体(1)上端设置有上端盖(4)，所述上端盖(4)内设置有u盘及其电路板，所述u盘及其电路板与电磁超声激励电路板连通。

9.根据权利要求8所述的一种基于电磁超声测厚法的储气井检测装置，其特征在于：所述上端盖(4)与主壳体(1)之间设置有上扶正器(5)；在主壳体(1)与感应器支座(2)之间设置有下扶正器(6)，所述上扶正器(5)包括固定轴(5.1)，所述固定轴(5.1)上端通过螺纹方式连接上端盖(4)的盖座(4.1)，在固定轴(5.1)下端通过螺纹方式连接主壳体(1)的上端部；

10.根据权利要求8所述的一种基于电磁超声测厚法的储气井检测装置，其特征在于：所述上端盖(4)顶部设置有吊环(4.2)。

技术总结
本发明公开了一种基于电磁超声测厚法的储气井检测方法、硬件电路及装置，该方法通过电磁超声原理与利用电磁超声原理测厚方法杂糅，即磁性材料内部粒子在交变磁场中受洛伦兹力、磁致伸缩力、磁性力等的共同作用下产生与激励磁场相同频率的导波，导波会在被测件内部发生反射，通过检测两次回波的时间间隔即可计算出被测点厚度。首先总结了现有储气井检测装置优缺点，然后设计了一种基于电磁超声原理的天然气储气井腐蚀检测机原型系统。设计了电磁超声信号预处理电路，提高了信噪比，使其达到0.1mm的检测精度；完成检测装置的机械结构设计，满足了轻便、易于维护、通用性。

技术研发人员：张志刚,蒋汪洋,杨随先,李想,王巍,段其湘
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13