CN102192953A - 低功耗智能三维漏磁检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低功耗智能三维漏磁检测探头，用于长输管道的腐蚀和裂纹等缺陷的漏磁检测设备，能够达到高精度多传感器检测(1500～4000个)、低功耗(传统设备的1/30～1/200)，解决了漏磁检测器的电池容量关键瓶颈。该探头由霍尔传感器阵列、分时供电模块、信号处理模块和智能控制器构成。霍尔传感器阵列测量X-Y-Z三方向漏磁强度。分时供电模块只给采样的传感器分时供电，实现低功耗。信号处理模块负责信号滤波，A/D转换等。智能控制器采用CPLD，实现分时供电控制、数据采集、数据输出和通信，抗干扰能力强。

Description

低功耗智能三维漏磁检测探头

技术领域

本发明涉及油气长输管道的腐蚀、裂纹等缺陷的漏磁检测设备的三维探头，用于检测缺陷的形状和深度。

背景技术

由于腐蚀、疲劳裂纹和意外损伤等原因，油气长输管道的泄露时有发生，不仅造成巨大的经济损失，而且会对环境造成严重的污染。在管道运行维护过程中，高效可靠的检测技术手段，对于事故隐患的评估预报、维护和管道安全具有重要意义。

漏磁检测的基本原理是利用外加磁场使管道材料磁化，当材料有缺陷时导磁率将发生变化，导致磁力线弯曲畸变，并有一部分磁力线泄漏出材料表面(附图1)。通过检测该泄漏磁场就能有效地检测出缺陷的形状和深度。

目前，市场上采用的油气管道腐蚀检测器是基于一个维度方向上漏磁场的检测，受电池容量限制，沿管道圆周最多布置500个传感器，传感器间距5～10mm，缺陷形状和深度检测精度还不够好。特别是对于裂纹缺陷，分辨率远远不足。而采用三维检测和高分辨率检测，需要大量增加传感器数量到1500～4000个，甚至更多，则供电电池容量需要增加到3～10倍，成为制约管道检测设备制造和检测精度的关键瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有管道漏磁检测器探头分辨率低和功耗大的缺点，提供了一种适用于高精度多传感器(1500～4000个)检测、低功耗(传统设备的1/30～1/200)的智能三维漏磁检测探头。

本发明的智能化三维漏磁测头的技术方案是：探头由霍尔传感器阵列、分时供电模块、信号处理模块和智能控制器构成(附图3)。1.采用三维霍尔传感器或3个霍尔传感器分X-Y-Z三个方向摆放，分别探测各方向的漏磁场强度，实现三维检测和缺陷的高精度解析与还原；2.各传感器采用模拟开关分时供电与数据轮换采集方式，功耗能够降低到原来1/30～1/200，解决了电池容量瓶颈；3.采用更加密集的传感器布置和数据采集方式，提高检测的分辨率；4.采用CPLD进行逻辑控制，实现智能化分时控制、数据采集、数据输出和通讯。

每组3个霍尔传感器按X-Y-Z三方向顺序紧密摆放，这三个传感器器测量管道内表面上一个点的空间磁场(附图2)，其中：X方向为漏磁的主磁场方向，磁场强度较大，Y、Z方向为漏磁的副磁场方向，磁场强度较小。漏磁的主磁场为检测缺陷的主要依据，而副磁场对于更好的描述漏磁场形状和完整还原缺陷形状有着重要的作用，大大提高了缺陷检测精度，特别是对裂纹的检测，减小了漏检率。各组传感器摆放间隔3～10mm。按照采样间隔2～5mm、检测器最大运行速度10m/s计算，传感器最快要在0.2～0.5ms内全部轮换采样一次。在轮换采样中，不采样的传感器不必供电。因此，为了实现节电，使用模拟开关给传感器依次轮换分时供电，电耗能够降低到原来的1/10～1/20；考虑到检测器常用实际运行速度一般为1～3m/s，总供电采样时间只占工作时间的1/10能耗将减低到原来的1/30～1/200；试验表明，传感器从供电到输出稳定、进行采样的最快轮换速度可达0.02ms，满足以上的最快切换速度要求。

使用另一个模拟开关对传感器输出进行切换采样，每个测头只需1套电压跟随器和A/D转换器，就可实现多达30个以上传感器的信号处理和数据转换。

分时供电、轮换采样、数据采集、数据输出和通讯等采用CPLD进行智能控制。CPLD作为复杂可编程逻辑器件，其抗干扰能力很强。

目前漏磁检测探头按宽度28mm设计，可以放置4组12个传感器(组间隔7mm)(附图4)～8组24个传感器(组间隔3.5mm)(附图5)。按φ1219管道计算，传感器数量达到1500～4000个，分辨率达7*5～35*2mm的三维检测。比现有一维检测的传感器数量增大3～6倍，而电池容量基本不变。

由于每个霍尔传感器工作电流约7mA，所有传感器同时供电的电流过大，对电池供电的漏磁检测器来说是一致命瓶颈。当通过模拟开关切换给霍尔传感器供电时，霍尔传感器从开始供电到达到稳定输出需要20us左右的提前供电时间，所以每个传感器在进行信号采样前都必须有20us以上的提前供电时间。在一个传感器模拟信号采样结束后，控制供电和采样的两个模拟开关立即切换到下个等待采样的霍尔传感器。每个传感器采用分时供电、轮换采样控制，其中S1和S2为两个多通道模拟开关，S1控制各传感器供电，S2控制各传感器输出信号的选通，即同一时刻只有一个传感器接通5V电压和输出信号给A/D。S1和S2依次选通各霍尔传感器，两个模拟开关由CPLD控制切换。

各霍尔传感器输出电压经过滤波电容高频滤波消除噪声后串行进入电压跟随器，得到能够被A/D采样的模拟信号。

在检测器工作过程中，要求的探头采样频率一般小于100k/s，根据采样定理，采样频率最好是探头频率的5-8倍，本实施例选用的A/D转换器采样频率达到1.25M/s，能够满足探头传感器高速采样的要求。

CPLD作为本发明微控制器，能够响应上位机信号并对两个模拟开关和A/D转换器进行智能控制，最后把模数转换后的数字信号发送给上位机。

本发明仅限于漏磁信号采集部分，和上位机部分结合使用能够完成数据的存储压缩和还原，再加上检测器机械动力部分，能够完整的实现油气管道三维漏磁检测功能。

附图说明

附图1为漏磁检测原理图

附图2为漏磁场与探头布置

附图3为本发明的探头原理图；

附图4为霍尔传感器阵列布局(4组12个传感器)；

附图5为霍尔传感器阵列布局(8组24个传感器)；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细的介绍：

参照附图4和附图5所示的霍尔传感器阵列，每组三个传感器测量空间上一点的三维磁场，第一行传感器测量Z方向磁场强度，第二行传感器测量X方向磁场强度，第三行传感器测量Y方向磁场强度，由此实现附图2所示空间上一点的漏磁场三维测量。附图3所示模拟开关S1、S2分别对各霍尔传感器的供电和采样进行切换，实现分时供电和轮换采样。电压跟随器隔离传感器输出电压和A/D芯片，达到阻抗匹配，有利于A/D转换芯片进行模数转换，并把数字信号传送给智能控制器。智能控制器控制模拟开关S1、S2和A/D芯片，并和上位机进行通讯，把各传感器测量信号发送给上位机。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.低功耗智能三维漏磁检测探头，由霍尔传感器阵列，分时供电模块，信号处理模块，智能控制器等构成。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器阵列，其特征在于：每个测头采用4～8组、每组3个霍尔传感器；每组传感器分3排按X-Y-Z三个方向摆放，构成三维磁场强度检测阵列。

3.根据权利要求1所述的分时供电模块，其特征在于：多个传感器采用分时供电与轮换采集模式。采用模拟开关进行分时供电控制，只给采样的传感器供电。这样可以实现超低功耗(传统探头的1/30～1/200)，使得漏磁检测器的传感器数量可以达到1500～4000个，不再受到电池容量的限制。

4.根据权利要求1所述的信号处理模块包括滤波电路、电压跟随器电路和A/D转换电路，其特征在于：只需1套电压跟随器、滤波电路和A/D转换器，依次进行信号处理和数据采样，大大简化了电路和减低了能耗；电压跟随器隔离传感器输出和A/D转换器，达到阻抗匹配；滤波电路去除高频噪声；A/D转换器进行模数转换。

5.根据权利要求1所述的智能控制器，其特征在于：采用CPLD逻辑控制器(或单片机)对分时供电、轮换采样、信号处理、数据输出和通信等实行智能控制，具有稳定性高，抗磁干扰特性。

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