CN102735746A - 金属管道漏磁信号封闭式检测装置及数据高速传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属管道漏磁信号封闭式检测装置及高速数据传输方法。其装置包括：检测单元，以及数据采集处理单元，其中：所述检测单元，设置为具有凹型前端的印刷电路板，用于通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器对所述金属管道进行漏磁信号感测，通过CPLD控制高速A/D进行多路信号高速采样，通过D/A转换器和V/I转换器，把采样得到的多路漏磁信号，以三线制4-20mA变送形式，顺序地传输给数据采集处理单元。其效率大大提升，可实现金属管道快速全面无损检测。

Description

金属管道漏磁信号封闭式检测装置及数据高速传输方法

技术领域

本发明涉及基于磁记忆原理的金属管道缺陷检测、无损探伤技术领域。

背景技术

在电站锅炉等火力发电蒸发设备中，炉水受热蒸发并产生饱和蒸汽，其受热面由排列的金属管(如钢管)组成，这些整齐敷设在炉膛内墙上的金属管也被称为水冷壁。

由于长期工作在火焰、烟气、飞灰等十分恶劣的环境中，使用过程中，水冷壁管极易发生管壁减薄、老化失效甚至爆漏事故，主要表现为：腐蚀、磨损、拉裂。统计表明，热力设备事故中锅炉占60％，其中管道破损事故占锅炉事故的65％。在美国，锅炉管道事故是热力发电设备可用率低的首要原因，近10年来，已发现5万多台锅炉管道损伤，相当于可用率减少6％。由此可见，金属管道的无损检测技术，对预知隐患，确保设备尤其是各种火力发电设备(如锅炉)的安全、可靠运行具有十分重要的意义。

目前金属管道无损检测方法中，除去人工目视与标尺测量外，主要有如下无损检测方法：(一)超声波检测，其具有精度高的优点，但实现水冷壁的在役全检是不可能的，因为超声波检测的工作量大，而且难以耦合，因此，只适合在某个小范围内进行。作为超声波检测的一项重要分支，电磁超声技术由于具有不需耦合剂，对管材表面特征不敏感等优点，因此适合对有粉层和结渣轻微的表面实施检测，但其也存在相应的问题：当需检查的对象为奥氏体钢铸件和焊缝或者对象形状复杂，电磁超声往往不能高质量地完成检测任务；(二)射线检测，这种方法用于管道检测尚存难点，首先CT检测仪体积大且重，进出炉膛和移动均比较困难。其次，锅炉管道数量繁多，要获得高分辨率的灰度图像必然增加检测数据的信息量，给数据传输存储增加了难度。(三)红外热成像检测，由于具有远距离、非接触、高精度、动态响应快、成像直观等优点，加之电力工业中的设备都与热源有着密切的联系，该方法在变电设备内、外部热故障、电厂热力设备状态以及发电机的状态在役检测中发挥着巨大的作用。但由于一般燃煤炉的水冷壁管表面状态不佳，因此热成像难以达到理想的效果，除非对管子表面进行清洁处理。(四)涡流检测，与超声检测相比，涡流检测的效率要高得多。但是，由于聚肤效应的存在，渗透能力不足，检测深度不够，管道内部的缺陷很难检测出来，因此不适合检测较厚的水冷壁管。

针对现有技术中的缺陷，人们提出了金属管道漏磁检测方法，漏磁检测方法具有工艺简单，不需要耦合剂和其他辅助材料，容易实现自动化，漏磁检测深度比较深(一般能达到10mm)等优点，对设备(如锅炉)管材内外表面的裂纹、腐蚀、凹坑等缺陷具有很好的判断能力，所以比较适用于如水冷壁管道的金属管道无损检测。

但现有的金属管道漏磁检测方法在实际应用中，同样存在一些问题，例如：(一)如何合理构建机构，以实现针对圆形水冷壁的封闭式高速检测；(二)如何在检测时，消除日常环境中的磁场对于检测结果所产生的影响，确保每一次实施检测活动时装置均处于最佳灵敏度，且所得检测结果具有可比性；(三)由于检测原理需要，如何在检测过程中同时获得精确的空间上移动距离信息，以便于计算出所测材料漏磁场梯度值，进而评估水冷壁工作状态；(四)由于检测过程中，采用多路并行高速采样方式，因此产生的数据量十分庞大，如何可靠地传输这些数据，以实现后期计算也是不得不解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属管道漏磁信号封闭式检测装置及高速数据传输方法，其效率大大提升，可实现金属管道快速全面无损检测。

为实现本发明目的而提供的一种金属管道漏磁信号封闭式检测装置，包括：检测单元，以及数据采集处理单元，其中：

所述检测单元，设置为具有凹型前端的印刷电路板，用于通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器对所述金属管道进行漏磁信号感测，通过CPLD控制高速A/D进行多路信号并行高速采样，通过D/A转换器和V/I转换器，把采样得到的多路漏磁信号，以三线制4-20mA变送形式，顺序地传输给数据采集处理单元。

较优地，所述检测单元采用固定检测步长的方法进行漏磁感测；

在所述检测单元采用固定检测步长的方法进行漏磁感测时，所述检测单元的印刷电路板为多块相同尺寸的印刷电路板；多个检测单元等间距、平行放置，且与管道表面等距离，与管道表面垂直，保证每次测量的移动距离就是两个相邻检测单元之间的距离，构成一个封闭式检测装置。

较优地，所述印刷电路板设置多路磁阻传感器，多路与磁阻传感器相应的放大器和多路(多通道)ADC芯片，以及相应的主控单元、DAC芯片和电压电流转换单元；

所述主控单元在控制ADC芯片进行多路信号采集后，将多路采样数据经归一化处理后，顺序输出至DAC芯片，并控制DAC芯片工作；

DAC芯片将多路采样数据以电压形式顺序输出至电压电流转换单元；

所述电压电流转换单元将多路采样磁阻传感数据的电压信号转换为电流信号。

较优地，所述数据采集处理单元，包括ADC器件，第二传输单元和移动数据处理单元；

其中，所述ADC器件，用于采样多块检测单元以电流方式顺序串行传输来的多路电流信号并由主控单元还原为多路漏磁传感信号；

所述第二传输单元，用于将ADC采样得到的多路漏磁传感信号，以SPI串行方式传输给所述移动数据处理单元；

所述移动数据处理单元，为嵌入式微处理器系统，用于根据第二传输单元传输来的多路漏磁传感信号，计算所述多路漏磁信号的信号特征，诊断所述金属管道的缺陷。

为实现本发明目的还提供一种金属管道漏磁检测的印刷电路板，所述印刷电路板设置多路磁阻传感器，多路与磁阻传感器相应的放大器和多路(多通道)ADC芯片，以及相应的主控单元、DAC芯片和电压电流转换单元；

所述多路磁阻传感器，用于对所述金属管道进行漏磁信号梯度测量感测得到多路漏磁传感信号；

所述放大器，用于将磁阻传感器输入的磁阻传感信号放大；

其中，所述ADC芯片，主控单元，DAC芯片为多路信号并行采样单元的组成部分；所述电压电流转换单元为传输单元的组成部分；

所述多路信号并行采样单元，用于对所述金属管道进行多路漏磁信号的高速并行采样；

所述传输单元，所述采样处理后的磁阻传感数据信号以一路三线制式异步串行电流通讯方式，以一路三线制4-20mA电流信号形式将所述多路信号并行采样单元处理后的多路漏磁传感数据信号转换并输送至所述数据采集处理单元。

较优地，所述印刷电路板为具有凹型前端的印刷电路板；

所述印刷电路板为两块及以上相同尺寸的印刷电路板；所述两块及以上块印刷电路板按设定距离垂直方向平行等间距放置，并与被测所述金属管道始终保持垂直。

为实现本发明目的还提供一种金属管道漏磁检测的数据高速传输方法，包括如下步骤：

步骤S100，检测单元设置具有凹型前端的印刷电路板，通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器对所述金属管道进行漏磁信号感测，通过CPLD控制高速A/D进行多路信号高速采样，通过D/A转换器和V/I转换器，把采样得到的多路漏磁信号，以三线制4-20mA变送形式，顺序地传输给数据采集处理单元。

步骤S200，数据采集处理单元接收多块检测单元以4-20mA电流形式顺序串行传输来的多路电流信号并由主控单元还原为多路漏磁传感信号；多路漏磁传感信号以SPI串行方式传输给所述移动数据处理单元；所述移动数据处理单元计算所述多路漏磁信号的信号特征，诊断所述金属管道的缺陷。

较优地，所述步骤S100中，设置具有凹型前端的印刷电路板，通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器，包括如下步骤：

步骤S110，设置具有凹型前端的印刷电路板，所述印刷电路板包围所述金属管道被检测表面；所述印刷电路板设置的多路磁阻传感器直接焊接于印刷电路板前端正反面两侧，且多路传感器之间排放位置相切或者相交，由此构成封闭式检测环境；

所述印刷电路板的多路磁阻传感器始终与水冷壁管道保持垂直，对所述金属管道采用固定检测步长的方法实现被测管道表面的封闭式检测，同时多路磁阻传感器快速并行工作。

较优地，所述印刷电路板的多路磁阻传感器的设置方法为：

1)令n与N相除，得到计算结果商为Q，余数为C；

2)若整除无余数，即C为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚磁阻传感器，且相邻两枚传感器相交无重叠，构成封闭式检测环境；

3)若余数C不为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚传感器，但正反两面相邻传感器有重叠部分，重叠部分所对应圆心角度值为C与Q-1进行除法操作的结果，由此同样可构成封闭式检测环境；

其中，n为被测金属管道的弧长所对应圆心角度数，N为磁阻传感器所对应的圆心角度值N。

本发明的有益效果是：本发明的金属管道漏磁信号封闭式检测装置及高速数据传输方法，针对金属管道圆弧形外表面尺寸设置凹形端面印刷电路板并布置磁阻传感器，构成封闭式检测环境，确保最大程度捕获水冷壁管道缺陷漏磁信号；其结构简单，无需传感器探头固定架，多个凹形端面印刷电路板平行、等间距放置、提离高度固定，并行工作，确保前后两次检测移动的距离恒定、已知，解决了移动距离测量中的不精确问题，使定量化分析更加可行；针对每块凹形端面印刷电路板中的多路采样结果，采用基于电流变送的异步通信方法，有效地解决了海量数据的高速传输难题。

附图说明

图1是本发明实施例金属管道漏磁检测系统框图；

图2是图1中检测单元系统构图；

图3是传感器设置示意图；

图4是异步串行电流通讯帧结构示意图；

图5是多块检测单元并行布置示意图；

图6是数据采集处理单元结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的金属管道漏磁检测装置及高速数据传输方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的金属管道漏磁检测装置及高速数据传输方法，其基于金属磁记忆原理，能够灵活适应被检测金属管道外形，并便于后续处理，同时通过多路并行同步采样信号以及异步串行电流传输实现金属管道的高效检测。

如图1所示，作为一种可实施方式，本发明实施例的金属管道漏磁信号封闭式检测装置，包括检测单元1，以及数据采集处理单元2，其中：

所述检测单元1，设置为具有凹型前端的印刷电路板，用于通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器对所述金属管道进行漏磁信号感测，通过CPLD控制高速A/D进行多路信号高速采样，经过对采集信号的归一化处理后，通过D/A转换器和V/I转换器，把采样得到的多路漏磁信号，以三线制4-20mA变送形式，串行顺序地传输给数据采集处理单元2。

多个所述检测单元1，平行、等间距放置、提离高度固定，并行工作，确保前后两次检测的移动距离恒定、已知，并保证检测端面垂直于被检测管道表面，使检测结果具有可比对性，使定量化分析结果可靠；

所述检测单元1，如图2-5所示，采用CPLD对多路传感器输出结果进行同步采样，采样结果采用基于电流变送的异步通信方法进行顺序传送，有效地解决了海量数据的高速传输难题。

所述数据采集处理单元2，用于同步采集多个检测单元1以电流形式串行传送的电流信号，整理后以串行电位传送方式(SPI通信方式)传送给移动信息处理单元，作后期的故障诊断和安全预警。

下面详细说明本发明实施例的检测单元1。

如图2-5所示，本发明实施例的检测单元1，基于金属磁记忆原理，即处于地磁场环境中的铁磁材料由于载荷作用会在应力集中区产生自有漏磁场，在此前提下，依据被检测金属管道外形尺寸，本发明实施例的检测单元1，设置具有凹型前端的印刷电路板，所述印刷电路板包围所述金属管道被检测表面；所述印刷电路板的两面封闭式布置多路磁阻传感器；所述磁阻传感器用于感测所述金属管道的多路漏磁传感信号，采样处理后传输给数据采集处理单元2。

较佳地，如图3、图4所示，为了使磁阻传感器最大程度感测金属管道缺陷的漏磁信号，便于漏磁信号的梯度值计算，保证提离高度的恒定和信号特征的可比对性，本发明实施例中，作为一种可实施方式，所述多个检测单元1的印刷线路板为相同尺寸，采用平行、等间距放置，提离高度相同，并与所述金属管道始终保持垂直，以并行采样工作方式进行漏磁信号的感测。

较佳地，作为一种可实施方式，所述印刷电路板上还设置放大器，用于将磁阻传感器输入的磁阻传感信号放大，便于之后的采样处理。

较佳地，作为一种可实施方式，所述印刷电路板包括多路信号并行采样单元，用于对所述检测单元1中的多路漏磁信号进行高速并行采样。

较佳地，作为一种可实施方式，本发明实施中，所述检测单元1，还包括第一数据传输单元，所述采样处理后的多路磁阻传感信号以一路三线制4-20mA电流信号形式，异步串行传送至数据采集处理单元2。

作为一种可实施方式，所述检测单元1，如图2-3所示，设置具有凹型前端的印刷电路板，所述印刷电路板上设置多路磁阻传感器12，多路与磁阻传感器12相应的放大器13和多路(即多通道)ADC芯片14，以及相应的主控单元15、DAC芯片16和电压电流转换单元17；

其中，所述ADC芯片14，主控单元15，为多路信号并行采样单元的组成部分；所述DAC芯片16和电压电流转换单元17为数据传输单元的组成部分。

较佳地，作为一种可实施方式，所述磁阻传感器12为HMC1021Z型磁阻传感器，其内部为磁敏材料构成的电桥，两路差分输出磁阻传感信号。

较佳地，作为一种可实施方式，所述放大器13为高输入阻抗AD623型放大器，其将磁阻传感器差分输入的磁阻传感信号放大约200倍，便于之后的ADC采样。其通过放大器基准电压的调节，将输出信号整体抬高2.5伏，确保漏磁信号变化处于0至5伏范围内；

作为一种可实施方式，本发明实施例中，构建多路信号并行采样单元，实现金属管道(水冷壁管道)多路漏磁信号的高速并行采样与重构。本发明实施例的多路信号并行采样单元，包括CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)器件和高速ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)以及DAC(digital-to-analog converter，数模转换器)

较佳地，本发明实施例的ADC芯片14为针对多路采样具有采样、保持功能的高速ADC芯片AD7927，用于对放大器13输出的多路磁阻传感信号进行采样，采集得到多路采样磁阻传感数据；

较佳地，作为一种可实施方式，所述主控单元15为EPM1270T144C5型CPLD(ComplexProgrammable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)，用于在ADC芯片14进行多路信号采集后，将多路采样数据进行归一化处理以后，输出给DAC芯片16，并控制DAC芯片16工作；

较佳地，作为一种可实施方式，本发明实施例的DAC芯片16为高速环流型LTC2624芯片，运用CPLD器件驱动高速环流型DAC芯片LTC2624，用于将归一化处理重构后的多路采样磁阻传感数据以电压形式输出到电压电流转换单元17；

较佳地，作为一种可实施方式，所述电压电流转换单元17包括电压跟随器和电压/电流转换芯片AM462，用于将DAC芯片LTC2624顺序输出的多路电压信号按比例顺序转换为4-20mA标准电流信号顺序串行远传。

电压电流转换单元17首先将DAC芯片输出电压信号接入电压跟随器，以保证信号正确性，随后按比例关系将0-5V范围内输入电压转换为4-20mA范围内电流输出，以一路三线制式异步串行电流传送方式，顺序传输到数据采集处理单元2。

更佳地，本发明实施例的检测单元1，作为一种可实施方式，还包括第一电源单元18，由LM1085系列和LM1117系列DC/DC芯片构成，正12伏输入，分别输出正3.3伏以及正5伏供给检测单元1的印刷电路板使用。

更佳地，本发明实施例的检测单元1的印刷电路板，还设置有置复位单元11，所述置复位单元11包括IRF7106型MOS管，用于对磁阻传感器实施大电流脉冲置复位操作。

为了消除日常环境中磁场对传感器灵敏度的影响，使其处于最佳状况中，每次在实施测量之前，在电源上电的时刻，由IRF7106型MOS管等器件搭建的置复位单元11，对磁阻传感器实施大电流脉冲置复位操作。

下面详细说明本发明实施例的数据采集处理单元2。

如图6所示，本发明实施例的数据采集处理单元2，用于并行采集多块检测单元1串行传送的电流信号。

较佳地，作为一种可实施方式，本发明实施例的数据采集处理单元2，包括多路并行工作的ADC器件21和设计有SPI接口的CPLD控制器28；

其中，所述ADC器件21，用于采样多个检测单元1以串行方式传输来的多路电流信号。

所述CPLD控制器28，用于将ADC采样得到的多路传感信号，以SPI(Serial Peripheralinterface，高速同步串行口)串行方式传输给后续故障诊断和安全预警模块

本发明实施例的数据采集处理单元2中的CPLD控制器28控制多路高速ADC并行地以5倍于异步串行传送电流频率的采样频率，对异步串行传送电流信号采样，将其还原为数字信号。

本发明实施例中，与数据采集处理单元2相连的移动数据处理单元，计算所述多路漏磁信号的信号特征，诊断所述金属管道的缺陷，可以是任何一种带SPI接口的嵌入式设备，因此，在本发明实施例中，不再一一详细描述。

相应地，本发明还提供一种金属管道漏磁检测的数据高速传输方法，包括如下步骤：

步骤S100检测单元1设置具有凹型前端的印刷电路板，通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器对所述金属管道进行漏磁信号感测，通过CPLD控制高速A/D进行多路信号高速采样，通过D/A转换器和V/I转换器，把采样得到的多路漏磁信号，以三线制4-20mA变送形式，顺序地传输给数据采集处理单元2；

较佳地，所述步骤S100中，设置具有凹型前端的印刷电路板，通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器，包括如下步骤：

步骤S110，设置具有凹型前端的印刷电路板，所述印刷电路板包围所述金属管道被检测表面；所述印刷电路板设置的多路磁阻传感器直接焊接于印刷电路板前端正反面两侧，且多路传感器之间排放位置相切或者相交，由此构成封闭式检测环境。

下面进一步详细说明本发明实施例的凹形前端印刷电路板中漏磁传感器的设置过程。

在多种金属管道缺陷的漏磁检测方法中，基于金属磁记忆原理的方法具有先天的优势与便利，然而在工业现场实际测量中，往往存在诸多问题。例如在金属管道(水冷壁管道)工作过程中，缺陷可能发生在任意位置，必须对其进行全面检查，这样所带来的工作量是十分巨大的，采用传统单路检测方法，效率低下，用时过长。简单的采用多个单路并行工作，又会出现难以归一化，接线方式复杂等诸多问题。

针对以上情况，较佳地，作为一种可实施方式，本发明实施例中，根据具体金属管道(水冷壁管道)的外形及尺寸，本发明实施例的感测漏磁信号的印刷电路板设置为具有凹形前端的印刷电路板。

所述印刷电路板设置的多路磁阻传感器直接焊接于印刷电路板前端正反面两侧，且多路传感器之间排放位置相切或者相交，由此构成封闭式检测环境，彻底解决检测效率低下的问题。

在检测过程中，较佳地，所述印刷电路板的多路磁阻传感器始终与水冷壁管道保持垂直，以达到最大程度捕获水冷壁管道自有漏磁信号的目的，同时多路磁阻传感器快速并行工作，实现水冷壁高效全面检查。

更佳地，所述印刷电路板的多路磁阻传感器的设置方法为：1)令n与N相除，得到计算结果商为Q，余数为C；2)若整除无余数，即C为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚磁阻传感器，且相邻两枚传感器相交无重叠，构成封闭式检测环境；3)若余数C不为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚传感器，但正反两面相邻传感器有重叠部分，重叠部分所对应圆心角度值为C与Q-1进行除法操作的结果，由此同样可构成封闭式检测环境。

其中，n为被测金属管道的弧长所对应圆心角度数，N为磁阻传感器所对应的圆心角度值N。

在一般情况下，构成金属管道(水冷壁管道)所使用管材已知，即水冷壁管道半径已知，记为r；作为一种可实施方式，所述金属管道的水冷壁在整体铺设时为水平排列时，金属管道的弧长可实际测得。设弧长为I；根据弧长公式(1)：

$I=\frac{\mathrm{n\πr}}{180}---\left(1\right)$

可计算得出n，即被测金属管道的弧长所对应的圆心角度数。

设磁阻传感器的长度为λ，摆放于凹形印刷电路板前端，保证与金属管道的水冷壁相切，此时可认为磁阻传感器为水冷壁上一条长度为λ的弦，其与两条半径组成等腰三角形。此三角形的顶角，即长度为λ的弦所对应的圆心角度数为N，根据余弦公式：

λ²＝r²+r²-2r²cosN                        (2)

计算得到cosN值，通过查表法，便可得到一枚磁阻传感器在被测圆弧相切位置所对应的圆心角度值N。

此时，根据先前得到的被测弧长所对应圆心角度数n，以及一枚磁阻传感器所对应的圆心角度值N，便可获知磁阻传感器摆放方法：1)令n与N相除，得到计算结果商为Q，余数为C；2)若整除无余数，即C为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚磁阻传感器，且相邻两枚传感器相交无重叠，构成封闭式检测环境；3)若余数C不为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚传感器，但正反两面相邻传感器有重叠部分，重叠部分所对应圆心角度值为C与Q-1进行除法操作的结果，由此同样可构成封闭式检测环境。

下面详细说明本发明实施例的多路磁阻传感器对所述金属管道采用固定检测步长进行漏磁信号测量的方法。

在实际金属材料的检测与预警中，作为判断缺陷以及应力集中依据的变量为金属材料自有漏磁场的梯度值。当实际测量梯度值超过之前由试验测得的缺陷阈值时，即判断缺陷存在，这就要求在测量金属表面漏磁场的同时获得传感器在空间上的准确移动距离信息，以便于计算出所测材料漏磁梯度值，进而评估金属管道(水冷壁管道)的工作状态。

作为一种可实施方式，本发明实施例设置具有同样功能、同样参数指标的两块或多块凹形前端印刷电路板分别作为主检测单元和协检测单元，在垂直于金属管道方向固定平行摆放，提离高度相同，凹形前端印刷电路板之间距离相同，且为一已知恒定值。主检测单元与协检测单元之间通过同步信号连接，保证主、协检测单元在时间域内同步工作，通过此方式，达到在同一时刻采集水冷壁管道上相距固定距离的两点的漏磁场信号的目的，间接地解决了难以精确获得空间上移动距离信息的难题，同时保证磁阻传感器始终与被测金属管道垂直，使其最大程度捕获漏磁信号，确保测量数据的可比对性。

所述步骤S100中，所述对多路漏磁传感信号采样得到的数据的输出过程，包括如下步骤：

步骤S120，将磁阻传感器输出的漏磁信号放大；

将漏磁信号放大约200倍，便于之后的ADC采样，通过放大器基准电压的调节，将输出信号整体抬高2.5伏，确保漏磁信号变化处于0至5伏范围内。

步骤S130，对所述同一检测单元上的多路漏磁信号进行高速并行采样并进行归一化重构处理；

步骤S140，将采样得到多路漏磁数据按顺序输出到DAC芯片16，并将其转换成0-5V电压信号，随后输入到电压电流转换芯片17，线性的将0-5V的电压信号，转换为4-20mA三线制异步串行电流信号。

步骤S200，数据采集处理单元2接收检测单元1以4-20mA电流方式顺序串行传输来的多路电流信号并由主控单元还原为多路漏磁传感信号；多路漏磁传感信号以SPI串行方式传输给所述移动数据处理单元；所述移动数据处理单元计算所述多路漏磁信号的信号特征，检测识别所述金属管道的缺陷。

下面进一步详细说明本发明实施例检测单元1实施异步串行电流传输多路数据的过程和数据采集处理单元2高速接收数据的过程。

由于使用了多路磁阻传感器并行工作技术，为了更好地保证多路检测结果在时间序列上的正确性，适用于多传感器阵列，本发明实施例的多路信号并行采样单元以CPLD器件配合高速ADC器件实现对多路传感器输出信号的采样工作，并根据预先对多路磁阻传感器的实际标定结果，对传感器采样值做相应的简单归一化处理。

在完成对多路磁阻传感器实施并行采样的工作后，为了安全高效地将有效结果送至数据采集处理单元2，在信号输出部分，考虑的问题如下：第一，检测单元1与数据采集处理单元2之间存在一定距离，简单的采用电压传输方式不可行。因工业现场环境复杂，信号衰减的程度也将随着距离的增加而线性增加。且实践证明，一般工业现场的主要干扰源为工业电力网，其对于电压信号有较大干扰。第二，由于检测单元1采用多路磁阻传感器并行工作方式，因此同一时刻对多路传感器输出实施采样，将采样结果转换为数字信号，采用诸如RS-485、RS-232等异步电压通讯协议进行信号传输，则需传送的数据量庞大，波特率将远远高于工业现场所普遍采用的9.6Kps，势必出现例如位丢失、位错误等不稳定因素。针对以上问题，结合实际工业现场情况，本发明实施例采用三线制异步串行电流通讯协议，将经过简单处理的多路采样结果，利用高速环流型DAC以电压方式输出，通过电压电流转换单元，将其转换为符合驱动要求的4-20mA标准电流信号进行传输。

值得注意的是，与传统意义上的4-20mA工业电流信号不同，本发明中，电流信号虽采用标准信号制，但不再只表示一路信号变化，而是将多路采样结果以及若干同步位调制在一帧电流信号中，通过一帧数据中的同步位达到上位机与下位机之间的同步操作，以指定时间点上的电流信号表示指定传感器的输出结果，从而达到安全高效传输多路采样结果的目的。电流信号的传送相比电压信号，更加安全可靠，且不必担心由于线缆电阻特性变化而引起信号传输错误。同时，本发明实施例的异步电流通讯协议大大降低了通讯数据量。

若采用RS-485、RS-232等通讯协议进行数据传输，并行工作磁阻传感器路数为Q，ADC采样精度为B位，采样频率为MHz，S位同步位。则一秒内产生的数据量T可由以下公式得到：

T＝(Q*B+S)*M                 (3)

设5路磁阻传感器并行工作，12位ADC采样精度，5毫秒采样一次。则根据式(3)，可算出T为12016bits。远远大于工业现场普遍采用的9.6Kbs。

如采用本发明实施例的传输单元的异步串行电流传输协议，则一秒内产生的数据量可由以下公式算出：

T＝(Q+S)*M                       (4)

取S等于3，设5路传感器并行工作，5毫秒采样一次。根据式(4)，可算出T为1000bits，远远小于之前采用RS-485、RS-232方法时的数据量，几乎为之前的十分之一。

进而可以计算出ADC采样率M与异步串行电流信号频率F之间的关系：

F≥(Q+S)*M                             (5)

经实验测试，在目前装置下，电流信号频率可稳定于6KHz左右。

考虑到数据处理问题，以及后期提供人机接口功能，本发明并没有简单的将多路漏磁数据存贮，以完成离线分析，较佳地，本发明实施例将数据采集处理单元2采集到的多路漏磁数据实施数据重构，随后以SPI方式将重构后的数据高速输出，在后续终端中实现漏磁数据的在线处理或离线处理，以评估金属管道水冷壁运行状况。

作为一种可实施方式，本发明实施例通过SPI总线传输的数据帧包括用以区分数据来自于不同检测单元1的3位标志位以及多路漏磁信号数据，则SPI频率f可通过如下公式获得：

f＝2M*(Q*B+S)                             (6)

本发明实施例的金属管道漏磁检测装置及高速数据传输方法，解决了由于前后两次检测之间移动距离不可测或存在较大误差的问题，使得后期定量化分析成为可能，进一步地，提出了基于电流串行方式传送的异步通讯方法，有效解决了实际应用中的多路高速漏磁数据传输问题。

参阅图3，为本发明一详细具体实施例，设金属管道直径为36mm，管道半径r为18mm。经测量，被测管道弧长I为50.2mm。则根据弧长公式(1)，可计算得到，被测弧所对应的圆心角n，约为160°。传感器长λ为10mm，由于管道半径已知，故可根据公式(2)，计算得到CosN为0.845，通过查询余弦表得角度N为32°，即5路传感器刚好可实现对被测管道，构成封闭式检测环境。如图3所示，传感器1、3、5号在电路板的正面，而传感器2、4号在反面。

在金属管道缺陷识别与应力集中区的预警过程中，作为评价依据的指标为金属漏磁信号的梯度值，且由于漏磁信号大多较微弱，因此如何准确的获得检测过程中位移量的详细信息至关重要。因此较佳地，本发明采用如图5所示的结构，以上下平行摆放的方式，将两块(或多块)检测电路平行的摆放在垂直于被测管道的方向上。即每次检测的步长固定，通过此种方式成功的解决了难以测量位移量的问题。

在采集数据的变送传输过程中，如图4所示，异步串行电流通讯方式，在一帧数据中，通过帧头的三位同步位实现上下位机之间的同步操作，随后为4-20mA的n路漏磁数据，有效数据传输完成后，电流信号变为4mA。当下一帧数据开始后，依然以三位同步位加n位数据位的方式传输。本例中，因采用5路传感器并行工作，即Q值为5，且5mS采样一次，即采样率为200Hz，根据公式(5)，可计算得出，串行电流变化频率为1.6KHz。

本发明实施例的数据采集处理单元2，如图6所示，包括多路并行工作ADC器件21，在CPLD控制器28中构建ADC控制器22；双口RAM23，微控制器24，FIFO25，SPI控制器26

所述的ADC器件21为ADS7841，以5倍于异步串行电流通讯信号频率的采样率并行工作，实现多块同步工作检测电路所输出的异步串行电流信号的采集工作。在CPLD器件内部，本发明实施例通过ADC控制器22，实现对多路ADC器件的控制，完成诸如控制字的写入，数据的传输。双口RAM23，端口一方面与ADC控制器22连接，实现采样原始数据存贮。另一方面与微控制器(MCU)24连接，在MCU内部完成对来自于多块检测单元1的原始数据的简单处理。

随后将处理结果打入FIFO25，以方便调用。在CPLD控制器28内部，最后由SPI控制器26，将处理过的数据，按照既定顺序，以SPI传输协议发送出。在本发明实施例中，由于采用5路传感器并行工作的方式，即Q为5。ADC采样精度B为12，则可根据公式(6)，计算得到SPI信号的频率，大约为2.5MHz。

较佳地，所述数据采集处理单元2，还包括第二供电单元27，与检测单元1相同，同样采用LM1085和LM 1117系列DC/DC芯片完成整体系统的供电保障。

最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (9)

1.一种金属管道漏磁信号封闭式检测装置，其特征在于，包括检测单元，以及数据采集处理单元，其中：

所述检测单元，设置为具有凹型前端的印刷电路板，用于通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器对所述金属管道进行漏磁信号感测，通过CPLD控制高速A/D进行多路信号并行高速采样，通过D/A转换器和V/I转换器，把采样得到的多路漏磁信号，以三线制4-20mA变送形式，顺序地传输给数据采集处理单元。

2.根据权利要求1所述的金属管道漏磁检测系统，其特征在于，所述检测单元采用固定检测步长的方法进行漏磁感测；

在所述检测单元采用固定检测步长的方法进行漏磁感测时，所述检测单元的印刷电路板为多块相同尺寸的印刷电路板；多个检测单元等间距、平行放置，且与管道表面等距离，与管道表面垂直，保证每次测量的移动距离就是两个相邻检测单元之间的距离，构成一个封闭式检测装置。

3.根据权利要求1至2所述的金属管道漏磁信号封闭式检测装置，其特征在于，所述印刷电路板设置多路磁阻传感器，多路与磁阻传感器相应的放大器和多路ADC芯片，以及相应的主控单元、DAC芯片和电压电流转换单元；

所述主控单元在控制ADC芯片进行多路信号采集后，将多路采样数据经归一化处理后，顺序输出至DAC芯片，并控制DAC芯片工作；

DAC芯片将多路采样数据以电压形式顺序输出至电压电流转换单元；

所述电压电流转换单元将多路采样数据对应的电压信号转换为电流信号。

4.根据权利要求1至2所述的金属管道漏磁信号封闭式检测装置，其特征在于，所述数据采集处理单元，包括多路高速并行工作的ADC器件，第二传输单元和移动数据处理单元；

其中，所述ADC器件，用于采样多个检测单元以电流方式顺序传输来的多路电流信号，主控单元将其还原为多路漏磁传感信号；

所述第二传输单元，用于将ADC采样得到的多路漏磁传感信号，以SPI串行方式传输给所述移动数据处理单元；

所述移动数据处理单元，为嵌入式微处理器系统，用于根据第二传输单元传输来的多路漏磁传感信号，计算所述多路漏磁信号的信号特征，诊断所述金属管道的缺陷。

5.一种金属管道漏磁检测的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板设置多路磁阻传感器，多路与磁阻传感器相应的放大器和多路ADC芯片，以及相应的主控单元、DAC芯片和电压电流转换单元；

所述多路磁阻传感器，用于对所述金属管道进行漏磁信号梯度测量感测得到多路漏磁传感信号；

所述放大器，用于将磁阻传感器输入的磁阻传感信号放大；

其中，所述ADC芯片，主控单元，DAC芯片为多路信号并行采样单元的组成部分；所述电压电流转换单元为传输单元的组成部分；

所述多路信号并行采样单元，用于对所述金属管道进行多路漏磁信号的高速并行采样；

所述传输单元，所述采样处理后的磁阻传感数据信号以一路三线制式异步串行电流通讯方式，以一路三线制4-20mA电流信号形式将所述多路信号并行采样单元处理后的多路漏磁传感数据信号转换并输送至所述数据采集处理单元。

6.根据权利要求5所述的金属管道漏磁检测的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板为具有凹型前端的印刷电路板；

所述印刷电路板为两块及以上相同尺寸的印刷电路板；所述两块及以上印刷电路板按设定距离垂直方向平行等间距放置，并与被测所述金属管道始终保持垂直。

7.一种金属管道漏磁检测的数据高速传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100，检测单元设置具有凹型前端的印刷电路板，通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器对所述金属管道进行漏磁信号感测，通过CPLD控制高速A/D进行多路信号高速采样，通过D/A转换器和V/I转换器，把采样得到的多路漏磁信号，以三线制4-20mA变送形式，顺序地传输给数据采集处理单元。

步骤S200，数据采集处理单元接收多块检测单元以4-20mA电流形式顺序串行传输来的多路电流信号并还原为多路漏磁传感信号；多路漏磁传感信号以SPI串行方式传输给所述移动数据处理单元；所述移动数据处理单元计算所述多路漏磁信号的信号特征，诊断所述金属管道的缺陷。

8.根据权利要求7所述的金属管道漏磁的数据高速传输方法，其特征在于，所述步骤S100中，设置具有凹型前端的印刷电路板，通过设置于所述印刷电路板两面封闭式布置的多路磁阻传感器，包括如下步骤：

步骤S110，设置具有凹型前端的印刷电路板，所述印刷电路板包围所述金属管道被检测表面；所述印刷电路板设置的多路磁阻传感器直接焊接于印刷电路板前端正反面两侧，且多路传感器之间排放位置相切或者相交，由此构成封闭式检测环境；

所述印刷电路板的多路磁阻传感器始终与水冷壁管道保持垂直，对所述金属管道采用固定检测步长的方法，同时多路磁阻传感器快速并行工作。

9.根据权利要求8所述的金属管道漏磁的数据高速传输方法，其特征在于，所述印刷电路板的多路磁阻传感器的设置方法为：

1)令n与N相除，得到计算结果商为Q，余数为C；

2)若整除无余数，即C为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚磁阻传感器，且相邻两枚传感器相交无重叠，构成封闭式检测环境；

3)若余数C不为零，则在凹形电路板前端正反两面交替摆放Q枚传感器，但正反两面相邻传感器有重叠部分，重叠部分所对应圆心角度值为C与Q-1进行除法操作的结果，由此同样可构成封闭式检测环境；

其中，n为被测金属管道的弧长所对应圆心角度数，N为磁阻传感器所对应的圆心角度值N。

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