CN110030498A - 一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，包括霍尔效应传感器系统、运算放大器系统、多路开关、探头支架系统。可同时实现对缺陷轴向、径向和周向磁场信号的采集，利用径向和周向磁场信息作为轴向磁场的补偿。实现对缺陷磁场信号的全面检测和识别，提高对缺陷的检测能力和检测精度，并可有效避免由于漏检和误判带来的管道安全隐患。

Description

一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统

技术领域

本发明属于油气集输技术领域，涉及一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场补偿系统。

背景技术

油气管道在油气能源运输中发挥着关键作用，为了保证管道安全运行，应该定期为管道进行检测，管道漏磁内检测技术是目前普遍使用的检测技术，相对于其它检测技术来说，漏磁检测技术不需要耦合剂，受外界干扰小，检测速度快，适合大面积、长距离的管道快速检测。

管道漏磁内检测系统应用漏磁检测原理，以管内所输送介质为动力，对管道进行无损检测，可完成管道缺陷、管壁变化、管壁材质变化、缺陷内外分辨、管道特征识别的检测，可提供缺陷面积、程度、方位、位置等全面信息，为管道运行、维护、安全评价提供科学依据。

漏磁内检测器采用轴向励磁方式，是目前已投入运营的国内外管道内检测器最常采用的漏磁内检测技术，利用铁磁性管道的管壁外加磁场磁化后，在管道中建立沿管道轴向分布的磁场，通过探头对管壁进行检测，当这部分管壁没有缺陷时，磁力线或磁通密度矢量将完全从管壁中穿过，当这部分管壁有缺陷时，磁力线或磁通密度矢量在缺陷处将发生改变形成漏磁场，通过传感器检测管壁缺陷处漏磁场的大小，测量出漏磁通数据，得到管壁缺陷附近的漏磁场的漏磁信号，进而可以得到管道管壁的状况。

但这种方法只能提供轴向磁场的单一信息，不能实现对管道缺陷的完整检测，而且由于管道内部承受的周向应力大约是轴向应力的两倍，轴向缺陷对于石油和天然气管道而言比周向缺陷更具有危害性；此外，随着管线钢等级变高，管线压力变大，新管线更多采用直焊缝管及无缝管等因素，这就大大的增加了新管线的风险。因此，迫切需要提高管道漏磁内检测装置的检测能力，实现对管道缺陷的完整检测，保证管道安全运行。

发明内容

本发明提供一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿方法，实现对缺陷磁场信号的全面检测和识别，可提高对缺陷的检测能力和检测精度，并可有效避免由于漏检和误判带来的管道安全隐患。

本发明按以下技术方案实现：

一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，包括霍尔效应传感器系统、运算放大器系统、多路开关、探头支架系统；所述霍尔效应传感器系统与运算放大器系统相连，运算放大器系统与多路开关相连，共同组成三轴探头，三轴探头焊接在电路板上，将电路板固定到探头支架系统上，通过三轴探头实现用周向磁场、径向磁场对轴向磁场的补偿。

进一步，所述霍尔效应传感器系统包括12个霍尔效应传感器和SIP；所述12个霍尔效应传感器分为4组，每组的3个霍尔效应传感器分3个方向焊接在电路板上，对于轴对称管道，采用柱坐标系统，3个矢量部分分别为轴向、周向和径向，分别与3个霍尔效应传感器方向相对应，3个霍尔效应传感器分别从左到右排列，左侧为检测轴向磁场的霍尔效应传感器，中间为检测径向磁场的霍尔效应传感器，右侧为检测周向磁场的霍尔效应传感器。

进一步，每组霍尔效应传感器都有3个输出端口，分别为X、Y、Z输出端口，另有1个VCC端口、1个GND端口，共5个端口，4组霍尔效应传感器共20个端口，将20个端口通过SIP从上到下紧密排列放置于电路板的右侧。

进一步，所述霍尔效应传感器采用SS495型芯片。

进一步，所述运算放大器系统以SIP中霍尔效应传感器的输出信号作为输入，运算放大器采用LTC2052芯片，每个芯片接入SIP中霍尔效应传感器的4个输出端作为输入端，共用3个LTC2052芯片，共12个输出端口。

进一步，所述多路开关包括8通道模拟多路选择器74HC4051芯片，将运算放大器系统的12个输出信号接入多路选择器的输入端，共用2个74HC4051芯片，再通过一个输出端口进行集中输出。

进一步，所述探头支架系统包括探头盒和探头支架，所述电路板固定在探头盒中，所述探头盒固定在探头支架上。

进一步，所述探头支架采用菱形结构，探头支架上端设有与探头盒相对应的装配孔，用螺丝通过探头盒的装配孔与探头支架的装配孔固定，探头支架下端与上端平行方向的外侧设有用于固定探头支架的安装孔，与探头相近的探头支架内锐角用内圆角代替。

进一步，所述探头支架下端设有导线固定孔，所述探头盒上设有输出信号线引出孔，电路板放置于探头盒中，并用一根导线将多路开关的输出信号通过信号线引出孔引出，导线通过导线固定孔引出，在探头支架内的导线成紧绷状态。

进一步，所述探头盒采用陶瓷材料，探头支架采用绝缘纸材料。

本发明有益效果：

与前述传统漏磁内检测方法相比，可以同时记录泄漏磁力线、磁通密度矢量等的三维分量，实现对轴向裂纹的有效检测，实现管道缺陷全面覆盖，提高了对管道缺陷的检测水平，达到了用周向磁场、径向磁场对轴向磁场的补偿效果。且本发明实施难度相对较小，相应成本也更为低廉。

附图说明

图1是管壁无缺陷时管道漏磁三轴检测图；

图2是管壁有缺陷时管道漏磁三轴检测图；

图3是三轴高清探头结构示意图；

图4是探头PCB图；

图5是传感器系统电路图；

图6是探头支架系统示意图。

1-轭铁、2-永磁铁（上端N极，下端S极）、3-永磁铁（上端S极，下端N极）、4-刚刷、5-三轴探头轴向分量、6-三轴探头径向分量、7-三轴探头周向分量、8-管壁、9-磁力线、10-缺陷、11-漏磁通、12-运算放大器、13-多路开关、14-探头盒、15-探头支架、16-螺丝、17-安装孔、18-导线固定孔、19-内圆角。具体实施方案

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明包括霍尔效应传感器系统、运算放大器系统、多路开关13和探头支架系统。霍尔效应传感器系统可以同时采集泄漏磁力线、磁通密度矢量等的三维分量，运算放大系统将霍尔效应传感器系统的输出信号进行放大至可存储和处理的信号，多路开关13将运算放大系统的输出信号进行集中输出，探头支架系统将三轴探头固定。一是采用磁敏原件，将缺陷漏磁场转化为感应电信号，本发明采用霍尔效应传感器，霍尔电势直接反映磁感应强度的大小，输出电势与检测元件相对于磁场的运动速度无关，故霍尔元件不会受到管道检测的非匀速性的影响，并有较好的经济性和实用性。二是采用运算放大器12，传感器的输出信号微弱，应进行信号放大处理。三是采用多路开关13，每个霍尔元件输出信号经运算放大器12放大后，其输出线路过多，多路开关13将输出信号进行集中输出。四是采用探头支架系统，探头支架系统将三轴探头固定。解决了管道内检测轴向励磁方式只能检测单一方向信息的问题，实现对轴向磁场的补偿。

运算放大器系统中的运算放大器12采用LTC2052芯片，每个芯片可接入SIP中霍尔效应传感器的4个输出端作为输入端，在各个电阻的共同作用下进行信号的放大作用，共用3个LTC2052芯片，共12个输出端口，将此12个输出端口接入多路开关，经多路开关后，通过一个输出端口进行集中输出。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是管壁无缺陷时管道漏磁三轴检测图，其中轭铁1设置在永磁铁Ⅰ2（上端N极，下端S极）和永磁铁Ⅱ3（上端S极，下端N极），在永磁铁Ⅰ2和永磁铁Ⅱ3下设有钢刷4，三轴探头设置在永磁铁Ⅰ2和永磁铁Ⅱ3之间，其中，三轴探头轴向分量5、三轴探头径向分量6、三轴探头周向分量7如图所示，当管壁8没有缺陷时，磁力线9平行且均匀的在管壁8表面穿过，而所有磁力线9均被束缚在管壁8内部，不会有泄露。

图2是管壁有缺陷时管道漏磁三轴检测图，其中轭铁1设置在永磁铁Ⅰ2（上端N极，下端S极）和永磁铁Ⅱ3（上端S极，下端N极），在永磁铁Ⅰ2和永磁铁Ⅱ3下设有钢刷4，三轴探头设置在永磁铁Ⅰ2和永磁铁Ⅱ3之间，其中，三轴探头轴向分量5、三轴探头径向分量6、三轴探头周向分量7如图所示，当磁力线9在缺陷10处发生弯曲，有部分会泄露到管壁8外部，从而在管壁8的缺陷10附近形成漏磁场。通过三轴正交传感器检测管壁缺陷处漏磁场的大小，分别测量出轴向、周向和径向的漏磁通11数据，用来确定三维漏磁场矢量，从而对轴向磁场进行补偿，提高对缺陷的检测精度。

图3是三轴探头结构示意图，霍尔效应传感器系统与运算放大器系统相连，运算放大器系统与多路开关13相连，共同组成三轴探头。霍尔效应传感器系统包括用于将变化的磁场转化为变化的输出电压的霍尔效应传感器、用于将霍尔效应传感器输出端口集成在一起的SIP，每三个霍尔效应传感器分三个方向焊接在电路板上，对于轴对称管道，采用柱坐标系统，三个矢量部分分别为轴向、周向和径向，分别与三个传感器方向相对应。

霍尔传感器磁场方向为a、d、g、j水平向右，为X通道，b、e、h、k垂直纸面向外，为Y通道，c、f、i、l竖直向下，为Z通道。每X、Y、Z三个通道构成一组，由12个霍尔传感器将信号通过通道a～l传递给运算放大器，再经多路开关后，将信号集中输出。

图4是探头PCB图，每组三个霍尔效应传感器分别从左到右排列，左侧为检测轴向磁场的霍尔效应传感器，中间为检测径向磁场的霍尔效应传感器，右侧为检测周向磁场的霍尔效应传感器，共设置四组，每组从上到下排列，共12个霍尔效应传感器。四组霍尔效应传感器共20个端口，将20个端口通过SIP从上到下紧密排列放置于电路板的右侧。SIP与位于中间位置从上到下排列放置的3个运算放大器相连，运算放大器与多路开关相连，其中各部分紧密排放，总体空间尽量减小，将其置于探头盒中。

图5是传感器系统电路图，右侧为12个霍尔效应传感器SS495型芯片，每个霍尔效应传感器有3个引脚，一为VCC引脚，一为GND引脚，一为输出引脚，每组有三个输出引脚X、Y、Z，将X、Y、Z引脚、VCC、GND分别与左侧SIP相连，4组霍尔效应传感器共需20个端口。为了端口的牢固性，使用40个端口，采用2列20个端口从上到下排列的方式。

图6是探头支架系统示意图，探头支架系统包括探头盒14和探头支架15，电路板固定在探头盒14中，探头盒14固定在探头支架15上。

探头支架15采用菱形结构，并将安装探头盒14一侧的一个外侧棱角切除，能有效减少其尖端碰撞所带来的问题。探头支架15上端设有与探头盒14相对应的装配孔，用螺丝通过探头盒14的装配孔与探头支架15的装配孔固定，探头支架15下端与上端平行方向的外侧设有用于固定探头支架15的安装孔17，与探头相近的探头支架15内锐角用内圆角19代替，可防止检测时探头变形，引起探头支架15应力过大而造成损害，

探头支架15下端设有导线固定孔18，探头盒14上设有输出信号线引出孔，电路板放置于探头盒14中，并用一根导线将多路开关13的输出信号通过信号线引出孔引出，导线通过导线固定孔18引出，在探头支架15内的导线成紧绷状态，可防止在检测过程中的刮擦问题。探头盒14采用陶瓷材料制作，即使被测表面粗糙也有很好的耐磨性，探头支架15采用绝缘纸材料，有良好的绝缘性和机械强度，有效避免因碰撞而带来的损伤问题。

综上可得，与前述传统漏磁内检测方法相比，可以同时记录泄漏磁力线、磁通密度矢量等的三维分量，实现对轴向裂纹的有效检测，实现管道缺陷全面覆盖，提高了对管道缺陷的检测水平，达到了用周向磁场、径向磁场对轴向磁场的补偿效果。且本发明实施难度相对较小，相应成本也更为低廉。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：包括霍尔效应传感器系统、运算放大器系统、多路开关、探头支架系统；

所述霍尔效应传感器系统与运算放大器系统相连，运算放大器系统与多路开关相连，共同组成三轴探头，三轴探头焊接在电路板上，将电路板固定到探头支架系统上，通过三轴探头实现用周向磁场、径向磁场对轴向磁场的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述霍尔效应传感器系统包括12个霍尔效应传感器和SIP；

所述12个霍尔效应传感器分为4组，每组的3个霍尔效应传感器分3个方向焊接在电路板上，对于轴对称管道，采用柱坐标系统，3个矢量部分分别为轴向、周向和径向，分别与3个霍尔效应传感器方向相对应，3个霍尔效应传感器分别从左到右排列，左侧为检测轴向磁场的霍尔效应传感器，中间为检测径向磁场的霍尔效应传感器，右侧为检测周向磁场的霍尔效应传感器。

3.根据权利要求2所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：每组霍尔效应传感器都有3个输出端口，分别为X、Y、Z输出端口，另有1个VCC端口、1个GND端口，共5个端口，4组霍尔效应传感器共20个端口，将20个端口通过SIP从上到下紧密排列放置于电路板的右侧。

4.根据权利要求2所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述霍尔效应传感器采用SS495型芯片。

5.根据权利要求2所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述运算放大器系统以SIP中霍尔效应传感器的输出信号作为输入，运算放大器采用LTC2052芯片，每个芯片接入SIP中霍尔效应传感器的4个输出端作为输入端，共用3个LTC2052芯片，共12个输出端口。

6.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述多路开关包括8通道模拟多路选择器74HC4051芯片，将运算放大器系统的12个输出信号接入多路选择器的输入端，共用2个74HC4051芯片，再通过一个输出端口进行集中输出。

7.根据权利要求1所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述探头支架系统包括探头盒和探头支架，所述电路板固定在探头盒中，所述探头盒固定在探头支架上。

8.根据权利要求7所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述探头支架采用菱形结构，探头支架上端设有与探头盒相对应的装配孔，用螺丝通过探头盒的装配孔与探头支架的装配孔固定，探头支架下端与上端平行方向的外侧设有用于固定探头支架的安装孔，与探头相近的探头支架内锐角用内圆角代替。

9.根据权利要求8所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述探头支架下端设有导线固定孔，所述探头盒上设有输出信号线引出孔，电路板放置于探头盒中，并用一根导线将多路开关的输出信号通过信号线引出孔引出，导线通过导线固定孔引出，在探头支架内的导线成紧绷状态。

10.根据权利要求7所述的一种用于铁磁性管道缺陷内检测的轴向磁场信号补偿系统，其特征在于：所述探头盒采用陶瓷材料，探头支架采用绝缘纸材料。