CN112730597B - 一种并行管道非接触谐波磁场诊断方法及室内实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并行管道非接触谐波磁场诊断方法及室内实验系统，包括：实验系统框架(1)、并行管道系统(2)、加载模块(3)和检测模块(4)。通过调整并行干扰管道(10)与待测目标管道(8)之间距离、加载模块(3)对待测目标管道(8)所施加的载荷，可模拟待测目标管道(8)真实工况；谐波电源(18)将谐波信号加载至谐波磁场激励阵列线圈(35)，从而向待测目标管道(8)发射低频载高频的谐波电磁场，通过采集和处理待测目标管道(8)的反射回波信号，即可得到待测目标管道(8)损伤状态。该谐波磁场诊断方法及实验系统可实现管道不同并行距离下、不同检测高度时管道损伤地面不开挖诊断。
Description
技术领域
本发明属于管道损伤检测领域，具体涉及一种并行管道非接触谐波磁场诊断方法及室内实验系统，同时可以模拟管道不同并行距离下、不同检测高度时管道损伤地面不开挖诊断，并具有结构简单、调节方便、检测精度高，检测时间短，检测成本低的优点，提高管道检测效率
背景技术
针对管体损伤的外检测技术主要有TEM瞬变电磁法、德国NoPig多频谐波电流法、俄罗斯MTM磁力检测技术，TEM和NoPig检测技术存在仪器笨重、操作复杂、效率低、精度差、漏检率高等缺点，且只能实现壁厚减薄检测；MTM检测技术由于检测的是管道本身的磁场，导致其抗干扰能力较差。因此，为解决并行工况下的管道损伤非开挖检测，提出一种并行工况下管道损伤非接触谐波磁场诊断方法及室内实验系统。其优点在于：采用以低频载高频的谐波激励信号，基于叠加定理设计了谐波磁场激励阵列线圈结构，可实现大埋深钢质管道全壁厚损伤检测。
发明内容
为解决现有检测设备及方法存在的缺陷和不足，本发明提出了一种并行管道非接触谐波磁场诊断方法及室内实验系统，本发明包括：实验系统框架(1)、并行管道系统(2)、加载模块(3)和检测模块(4)；
实验系统框架(1)包括安装支架(5)、管道滑动支架(6)和角件(7)，用于安装并行管道系统(2)、检测导轨台(16)和单杆活塞式双作用液压缸(12)；
并行管道系统(2)包括待测目标管道(8)、上管箍(9)、并行干扰管道(10)和下管箍(11)，用于模拟不同并行距离的干扰工况；
加载模块(3)包括单杆活塞式双作用液压缸(12)、主油口A(12-1)、主油口B(12-2)、活塞杆(12-3)、液压缸-力传感器连接件(13)、拉压力传感器(14)和力传感器-管道连接件(15),用于向待测目标管道(8)施加拉力和压力的大小，模拟待测目标管道(8)实际运行时的受力状态；
检测模块(4)由检测导轨台(16)、阵列聚焦检测探头(17)、谐波电源(18)、数据采集显示系统(19)、壳体(20)和安装面板(21)组成，其中，检测导轨台(16)包括电机(22)、联轴器(23)、丝杠支撑座(24)、底板(25)、丝杠螺母(26)、导轨(27)、丝杠(28)、右支撑板(29)、上垫板(30)、丝杠螺母座(31)、方滑块(32)和左支撑板(33)，用以带动安装面板(21)沿待测目标管道(8)轴线移动以获取管道整体磁信号；阵列聚焦检测探头(17)包括绕线指引块(34)、谐波磁场激励阵列线圈(35)和三轴隧道磁阻传感器(36)，谐波磁场激励阵列线圈(35)对待测目标管道(8)发射低频载高频的谐波电磁波，并通过三轴隧道磁阻传感器(36)测量管道的反射回波信号；数据采集显示系统(19)包括数据采集卡(37)和工控机(38)，实现数据采集和磁场信号实时显示。
实验系统框架(1)用于安装并行管道系统(2)、检测导轨台(16)和单杆活塞式双作用液压缸(12)；安装支架(5)使用不同长度的铝型材搭建，分为上下两层，它们之间通过角件(7)连接；检测导轨台(16)固定在安装支架(5)的上层，并行管道系统(2)和单杆活塞式双作用液压缸(12)安装在管道滑动支架(6)上，管道滑动支架(6)可在安装支架(5)下层水平面内进行双向调整，它们之间通过螺栓连接。
并行干扰管道(10)两端和待测目标管道(8)一端通过螺栓连接安装在上管箍(9)和下管箍(11)之间，下管箍(11)通过螺栓连接固定在管道滑动支架(6)上，通过移动并行干扰管道(10)以构造不同的管道并行距离，从而模拟不同并行距离的干扰工况。
加载模块(3)采用拉压力传感器(14)测量加载模块(3)向待测目标管道(8)施加拉力和压力大小，用于模拟待测目标管道(8)实际运行时的受力状态，拉压力传感器(14)一端安装的液压缸-力传感器连接件(13)连接单杆活塞式双作用液压缸(12)，另一端安装有力传感器-管道连接件(15)连接待测目标管道(8)。
固定在壳体(20)内的谐波电源(18)可提供参数可调的高精度双频载波信号，谐波电源(18)与谐波磁场激励阵列线圈(35)相连接，谐波磁场激励阵列线圈(35)对待测目标管道(8)发射低频载高频的谐波电磁波，并通过三轴隧道磁阻传感器(36)测量管道的反射回波信号；三轴隧道磁阻传感器(36)与谐波磁场激励阵列线圈(35)均安装在安装面板(21)上，通过调整安装面板(21)的高度可模拟不同提离距离的检测，检测导轨台(16)可带动安装面板(21)沿待测目标管道(8)轴线移动以获取管道整体磁信号，三轴隧道磁阻传感器(36)采集磁信号，经数据采集卡(37)上传至工控机(38)，通过经验小波变换数据处理方法和数据融合处理算法进行处理，实现缺陷信号辨识。
阵列聚焦检测探头(17)由5个谐波磁场激励阵列线圈(35)和4个三轴隧道磁阻传感器(36)构成多元阵列结构，谐波磁场激励阵列线圈(35)平铺式缠绕成1个大矩形线圈加4个小矩形线圈阵列的形式，达到磁聚焦效果，外形尺寸、材质完全相同的小矩形线圈围绕安装面板(21)中心点以正方形排列，大矩形线圈位于4个小矩形线圈的外侧，绕线指引块(34)用于保证谐波磁场激励阵列线圈(35)从内到外紧密排列和平整度；三轴隧道磁阻传感器(36)固定在谐波磁场激励阵列线圈(35)的小矩形线圈中心，将采集的X、Y、Z三轴磁信号转换为三轴差分电压信号输出，数据采集显示系统(19)选用多通道差分数据采集卡(37)和工控机(38)，它们之间使用USB接口连接。
工控机(38)根据4个三轴隧道磁阻传感器(36)在X、Y、Z方向的磁场信号，在MATLAB中采用快速傅里叶变换计算频谱，将得到的频谱进行自适应边界划分，在此基础上构建合适的经验小波滤波器组对信号进行滤波，对重构信号进行解调、分析，并对处理后的三轴数据进行融合，实现管道损伤特征的可靠辨识和有效提取。
进行不同提离高度和并行干扰距离工况下的管道缺陷检测实验包括以下步骤：
1)、接通电源，打开谐波电源(18)开关、数据采集卡(37)开关、工控机(38)开关；
2)、根据实验要求，调整上层安装支架(5)和管道滑动支架(6)的位置，设定不同提离高度和并行干扰距离，通过单杆活塞式双作用液压缸(12)向待测目标管道(8)加载；
3)、设定激励信号的频率和电压参数，设置完毕后按下谐波电源(18)的信号输出按钮；
4)、点击工控机(38)中人机界面的电机(22)运行按钮，检测导轨台(16)带动安装面板(21)沿待测目标管道(8)轴线移动，直到管道的另一端结束，同时检测过程中数据采集卡(37)对检测数据进行采集，并将原始数据上传到工控机(38)经算法处理后实时显示，点击电机(22)停止按钮；
5)、重复步骤4)，测量多组数据；
6)、重复步骤2)-5)，完成多组不同提离高度和并行干扰距离工况下的检测；
7)、实验结束，控制单杆活塞式双作用液压缸(12)回到零位，然后关闭谐波电源(18)开关、数据采集卡(37)开关、工控机(38)开关，断开电源。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
可通过调节实验系统框架(1)和并行管道系统(2)以适应不同检测提离距离和不同并行干扰距离的工况，加载模块(3)所提供的载荷可模拟待测目标管道(8)实际运行时的受力状态，实验条件更加接近于实际工况；
检测导轨台(16)带动阵列聚焦检测探头(17)在待测目标管道(8)上方自动进行扫描，保证平稳检测，减小了抖动带来的检测误差，省时省力，提高检测效率；
设计的谐波磁场激励阵列线圈(35)结构，针对不同直径的管道，不同的埋深，不同的管体腐蚀程度可同时有效的扫过大面积管道表面，管道表面感生的磁场强度大，对缺陷有较高的灵敏度，且具有对提离干扰不敏感的优势；
通过经验小波变换数据处理方法和数据融合处理算法进行处理，实现管道损伤特征的和可靠辨识和有效提取，阵列聚焦检测探头(17)优势和检测效果得到显著增强。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的实验系统框架结构示意图；
图3为本发明的并行管道系统示意图；
图4为本发明的加载模块示意图；
图5为本发明的检测模块示意图；
图6为本发明的壳体结构示意图；
图7为本发明的阵列聚焦检测探头示意图；
图中符号含义，实验系统框架(1)、并行管道系统(2)、加载模块(3)、检测模块(4)、安装支架(5)、管道滑动支架(6)、角件(7)、待测目标管道(8)、上管箍(9)、并行干扰管道(10)、下管箍(11)、单杆活塞式双作用液压缸(12)、主油口A(12-1)、主油口B(12-2)、活塞杆(12-3)、液压缸-力传感器连接件(13)、拉压力传感器(14)、力传感器-管道连接件(15)、检测导轨台(16)、阵列聚焦检测探头(17)、谐波电源(18)、数据采集显示系统(19)、壳体(20)、安装面板(21)、电机(22)、联轴器(23)、丝杠支撑座(24)、底板(25)、丝杠螺母(26)、导轨(27)、丝杠(28)、右支撑板(29)、上垫板(30)、丝杠螺母座(31)、方滑块(32)、左支撑板(33)、绕线指引块(34)、谐波磁场激励阵列线圈(35)、三轴隧道磁阻传感器(36)、数据采集卡(37)、工控机(38)；
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。如图1整体结构图所示，本发明提供的一种并行管道非接触谐波磁场诊断方法及室内实验系统，包括实验系统框架(1)、并行管道系统(2)、加载模块(3)和检测模块(4)。
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步描述。
图2为本发明的实验系统框架(1)结构示意图，实验系统框架(1)由安装支架(5)、管道滑动支架(6)和角件(7)组成，用于安装并行管道系统(2)、检测导轨台(16)和单杆活塞式双作用液压缸(12)；其中，安装支架(5)使用不同长度的铝型材搭建，分为上下两层，它们之间通过角件(7)连接；管道滑动支架(6)可在安装支架(5)下层水平面内进行双向调整，检测导轨台(16)固定在安装支架(5)的上层，并行管道系统(2)和单杆活塞式双作用液压缸(12)安装在管道滑动支架(6)上，它们之间通过螺栓连接；调节上层支架的高度以实现阵列聚焦检测探头(17)不同提离距离的检测；根据实验要求，固定用于安装待测目标管道(8)的管道滑动支架(6)，然后，调节用于安装并行干扰管道(10)的管道滑动支架(6)在下层水平面的位置，以构造不同的管道并行距离，从而模拟不同并行距离的干扰工况。
图3为本发明的并行管道系统示意图，并行管道系统(2)包括待测目标管道(8)、上管箍(9)、并行干扰管道(10)和下管箍(11)；下管箍(11)通过螺栓固定在管道滑动支架(6)上，并行干扰管道(10)两端和待测目标管道(8)一端安装在上管箍(9)和下管箍(11)之间，通过螺栓连接。
图4为本发明的加载模块(3)示意图，加载模块(3)包括单杆活塞式双作用液压缸(12)、主油口A(12-1)、主油口B(12-2)、活塞杆(12-3)、液压缸-力传感器连接件(13)、拉压力传感器(14)和力传感器-管道连接件(15)，活塞杆(12-3)与液压缸-力传感器连接件(13)螺纹连接，拉压力传感器(14)通过螺纹与液压缸-力传感器连接件(13)连接，力传感器-管道连接件(15)一端套在待测目标管道(8)一端，另一端通过螺栓与拉压力传感器(14)相连接；当主油口A(12-1)进压力油，主油口B(12-2)回油时，活塞杆(12-3)向右运动，对待测目标管道(8)施加压力；当主油口B(12-2)进压力油，主油口A(12-1)回油时，活塞杆(12-3)向左运动，对待测目标管道(8)施加拉力。
图5为本发明的检测模块(4)示意图，检测模块(4)由检测导轨台(16)、阵列聚焦检测探头(17)、谐波电源(18)、数据采集显示系统(19)、壳体(20)和安装面板(21)组成；检测导轨台(16)包括电机(22)、联轴器(23)、丝杠支撑座(24)、底板(25)、丝杠螺母(26)、导轨(27)、丝杠(28)、右支撑板(29)、上垫板(30)、丝杠螺母座(31)、方滑块(32)、左支撑板(33)；底板(25)左右两端通过螺栓分别固定左支撑板(33)与右支撑板(29)，两个导轨(27)固定在底板(25)上，方滑块(32)套在导轨(27)上，电机(22)通过螺栓固定在左支撑板(33)外侧，联轴器(23)左端套在电机(22)的轴上，右端套在丝杠(28)的轴上，通过螺栓固定在底板(25)上的丝杠支撑座(24)位于联轴器(23)右侧，丝杠轴两端分别与轴承Ⅰ和轴承Ⅱ的内挡圈配合，轴承Ⅰ固定在丝杠支撑座(24)上，轴承Ⅱ位于右支撑板(29)轴孔内，轴承Ⅰ与丝杠支撑座(24)、轴承Ⅱ与右支撑板(29)均是间隙配合；丝杠螺母(26)套在丝杠(28)上，固定在方滑块(32)上的丝杠螺母座(31)套在丝杠螺母(26)上，上垫板(30)通过螺栓固定在丝杠螺母座(31)上；底板(25)通过螺栓使检测导轨台(16)固定在安装支架(5)顶部,上垫板(30)和安装面板(21)分别与壳体(20)通过螺栓连接；如图5、6所示，谐波电源(18)置于壳体(20)中，谐波电源(18)将12V蓄电池的直流电转化成双频载波、电流可调的正弦交流电将其以同名端并联的方式通入谐波磁场激励阵列线圈(35)，三轴隧道磁阻传感器(36)信号线和电源线连接相应位置处的接头引出，连接外部数据采集卡(37)及电源，数据采集卡(37)外接工控机(38)进行数据存储及实时波形显示。
如图7所示，阵列聚焦检测探头(17)放置于安装面板(21)上，阵列聚焦检测探头(17)由5个谐波磁场激励阵列线圈(35)和4个三轴隧道磁阻传感器(36)构成多元阵列结构，谐波磁场激励阵列线圈(35)平铺式缠绕成1个大矩形线圈加4个小矩形线圈阵列的形式，达到磁聚焦效果，外形尺寸、材质完全相同的小矩形线圈围绕安装面板(21)中心点以正方形排列，大矩形线圈位于4个小矩形线圈的外侧，绕线指引块(34)用于保证谐波磁场激励阵列线圈(35)从内到外紧密排列和平整度；三轴隧道磁阻传感器(36)固定在谐波磁场激励阵列线圈(35)的小矩形线圈中心。
工控机(38)接收经数据采集卡(37)采集的数据，在MATLAB中采用经验小波变换和数据融合的处理算法进行处理：
1)、对信号进行傅里叶变换得到频谱图，通过特定算法对频谱进行划分，得到以每一个原始边界为中心定义宽度为T＝2τ的过渡相用于构造基于经验小波的带通边界；
2)、根据得到的分界线，采用Littlewood-Paley和Meyer小波的结构来设计正交小波滤波器组对信号进行滤波，在频段两条边界处设计一组相互正交的三角函数，在频段内设计一个不变的常量作为经验小波滤波器，构造经验尺度函数和经验小波函数确定每一个带通滤波器在被分析信号频谱中的位置，分别见公式(5)和公式(6)：
式中：是经验缩放函数，/>是Meyer的经验小波函数，ω是频率，ωn是第n个边界频率,γ是确保两个连续频率之间没有重叠的转换参数。
3)、对重构信号获得的多个调频调幅成分进行Hilbert变换得到Hilbert谱，然后对Hilbert谱进行解调和分析；
4)、分别对X、Y、Z三轴的原始数据进行经验小波变换处理后，采用每组数据平方相加后开根号的形式形成融合后的缺陷检测信号的融合波形图，将每个轴灵敏度高的缺陷在同一组数据中显示。
Claims (8)
1.一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统，包括：实验系统框架(1)、并行管道系统(2)、加载模块(3)和检测模块(4)；
所述实验系统框架(1)包括安装支架(5)、管道滑动支架(6)和角件(7)，用于安装并行管道系统(2)、检测导轨台(16)和单杆活塞式双作用液压缸(12)；
所述并行管道系统(2)包括待测目标管道(8)、上管箍(9)、并行干扰管道(10)和下管箍(11)，用于模拟不同并行距离的干扰工况；
所述加载模块(3)包括单杆活塞式双作用液压缸(12)、主油口A(12-1)、主油口B(12-2)、活塞杆(12-3)、液压缸-力传感器连接件(13)、拉压力传感器(14)和力传感器-管道连接件(15),用于向待测目标管道(8)施加不同大小的拉力和压力，模拟待测目标管道(8)实际运行时的受力状态；
所述检测模块(4)由检测导轨台(16)、阵列聚焦检测探头(17)、谐波电源(18)、数据采集显示系统(19)、壳体(20)和安装面板(21)组成，其中，检测导轨台(16)包括电机(22)、联轴器(23)、丝杠支撑座(24)、底板(25)、丝杠螺母(26)、导轨(27)、丝杠(28)、右支撑板(29)、上垫板(30)、丝杠螺母座(31)、方滑块(32)和左支撑板(33)，用以带动安装面板(21)沿待测目标管道(8)轴线移动以获取管道整体磁信号；阵列聚焦检测探头(17)包括绕线指引块(34)、谐波磁场激励阵列线圈(35)和三轴隧道磁阻传感器(36)，谐波磁场激励阵列线圈(35)对待测目标管道(8)发射低频载高频的谐波电磁波，并通过三轴隧道磁阻传感器(36)测量管道的反射回波信号；数据采集显示系统(19)包括数据采集卡(37)和工控机(38)，实现数据采集和磁场信号实时显示。
2.如权利要求1所述的一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统，其特征在于，所述实验系统框架(1)用于安装并行管道系统(2)、检测导轨台(16)和单杆活塞式双作用液压缸(12)；安装支架(5)使用不同长度的铝型材搭建，分为上下两层通过角件(7)连接；检测导轨台(16)固定在安装支架(5)的上层，并行管道系统(2)和单杆活塞式双作用液压缸(12)安装在管道滑动支架(6)上，管道滑动支架(6)在安装支架(5)下层水平面内进行双向调整，它们之间通过螺栓连接。
3.如权利要求1所述的一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统，其特征在于，并行干扰管道(10)两端和待测目标管道(8)一端通过螺栓连接安装在上管箍(9)和下管箍(11)之间，下管箍(11)通过螺栓连接固定在管道滑动支架(6)上，通过移动并行干扰管道(10)以构造不同的管道并行距离，从而模拟不同并行距离的干扰工况。
4.如权利要求1所述的一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统，其特征在于，所述加载模块(3)采用拉压力传感器(14)测量加载模块(3)向待测目标管道(8)施加拉力和压力大小，用于模拟待测目标管道(8)实际运行时的受力状态，拉压力传感器(14)一端安装的液压缸-力传感器连接件(13)连接单杆活塞式双作用液压缸(12)，另一端安装有力传感器-管道连接件(15)连接待测目标管道(8)。
5.如权利要求1所述的一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统，其特征在于，固定在壳体(20)内的谐波电源(18)提供参数可调的高精度双频载波信号，谐波电源(18)与谐波磁场激励阵列线圈(35)相连接，谐波磁场激励阵列线圈(35)对待测目标管道(8)发射低频载高频的谐波电磁波，并通过三轴隧道磁阻传感器(36)测量管道的反射回波信号；三轴隧道磁阻传感器(36)与谐波磁场激励阵列线圈(35)均安装在安装面板(21)上，通过调整安装面板(21)的高度可模拟不同提离距离的检测，检测导轨台(16)可带动安装面板(21)沿待测目标管道(8)轴线移动以获取管道整体磁信号，三轴隧道磁阻传感器(36)采集磁信号，经数据采集卡(37)上传至工控机(38)，通过经验小波变换数据处理方法和数据融合处理算法进行处理，实现缺陷信号辨识。
6.如权利要求1或5所述的一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统，其特征在于，阵列聚焦检测探头(17)由5个谐波磁场激励阵列线圈(35)和4个三轴隧道磁阻传感器(36)构成多元阵列结构，谐波磁场激励阵列线圈(35)平铺式缠绕成1个大矩形线圈加4个小矩形线圈阵列的形式，达到磁聚焦效果，外形尺寸、材质完全相同的小矩形线圈围绕安装面板(21)中心点以正方形排列，大矩形线圈位于4个小矩形线圈的外侧，绕线指引块(34)用于保证谐波磁场激励阵列线圈(35)从内到外紧密排列和平整度；三轴隧道磁阻传感器(36)固定在谐波磁场激励阵列线圈(35)的小矩形线圈中心，将采集的X、Y、Z三轴磁信号转换为三轴差分电压信号输出，数据采集显示系统(19)选用多通道差分数据采集卡(37)和工控机(38)，它们之间使用USB接口连接。
7.如权利要求1或5所述的一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统，其特征在于，工控机(38)根据4个三轴隧道磁阻传感器(36)在X、Y、Z方向的磁场信号，在MATLAB中采用快速傅里叶变换计算频谱，将得到的频谱进行自适应边界划分，在此基础上构建合适的经验小波滤波器组对信号进行滤波，对重构信号进行解调、分析，并对处理后的三轴数据进行融合，实现管道损伤特征的可靠辨识和有效提取。
8.如权利要求1所述的一种并行管道非接触谐波磁场诊断室内实验系统的诊断方法，其特征在于，进行不同提离高度和并行干扰距离工况下的管道缺陷检测实验包括以下步骤：
1)、接通电源，打开谐波电源(18)开关、数据采集卡(37)开关、工控机(38)开关；
2)、根据实验要求，调整上层安装支架(5)和管道滑动支架(6)的位置，设定不同提离高度和并行干扰距离，通过单杆活塞式双作用液压缸(12)向待测目标管道(8)加载；
3)、设定激励信号的频率和电压参数，设置完毕后按下谐波电源(18)的信号输出按钮；
4)、点击工控机(38)中人机界面的电机(22)运行按钮，检测导轨台(16)带动安装面板(21)沿待测目标管道(8)轴线移动，直到管道的另一端结束，同时检测过程中数据采集卡(37)对检测数据进行采集，并将原始数据上传到工控机(38)经算法处理后实时显示，点击电机(22)停止按钮；
5)、重复步骤4)，测量多组数据；
6)、重复步骤2)-5)，完成多组不同提离高度和并行干扰距离工况下的检测；
7)、实验结束，控制单杆活塞式双作用液压缸(12)回到零位，然后关闭谐波电源(18)开关、数据采集卡(37)开关、工控机(38)开关，断开电源。
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