CN112730598A - 一种埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头制作方法，包括：激励线圈阵列、高灵敏度磁传感器、数据线、SMA射频连接线、磁屏蔽外壳。激励线圈阵列用于加载谐波电流并产生聚焦磁场；SMA射频连接线与激励源连接，为激励线圈阵列供电；高灵敏度磁传感器用于采集磁场信号并转换为电压信号；数据线将检测探头采集到的数据传输到高速数据采集卡；磁屏蔽外壳将上述各装置集成，同时能够有效屏蔽探头下方以外的其他方向的电磁信号，从而降低干扰，以达到检测管道缺陷的目的。该检测探头结构简单、操作方便、抗干扰能力强，能够满足工程检测需要。
Description
技术领域
本发明本发明涉及管道损伤检测领域，尤其涉及非开挖钢质管道谐波磁场聚焦检测仪器设计制造，能够在确定了管道路由的情况下，不需要开挖即可将谐波磁场聚焦到管道上，同时采集磁场信号，实现对管道的非开挖检测。
背景技术
当前的运输管道大多铺设于地下，在长期运行的过程中，管道会因为腐蚀、第三方损伤等因素产生缺陷。因此，管道需要定期的检测和修复，以避免发生泄漏等严重事故，同时，针对泄漏管道，也需要快速精准的定位泄漏点，及时修复或更换泄漏管道，避免造成更严重的损失。
现有的内检测技术均需要开挖清管，停机和开挖造成的经济损失较大，而非开挖检测技术主要有瞬变电磁法、磁力层析法和等效电流中心偏移法，但上述检测方法中，瞬变电磁检测法检测的结果为一段管道的平金属减少量，因此无法精确的给出缺陷的具体位置，只能确定缺陷所在的地段；磁力层析法无法检测出通孔类缺陷和小面积点蚀。等效电流中心偏移法不能精确地检测出较小的金属损失；同时，上述检测方法无法有效屏蔽周围环境中的电磁信号，抗干扰能力较弱。
因此，为了在不停输条件下实现管道的地面非开挖检测，需要发明一种磁场聚焦效果好，操作简单，抗干扰能力强的检测探头，从而完成对埋地管道损伤的有效检测。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头制作方法，能够在不开挖的条件下将磁场聚焦于管体，同时在一定程度上屏蔽外界磁场信号干扰，通过采集有效的磁场信号，检测出管体的损伤情况。
本发明公开了一种用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头制作方法，包括：激励线圈阵列、高灵敏度磁传感器、数据传输线、SMA线圈供电射频线、磁屏蔽外壳。其中，
所述激励线圈阵列(1)，主要用于承载谐波电流，产生磁场并聚焦于管体，使管体产生感应磁场，其设计参数主要包括：线圈形状、阵列形式、线圈匝数、线圈尺寸、使用材质。
所述线圈形状设计，根据检测原理和制作难度，选取矩形线圈框作为检测探头的线圈主体，为了尽量减小导体间的邻近效应，在缠绕线圈时，应做到：将线圈导线紧密贴合，尽量减小导体间的空隙；上下层分布排列，增大两导线的相对面积；单层缠绕，减小导体厚度。
所述阵列形式，为了适用于不同直径的管道，不同的埋深，不同的管体损伤程度，将检测探头线圈阵列设计为一个大线圈加多个小线圈的矩阵阵列形式，这样在检测过程中，移动一次线圈阵列相当于多次扫描管体，增强了磁场聚焦效果，同时提高了检测探头的缺陷检出能力。此外，为了增大激励电流，在激励源输出功率一定的情况下，多个线圈的连接方式应该采用并联连接，以增强激励磁场的强度。
所述线圈匝数、尺寸，根据当前大多钢质管道的尺寸，为了确保检测探头能够完全扫描过管体，将大线圈尺寸设计为450x450mm,同时调整线圈尺寸为200x200mm，线圈匝数定为20匝。
所述使用材质，为了避免导线之间相互干扰，采用漆包线作为缠绕线圈的材质，铜质导线外带有包覆层，能够避免多匝线圈之间电流的相互传递。同时为了减小线圈的邻近效应，应增大导线直径，选用直径0.5mm的漆包线。
所述高灵敏度磁传感器，包括TMR隧道磁电阻传感器和传感器电路板，TMR隧道电阻传感器能够检测到微弱磁场，并输出三组差分信号，传感器电路板主要用于将TMR传感器的引脚引出，同时在供电端增加开关二极管，防止传感器因为反接被烧毁。
所述数据线包括两个J30J-37TJL矩形连接器头、一段24芯高柔性双绞屏蔽线和一段双芯屏蔽线，其中，24芯屏蔽线用于传输数据，双芯屏蔽线用于为传感器供电。将传感器的电源线与数据线分别用两条屏蔽线处理，能够降低数据在长距离传输过程中受到的干扰。矩形连接头的接线端与这两条屏蔽线相连，构成数据线。数据传输线一端与检测探头上的插座相连，一端与数据采集卡连接，将探头采集到的数据传输到采集卡上。
所述线圈供电射频线包括两个SMA-J内螺内针纯铜公头、一段RG316射频线和一个阻值可调的电阻，电阻与供电电路串联，供电射频线一端与检测探头上的纯铜母头相连，一端与谐波电源相连，为线圈提供谐波电流。
所述阻值可调的电阻，主要用于改变激励线圈承载电流大小，同时保护激励源设备，避免因电流过大对仪器造成损伤，为了给激励线圈提供0.5-2A范围的电流，考虑到激励源设备的输出功率，将可变电阻的组织范围设定为20-300Ω。
所述磁屏蔽外壳包括亚克力质外壳、电磁屏蔽膜、数据传输插头、线圈供电插头。
所述亚克力质外壳，由3mm厚亚克力板通过胶粘的方式粘结而成，同时在四周加上方形亚克力柱以固定外壳，在外壳底板上，按照所述激励线圈阵列(1)的设计尺寸，放置圆形亚克力柱，用于缠绕线圈。外壳通体采用亚克力材质，所有连接方式均为胶粘，不使用磁性物质，能够避免检测探头受到外壳的干扰。
所述电磁屏蔽膜，考虑到实际工况，检测时待测管道往往位于检测探头下方，因此，在探头内壁的侧面和顶面均贴上EMI电磁屏蔽膜，能够有效降低非检测区域产生的电磁信号产生的干扰，提高探头的抗干扰能力。-
所述数据传输插头，采用J30J-37ZKP矩形连接器插座，该连接器体积小，采用非磁性材料，能够减小对检测探头的干扰，同时具有37个接线端子，接线端1-24号线与四个磁传感器数据输出端相连，用于传输数据，30-33号线与传感器VCC引脚相连，34-37号线与GND引脚相连，为磁传感器供电。同时在接头处应分别给数据线和电源线包裹屏蔽网，减小在数据传输过程中的干扰。
所述线圈供电母头，采用两个SMA-K外螺内孔纯铜母头，两个SMA母头接线端分别与激励线圈的电流输入、输出端相连，螺纹端与所述供电射频线公头相连，用于给所述激励线圈阵列(1)供电。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、能够实现在役钢质管道非开挖检测，能够避免因开挖、停机、清管等造成的经济损失；
2、采用阵列线圈，增强探头的磁聚焦效果，降低导体间的邻近效应，提高检测精度；
3、在探头内的顶部和侧壁贴附电磁屏蔽膜，降低外界环境干扰，极大提高了检测探头的抗干扰能力；
4、将传感器和线圈阵列的接线端集成到接线端子上，操作简单。
附图说明
图1是本发明实施例所述的检测探头内部结构示意图；
图2是本发明实施例所述的激励线圈阵列示意图；
图3是本发明实施例所述的SMA射频线示意图；
图4是本发明实施例所述的数据线示意图；
图5是本发明实施例所述的电磁屏蔽外壳示意图；
图6是本发明实施例所述的工程检测示意图
图中，激励线圈阵列(1)、高灵敏度磁传感器(2)、数据线(3)，SMA射频线(4)、磁屏蔽外壳(5)、大激励线圈(6)、小激励线圈(7)TMR高灵敏度磁传感器(8)、传感器电路板(9)、SMA内螺内针接头(10)、射频线(11)、可变电阻(12)、37芯矩形连接器插头(13)、24芯高柔性双绞屏蔽线(15)、双芯屏蔽线(15)、电磁屏蔽膜(16)、方形亚克力柱(17)、圆形亚克力柱(18)、3mm亚克力板(19)、37芯矩形连接器插座(20)、SMA外螺内孔接头(21)、尼龙螺母(22)、六角头尼龙螺钉(23)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
本发明提出一种用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头制作方法，该检测探头通过在激励线圈阵列中载入谐波电流，产生磁场并透过土壤聚焦到埋地管道的管体上，利用高灵敏度磁传感器检测管体的感应磁场，进而检测管体损伤情况。
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示，检测探头主体由激励线圈阵列(1)、高灵敏度磁传感器(2)、磁屏蔽方形外壳(5)构成，激励线圈紧密缠绕在外壳上的圆柱亚克力柱(18)上，线圈输入输出端于外壳上的SMA线圈供电插头(21)，磁性传感器(2)放置在激励线圈中心，传感器电路板(8)通过胶粘的方式固定在外壳底板上，四个传感器电路板上的六个信号引脚与数据传输插座(20)的1-24号接线端相连，传感器电路板上的GND引脚并联接入数据传输插头的34-37号接线端，VCC引脚并联接入31-33接线端。
如图2所示，线圈阵列(1)由一个大矩形线圈(6)和四个小矩形线圈(7)以及高灵敏度传感器(2)组成，矩形线圈为单层上下紧密平铺缠绕，采用0.5mm漆包线，避免导线间互相干扰。线圈连接方式为并联连接，在功率相同的情况下，并联连接能够增大线圈内的谐波激励电流，从而增大激励磁场，提高探头的检测能力。根据传感器说明要求，TMR隧道磁电阻在不使用时需要放置在磁屏蔽桶中，避免长期暴露在外界磁场环境中，对传感器精度产生影响。因此，将TMR隧道磁电阻(8)与传感器电路板(9)设计为直插式连接，通过插针与插座连接，方便随时安装与取下。
如图3所示，线圈供电射频线(4)由一条射频线(11)、两个SMA内螺内针接头(10)和一个可变电阻(12)构成，SMA插头一端与激励源连接，一端与外壳上的SMA外螺内孔插座连接，将谐波电流输送给激励线圈，可变电阻串联到射频线中，用于调节加载到激励线圈上的电流大小。
如图4所示，数据线(3)由两个矩形连接器(13)、一段24芯高柔性双绞屏蔽线(14)和一段双芯屏蔽线(15)组成。其中，24芯高柔性双绞屏蔽线(14)用于传输数据，双芯屏蔽线(15)为传感器供电，将数据与电源分别用屏蔽线处理，能够避免在数据传输过程中收到干扰。矩形连接器接线端1-24号线与24芯高柔性双绞屏蔽线相连，30-37号线与双芯屏蔽线连接。
如图5所示，磁屏蔽外壳(5)包括电磁屏蔽膜(16)、方形亚克力柱(17)、圆形亚克力柱(18)、亚克力板(19)、矩形连接器插座(20)、SMA外螺内孔插头(21)、尼龙螺母(22)、六角头尼龙螺钉(23)。其中，电磁屏蔽膜(16)粘贴在探头内部的上表面和侧面，屏蔽下方以外的电场和磁场，增强检测探头的抗干扰能力；方形亚克力柱(17)用于固定亚克力板(19)，构成探头外壳；圆形亚克力(18)柱粘贴在外壳底板上，用于缠绕线圈；矩形连接器插座(20)接线端与高灵敏度磁传感器(2)的数据线和电源线相连，接头处的电线缠绕屏蔽层；SMA外螺内孔插头(21)的接线端与激励线圈(1)的输入输出端相连；尼龙螺母(22)粘贴在方形亚克力柱上，与六角头尼龙螺钉(23)共同用于固定探头外壳的上顶板。
如图6所示，为本发明设计的一种用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头应用于工程检测方法。
使用非开挖谐波磁场聚焦检测探头进行检测的步骤如下：
(1)从磁屏蔽桶中取出TMR隧道磁阻传感器(8)，卸下六角头尼龙螺钉(23)，打开外壳顶盖，将传感器插入传感器电路上的直插母座中，用尼龙螺钉螺母固定亚克力顶盖和壳体；
(2)将射频线(4)一端连接到检测探头上，另一端连接到谐波激励源上；
(3)将数据线(3)一端连接到检测探头上，另一端与高速数据采集卡连接；
(4)打开检测设备，在管道上方沿同一方向多次匀速移动检测探头，完成检测；
(5)检测结束后，拆下TMR隧道磁阻传感器(8)，放回屏蔽桶，避免外界环境干扰传感器精度，影响下次检测。
Claims (7)
1.一种用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头，其特征在于，包括：
激励线圈阵列(1)，所述激励线圈阵列用于承载谐波电流，从而产生激励磁场透过地面作用于待测埋地钢质管道，使埋地钢质管道产生感应磁场；
高灵敏度磁传感器(2)，所述高灵敏度磁传感器(2)能够检测埋地钢质管道中微小磁场的变化，为了增强信号的抗干扰能力，所述高灵敏度磁传感器将检测到的磁场信号转化为三路差分电压信号输出；
数据传输线(3)，所述数据传输线连接着检测探头和高速数据采集卡，能够将检测探头采集到的数据传输到采集卡上并为高灵敏度磁传感器(2)供电；
SMA线圈供电射频线(4)，所述SMA线圈供电射频线连接检测探头和谐波激励源，将谐波电流加载到激励线圈阵列(1)上；
磁屏蔽外壳(5)，所述磁屏蔽外壳上提供了缠绕激励线圈阵列(1)的亚克力柱，并且能够屏蔽侧面和上方的电磁场，提高检测探头的抗干扰能力。
2.如权利要求1所述的用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头，其特征在于，所述激励线圈阵列(1)包括一个大矩形激励线圈(6)和四个小矩形激励线圈(7)，为了尽量增大线圈激励电流，所述大矩形激励线圈(6)和四个小矩形激励线圈(7)采用共输入端共输出端的并联的连接方式，缠绕在磁屏蔽外壳(5)上的圆形亚克力柱上(17)，线圈的设计参数包括线圈形状、尺寸、缠绕方式、匝数、使用材质。
3.如权利要求1所述的用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头，其特征在于，所述高灵敏度磁传感器(2)包括TMR隧道磁阻传感器(8)和传感器电路板(9)。
所述TMR隧道磁阻传感器(8)，能够检测到周围管道中的微弱磁信号变化，并将其转换为三对差分电压信号输出；
所述传感器电路板(9)，通过直插式母座与传感器连接，便于拆卸，同时在传感器电源引脚处接入开关二极管，作为防反接保护。
4.如权利要求1所述的用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头，其特征在于，所述数据线(3)包括两个J30J-37TJL矩形连接器插头(12)、一段24芯高柔性双绞屏蔽线(13)和一段双芯屏蔽线(14)。
所述矩形连接器插头(12)用于与检测探头外壳上的举行连接器插座(19)连接；
所述24芯高柔性双绞屏蔽线(13)两端分别连接所述矩形连接器插头(12)的接线端1-24号线，用于传输检测探头采集到的数据；
所述双芯屏蔽线(14)连接所述矩形连接器插头接线端的30-37号线，用于为检测探头中的磁传感器(2)供电。
5.如权利要求1所述的用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头，其特征在于，所述线圈供电射频线(4)包括两个SMA-J内螺内针公头(10)、一段RG316射频线(11)和一个阻值可调的电阻(12)；
所述SMA-J内螺内针公头(10)用于与检测探头外壳上的SMA-J外螺内孔母头(20)连接；
所述RG316射频线(11)两端与所述SMA-J内螺内针公头(10)连接，用于传输谐波电流；
所述可变电阻(12)串联接入线圈供电射频线，通过调节阻值，改变加载到激励线圈上的电流值，通过计算激励线圈的阻抗值和激励源设备的输出功率。
6.如权利要求1所述的用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头，其特征在于，所述磁屏蔽检测探头外壳(5)包括亚克力质外壳(19)、电磁屏蔽膜(16)、数据传输插座(20)、线圈供电插头(21)；
所述电磁屏蔽膜(16)，使用高磁阻材质制成的电磁屏蔽膜，能够屏蔽的低频磁场范围为10-100KHz，高频磁场范围30M-18G，磁场屏蔽效能高达30dB，电磁屏蔽膜贴在探头内部的侧边和顶面；
所述亚克力材质外壳(19)，使用亚克力板胶粘制成，方形亚克力柱(17)用于固定外壳侧板，圆形亚克力(18)柱用于缠绕线圈；
所述数据传输插座(20)为矩形连接器插座，接线端与磁传感器的引脚相连，将传感器引脚集成到一个插座上，便于操作；
所述线圈供电插头(21)，使用两个SMA-J外螺内孔插座，固定在亚克力外壳侧板上，两个插座的接线端分别连接激励线圈阵列(1)的电流输入端和输出端，插座与射频线的SMA-J内螺内针插头(10)连接，为激励线圈阵列(1)供电。
7.如权利要求1所述的用于埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头，其特征在于，使用埋地钢质管道非开挖谐波磁场聚焦检测探头进行检测过程包括以下步骤：
S1从磁屏蔽桶中取出TMR磁传感器(8)，卸下六角头尼龙螺钉(23)，打开外壳顶盖，将传感器插入传感器电路(9)上的直插母座中，用尼龙螺钉螺母固定亚克力顶盖和壳体；
S2将数据线(3)一端连接到检测探头上，另一端与高速数据采集卡连接；
S3将射频线(4)一端连接到检测探头上，另一端连接到谐波激励源上；
S4打开检测设备，在管道上方沿同一方向多次匀速移动检测探头，完成检测；
S5检测结束后，拆下TMR磁传感器(8)，放回屏蔽桶，避免外界环境干扰传感器精度，影响下次检测。
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