CN116558675A - 考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法及装置，方法使用单检测线圈拾取切向磁场信号并进行放大得到信号μ(t)，并采集一组不同提离高度下的应力变化信号。对检测信号与激励信号进行双路相敏检波，得到 并对激励信号自身进行相敏检波，得到将V₁与V₃相除，V₂与V₃相除并归一化，得到：此时，应力σ、提离高度d与V_X、V_Y的关系为通过提前解出式子中的常数系数，即可实时解出当前测量的应力大小σ与提离高度d，从而提高存在提离时应力测量精度。

Description

考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法及装置

技术领域

本发明涉及无损应力测量领域，具体涉及一种考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法及装置。

背景技术

应力集中广泛发生于石油管道中，而在应力集中区域管道特性发生改变，极易产生裂纹、变形、断裂等现象，对人民生命财产安全产生极大威胁。所以对管道进行应力检测是必不可少的关键环节。

目前管道应力检测分为外检测与内检测，外检测有速度慢、无法长距离检测等缺点。内检测有巴克豪森噪声法，磁记忆法，交流电磁场应力检测法等方法，其中，巴克豪森噪声法具有速度快等特点，但还不够成熟；磁记忆法具有无需激励、操作简单等特点，但精度低；交流电磁场检测速度快，精度高，可长距离检测，对于长输油管道应力检测具有良好的适应性。

在海底油气管道中，内壁往往涂有防腐涂层，内涂层不仅可以使管道的内腐蚀速率有效的减缓,并且还能使输送动力消耗降低,并且使输送效率不断提高,还能够使沉积物生产的概率降低,清管次数减少。但涂层会发生减薄、脱落，加之管道内检测检测环境复杂，应力测量中难免出现提离、抖动等现象，该现象会严重影响应力检测信号的准确性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法及装置，该方法及装置能降低提离效应对应力信号的影响并无需额外附加传感器的同时提取提离信息与应力信息，对提离和应力信息量化处理。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是提供一种考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法，通过分别计算出应力σ与提离d高度，从而提高存在提离时应力测量精度，所述方法包括以下步骤：

S1、建立应力、提离高度与V_X、V_Y方程组：其中σ为应力，d为提离高度，K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂为常数系数，V_X与V_Y为与检测信号幅值、相位相关的变量，可通后续步骤得到，V_X0与V_Y0为应力与提离都为零时所对应的V_X与V_Y的初始值；得到信号V_X与V_Y，并计算K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂、V_X0与V_Y0，进一步计算出应力σ与提离高度d。

S2、为得到V_X、V_Y，以r₁(t)＝Bsin(ωt+φ₂)作为激励信号采集一组不同提离下应力变化信号，并进行放大处理，得到信号μ(t,σ,d)＝A(σ,d)sin[ωt+φ₁(σ,d)]。其中B为激励信号幅值，ω为激励信号角频率，φ₂为激励信号相位，A(σ,d)，φ₁(σ,d)分别为与应力提离有关的幅值与相位；

S3、将信号μ(t)分别与r₁(t)及r₁(t)的正交信号r₂(t)＝Bcos(ωt+f₂)进行相敏检波并低通滤波得到：

S4、对激励信号r₁(t)自身进行相敏检波并低通滤波，得到：

S5、将V₁与V₃相除，V₂与V₃相除，得到：

S6、将应力σ、提离高度d设置为0，此时V_X0＝V_X，V_Y0＝V_Y。

S7、依据步骤S2到S5得到的数据库，在零提离高度下，绘制一组σ-V_X曲线，曲线方程为V_X＝K₁₁σ+V_X0，该曲线的斜率即为K₁₁，即K₁₁＝(V_X-V_X0)/σ；

S8、参考步骤S6，绘制d-V_X、σ-V_Y、d-V_Y曲线，计算得到K₁₂、K₂₁、K₂₂；

S9、将实时测量的信号参考步骤S2-S5处理，得到V_X、V_Y；

S10、将实时信号的V_X、V_Y代入方程组中，即可计算得到当前测量信号代表的应力σ与提离高度d。

本发明还提供一种考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理装置，通过分别计算出应力σ与提高高度d，提高存在提离时应力测量精度，所述装置的传感器模块包括：

平行交流电磁场激励单元，用于产生平行交流电磁场；

切向磁场单线圈拾取检测单元，用于拾取检测相关信号。

进一步地，所述装置的信号处理模块包括：

信号采集单元，用于对交变电磁场信号的采集；

放大单元，放大待处理信号，便于后续信号处理；

检波单元，与放大单元相连，用于信号调理，得到信号V_X与V_Y；

拟合单元，用于计算K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂、V_X0与V_Y0；

预测单元，用于将后续测量的信号代入公式中，预测真实应力值与提离高度。

本发明的原理是应力会导致铁磁性构件的电导率、磁导率发生改变，当施加交变电磁场激励信号时，应力会导致检测信号的相位与幅值发生变化；而当检测传感器发生提离时，传感器与检测工件的间隙会导致检测信号的相位与幅值发生不同的变化，通过信号处理后进行多项线性拟合可以区分提离信号与应力信号，并剥离两者互相影响的因素，进而对两者进行量化，实现了单个传感器对两种参量量化测量，大大加强了应力检测的准确性。为油气管道应力内检测提供了一种提高准确性的方法。

附图说明

图1为本发明考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法的流程图；

图2为本发明考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理装置的结构示意图；

图3为一组在不同提离下的应力变化信号经过采集、放大、检波之后的阻抗图；

图4为使用本发明考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法及装置后得到的一组测量结果。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

请参阅图1，本发明一个实施例的考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法流程图。如图1所示，本发明考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法包括以下步骤：

S1、建立应力、提离高度与V_X、V_Y方程组：其中σ为应力，d为提离高度，K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂为常数系数，V_X与V_Y为与检测信号幅值、相位相关的变量，可通后续步骤得到，V_X0与V_Y0为应力与提离都为零时所对应的V_X与V_Y的初始值；得到信号V_X与V_Y，并计算K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂、V_X0与V_Y0，进一步计算出应力σ与提离高度d。

S2、为得到V_X、V_Y，以r₁(t)＝Bsin(ωt+φ₂)作为激励信号采集一组不同提离下应力变化信号，并进行放大处理，得到信号μ(t,σ,d)＝A(σ,d)sin[ωt+φ₁(σ,d)]。其中B为激励信号幅值，ω为激励信号角频率，φ₂为激励信号相位，A(σ,d)，φ₁(σ,d)分别为与应力提离有关的幅值与相位；

S3、将信号μ(t)分别与r₁(t)及r₁(t)的正交信号r₂(t)＝Bcos(ωt+f₂)进行相敏检波并低通滤波得到：

S4、对激励信号r₁(t)自身进行相敏检波并低通滤波，得到：

S5、将V₁与V₃相除，V₂与V₃相除，得到：

S6、将应力σ、提离高度d设置为0，此时V_X0＝V_X，V_Y0＝V_Y。

S7、依据步骤S2到S5得到的数据库，在零提离高度下，绘制一组σ-V_X曲线，曲线方程为V_X＝K₁₁σ+V_X0，该曲线的斜率即为K₁₁，即K₁₁＝(V_X-V_X0)/σ；

S8、参考步骤S6，绘制d-V_X、σ-V_Y、d-V_Y曲线，计算得到K₁₂、K₂₁、K₂₂；

S9、将实时测量的信号参考步骤S2-S5处理，得到V_X、V_Y；

S10、将实时信号的V_X、V_Y代入方程组中，即可计算得到当前测量信号代表的应力σ与提离高度d。

图2为本发明考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理装置结构示意图。如图2所示，本发明考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理装置包括平行交流电磁场激励单元1，与平行交流电磁场激励单元1连接的切向磁场单线圈拾取单元2，与切向磁场单线圈拾取单元2连接的信号采集单元3，与信号采集单元3连接的放大单元4，与放大单元4连接的检波单元5，与检波单元5连接的拟合单元6，与拟合单元6连接的预测单元7。其中，平行交流电磁场激励单元1用于产生平行交流电磁场；切向磁场单线圈拾取单元2用于拾取检测相关信号；信号采集单元3用于对切向磁场单线圈拾取单元2拾取的信号进行采集，获取信号μ(t)＝Asin(ωt+φ₁)；放大单元4用于对信号μ(t)放大，便于后续信号处理；检波单元5用于信号调理，得到V_X、V_Y；拟合单元6用于将拟合方程中的未知系数解出，构建出完整预测方程；预测单元7用于将后续测量的信号代入拟合方程，预测真实应力值σ与提离高度d。

图3为一组在不同提离下的应力变化信号数据经过采集、放大、检波之后的阻抗图，可以看到，提离信号变化与应力信号变化在阻抗图中有着明显不同方向特征；

图4为一组实际数据经过拟合预测后误差对比图，横坐标为提离高度，纵坐标为应力大小，通过本发明提供的方法及装置，单一探头测量得到的信号可以有效区分出提离与应力并且对其量化处理。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (6)

1.一种考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法，通过分别计算出应力σ与提离高度d，提高存在提离效应时应力测量精度，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、建立应力、提离高度与V_X、V_Y方程组：其中σ为应力，d为提离高度，K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂为常数系数，V_X与V_Y为与检测信号幅值、相位相关的变量，V_X0与V_Y0为应力与提离都为零时所对应的V_X与V_Y的初始值；得到信号V_X与V_Y，并计算K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂、V_X0与V_Y0，进一步计算出应力σ与提离高度d。

2.如权利要求1所述的考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

S2、为得到V_X、V_Y，以r₁(t)＝Bsin(ωt+φ₂)作为激励信号采集一组不同提离下应力变化信号，并进行放大处理，得到信号μ(t,σ,d)＝A(σ,d)sin[ωt+φ₁(σ,d)]；其中B为激励信号幅值，ω为激励信号角频率，φ₂为激励信号相位，A(σ,d)，φ₁(σ,d)分别为与应力提离有关的幅值与相位；

S3、将信号μ(t)分别与r₁(t)及r₁(t)的正交信号r₂(t)＝Bcos(ωt+f₂)进行相敏检波并低通滤波得到：

S4、对激励信号r₁(t)自身进行相敏检波并低通滤波，得到：

S5、将V₁与V₃相除，V₂与V₃相除，得到：

3.如权利要求2所述的考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

S6、将应力σ、提离高度d设置为0，此时V_X0＝V_X，V_Y0＝V_Y。

S7、依据步骤S2到S5得到的数据库，在零提离高度下，绘制一组σ-V_X曲线，曲线方程为V_X＝K₁₁σ+V_X0，该曲线的斜率即为K₁₁，即K₁₁＝(V_X-V_X0)/σ；

S8、参考步骤S6，绘制d-V_X、σ-V_Y、d-V_Y曲线，计算得到K₁₂、K₂₁、K_22。

4.如权利要求3所述的考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

S9、将实时测量的信号参考步骤S2-S5处理，得到V_X、V_Y；

S10、将实时信号的V_X、V_Y代入方程组中，即可计算得到当前测量信号代表的应力σ与提离高度d。

5.一种考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理装置，通过分别计算出应力σ与提高高度d，提高存在提离时应力测量精度，其特征在于，所述装置的传感器模块包括：

平行交流电磁场激励单元，用于产生平行交流电磁场；

切向磁场单线圈拾取检测单元，用于拾取检测相关信号。

6.根据权利要求5所述的考虑提离效应的交变电磁场应力检测信号处理装置，其特征在于，所述装置的信号处理模块包括：

信号采集单元，用于对交变电磁场信号的采集；

放大单元，放大待处理信号，便于后续信号处理；

检波单元，与放大单元相连，用于信号调理，得到信号V_X与V_Y；

拟合单元，用于计算K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂、V_X0与V_Y0；

预测单元，用于将后续测量的信号代入公式中，预测真实应力值与提离高度。