CN202420427U

CN202420427U - 电磁测厚仪信号检测系统

Info

Publication number: CN202420427U
Application number: CN2011204706970U
Authority: CN
Inventors: 刘征科; 张志虎; 陈涛
Original assignee: Xian Sitan Apparatus Co Ltd
Current assignee: Xian Sitan Apparatus Co Ltd
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-11-23

Abstract

本实用新型提供一种电磁测厚仪信号检测系统，主要解决了现有系统结构复杂、成本高、测量精度和抗干扰性能较差的问题。该电磁测厚仪信号检测系统，包括与地面控制与数据分析系统连接的电磁测厚仪，电磁测厚仪包括依次连接的传感器阵列模块、滤波放大模块、DSP控制与相位提取模块、激励磁场产生模块。该系统结构简单，易于数字化实现，提高了电磁测厚仪的数字化水平，增强了系统的抗干扰能力。

Description

电磁测厚仪信号检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种井况测量仪器，具体涉及井下电磁测厚仪的信号检测系统。

背景技术

电磁法是作为一种无损探伤方法，利用管材在电磁作用下呈现出来的电磁学性质，按照电磁感应原理来评价铁磁性管材的技术状况。目前，电磁法已被广泛应用于管材的在役检测中。电磁法测井就是利用电磁法进行在役油套管等管材的检测，利用电磁法测井可确定套管的平均直径、变形、厚度、裂缝和腐蚀坑大小及深度、同时可判别腐蚀发生在外壁还是内壁。同时，不受套管污垢、结蜡及附着物的影响，测量时对环境的要求不严格。正是电磁法检测的这些优点，使得电磁法测井技术成为目前应用最广泛的在役油套管无损检测技术之一。

按照电磁法对套管进行检测对象的不同，可分为测量磁通量和电磁波相位移两类仪器。对于测量磁通量的仪器，实际借助于套管上的不连续缺陷造成的磁通泄露和涡流畸变来进行无损探伤，这方面的测井仪器如斯伦贝谢的多道管子分析仪(MPAT)、阿特拉斯公司的垂直测井仪(Vertilog)；而仪器测量电磁波的相位移，是利用交变磁场产生的与套管特性相关的电磁波相位角变化来进行无损探伤的一种技术，相位角与套管厚度、磁导率、电导率和激励频率等套管的参数有关，这方面的仪器有斯伦贝谢公司的电磁波厚度仪(ETT)、多频电磁波厚度仪(METT)，阿特拉斯公司的磁测井仪(Magnelog)、哈里伯顿公司的电磁波腐蚀测井仪(ECT)。

由上所述，如斯伦贝谢公司的电磁波厚度仪(ETT)、多频电磁波厚度仪(METT)等多采用测量电磁波相位角变化的方法来实现厚度的定性测量。由于套管厚度测量时与套管的磁导率、电导率、套管内径和套管壁厚等有关，因此任何一个参数的变化都可能影响测量的精度。借助于测量电磁波相位角变化的套管厚度电磁涡流方法有两种，一是利用普通涡流，二是利用远场涡流。

如果采用普通涡流测量套管厚度，由于套管相对磁导率较高，考虑到涡流渗透深度的影响，涡流集中于套管的内表面，影响测量效果，因而需要将套管磁化，达到磁饱和，此时涡流渗透深度大大增加，进而满足涡流渗透深度的要求；然而在役的套管，由于空间狭小，采用磁化装置实现管材的饱和磁化不易实现。因此对于在役套管厚度测量方面，普通涡流应用的并不多，它多用于检测在役套管的损伤情况。因而对于在役套管的厚度测量多采用远场涡流，它进行套管的厚度测量时采用低频电磁波，穿透性强，且在电磁波经过套管后，其中包含丰富的套管信息，可根据需要将相应的研究对象提取出来，如套管厚度、套管磁导率、电导率等。

远场涡流测量套管厚度过程是：以仪器在空气中的读数作为基准，而当激励频率一定时，在仪器的整个测量范围内，相位移与套管的厚度成线性关系，然而在激励频率一定时，套管厚度测量时不仅与套管壁厚有关，还与套管磁导率、电导率、套管内径等参数有关，尤其是所穿过的介质的电磁特性对信号测量及其解析影响很大，因而采集的数据被认为是定性的，对不同套管的测量时需要进行重新刻度。

作为一种电磁无损探伤仪器，电磁测厚仪用于在役套管厚度的检测时其套管厚度测井曲线上，不仅能反映出厚度变化，及套管厚度估计值，还可通过测井解释可分辨出套管变形、腐蚀、穿孔等缺陷，但是无法解释腐蚀等缺陷发生在套管的内壁还是外壁。通常用相对损失率描述套管的损伤或厚度变化，两次测量的相对金属损失可用记录的相位移表达，如下式：

σ＝((β₁-β₂)/β₁)×100％

其中σ-为套管金属损失率，通常以百分数表示；β₁-在套管无损情况下测得的相位；β₂-套管实际测得的相位。

为了解决损伤引起的厚度变化发生在套管内壁还是外壁，斯伦贝谢公司研制的多频电磁波测厚仪(METT)，成功解决了这一问题。该仪器以三种不同的频率工作，高频测量不受钢管厚度的影响，只与套管内径发生联系，可辨明引起金属损失的缺陷是否发生在套管内表面；中频测量依金属的内径、电导率和磁导率而定；低频测量对应常规仪器的测量，通常测量厚度等参数，它依据上述两种测量结论和套管的厚度。

发明内容

本实用新型提供一种电磁测厚仪信号检测系统，主要解决了现有系统结构复杂、成本高、测量精度和抗干扰性能较差的问题。

本发明的电磁测厚仪信号检测技术方案是：

该电磁测厚仪信号检测系统，包括与地面控制与数据分析系统连接的电磁测厚仪，电磁测厚仪包括依次连接的传感器阵列模块、滤波放大模块、DSP控制与相位提取模块、激励磁场产生模块；所述传感器阵列模块的输入端与激励磁场产生模块的输出端连接，传感器阵列模块的输出端与滤波放大模块的输入端连接，滤波放大模块的输出端与DSP控制与相位提取模块的输入端连接，DSP控制与相位提取模块的输出端与激励磁场产生模块的输入端连接；所述滤波放大模块的输入端还与DSP控制与相位提取模块的输出端连接。

以上所述DSP控制与相位提取模块包括D/A转换器、用于对信号进行正交变换和相位差计算的DSP处理器；D/A转换器和DSP处理器串联。

以上所述DSP控制与相位提取模块也可以采用另一种结构形式，包括同步触发器、信号发生器、用于正交变换的双路乘法器、D/A转换器和DSP处理器；所述DSP处理器的输入端与D/A转换器的输出端连接，DSP处理器的输出端分别与D/A转换器和信号发生器的输入端连接，信号发生器的输出端与双路乘法器的输入端连接，双路乘法器的输出端与D/A转换器的输入端连接。

以上所述传感器阵列模块包括依次连接的恒流供电电源、电压电流变换装置和电磁敏感元件，电磁敏感元件以由高磁导率磁芯和小型绝对式空心线圈组成为佳。

以上所述滤波放大模块包括至少两路滤波装置，滤波装置包括依次连接的输入缓冲器和三阶低通滤波器，各路滤波装置与多路切换装置的输入端连接，多路切换装置的输入端还与DSP处理器连接，多路切换装置的输出端与程控增益放大器的输入端连接，程控增益放大器的输入端还与DSP处理器连接，程控增益放大器的输出端与输出缓冲器连接，其中程控增益放大器以采用由D/A转换器的输出电压控制放大倍数的电压控制型对数增益放大器为佳，三阶低通滤波器以由依次连接的一阶无源低通滤波器和二阶有源低通滤波器组成为佳。

本发明的优点在于：

(1)、传感器集成度高，以电流形式输出信号，输出稳定性好，与直接用线圈获取信号并以电压形式输出信号相比，抗干扰性能更好。

(2)、滤波与放大部分结构明确，应用最少的电路达到滤波和放大的目的，可同时满足单路或多路信号的采集要求。

(3)、相位差提取部分可以作为一个独立模块应用于电磁测厚、探伤等系统中，以便获得良好的测量效果。

(4)、该系统结构简单，易于数字化实现，提高了电磁测厚仪的数字化水平，增强了系统的抗干扰能力。综合考虑了精度与速度的因素，能够满足多种不同的测井场合。

(5)、该系统可应用于依赖相位变化进行涡流检测的系统中，实现管材厚度的精确测量，借助于该方案的检测系统，可确定管材损伤、厚度变化、连接器位置等，对于在役的管道损伤和厚度检测具有很大意义。

(6)、当前通行的电磁测厚仪信号处理办法是根据输出信号幅值变化来确定不同的厚度，对于厚度不同而其它特性相同的管材，幅值变化相比较明显，而这需要配备图形显示设备，现场观测整周期涡流信号的变化情况，增加了费用支出，同时由于波形观察需要一定的理论知识，对于非专业人员不易实现，而本文所示方案可直接计算得出厚度值，因而与观察幅值变化的方案相比更方便，现场操作更简单。

附图说明

图1为本发明在测厚仪内部的典型应用示意框图；

图2为本发明传感器部分结构示意框图；

图3为本发明滤波与放大部分结构示意框图；

图4为本一种DSP相位提取部分结构与原理框图；

图5为本另一种DSP相位提取部分结构与原理框图。

附图标号说明：1-传感器阵列模块，2-滤波与放大模块，3-DSP控制与相位提取模块，4-激励磁场产生部分，5-供电电源，6-相对方位模块，7-数据传输与隔离模块，8-地面控制与数据分析系统，9-电磁测厚仪，10-高磁导率磁芯，11-小型绝对式空心线圈。

具体实施方式

该电磁测厚仪信号检测系统，其在工作中能实时检测涡流信号变化，并将信号调制到合适的电压范围内，能够计算出基准信号与传感器输出涡流信号的相位差。该相位差与套管厚度成正比关系，电磁测厚仪经过刻度后，去除套管磁导率、电导率的影响，利用这一关系计算出套管厚度。

传感器阵列模块包括依次连接的恒流供电电源、电压电流变换装置和由高磁导率磁芯和小型绝对式空心线圈组成的电磁敏感元件。

滤波放大模块包括至少两路滤波装置，滤波装置包括依次连接的输入缓冲器和由依次连接的一阶无源低通滤波器和二阶有源低通滤波器组成的三阶低通滤波器，各路滤波装置与多路切换装置的输入端连接，多路切换装置的输入端还与DSP处理器连接，多路切换装置的输出端与程控增益放大器的输入端连接，程控增益放大器的输入端还与DSP处理器连接，程控增益放大器的输出端与输出缓冲器连接。其中程控增益放大器以采用由D/A转换器的输出电压控制放大倍数的电压控制型对数增益放大器为佳。

开始工作，由地面系统下发测量频率、激励磁场启动命令后，电磁测厚仪开始进行测量，传感器与套管壁紧靠在一起，感应涡流信号的变化，测厚仪把收到的频率转化为激励磁场频率，然后触发激励磁场，产生按照该频率变化的交流电磁场，为了保证检测信号与激励信号的同时性，因而需要在交流电磁场激发的同时进行单通道或多通道的切换，使得传感器输出信号能够及时被采集。

在激励磁场开启的同时，产生的交变磁场会沿套管传播，有一部分电磁波在激励线圈附近穿出套管壁，然后经过一段距离后又穿进套管壁，这一距离大约是套管直径的2～3倍左右，因而将传感器整列放置在这一位置，就可以拾取穿进套管的电磁波，根据电磁感应原理，将产生感应电压，由于磁场是交变的，因而产生的感应电压也是交变的，然后该电压经电压/电流变换后，交流信号耦合到传感器直流供电电缆中输出，在传感器端口通过解耦，就可将交变信号分离出来，输入到滤波放大部分，经三阶低通滤波，去除高频谐波干扰，并按照一定比例放大，放大的限定条件是：不超过A/D转换器的参考电压，此时输入信号已满足采集的要求；最后，通过DSP控制与相位提取模块求相位差，并通过相位差求出厚度。

DSP控制与相位提取模块包含正交部分、采集和相位计算两部分，其中正交运算由模拟乘法器实现，采集与相位计算由微控制器完成，但是在用模拟乘法器实施正交变换时，信号必须与参考信号同步，当然也可直接对信号进行采集，然后以数字算法来实现信号的正交变换和相位计算，其原理与硬件实现的方法相同。同时，数据的采集速度和采样点数是保证系统精度和运算速度的重要参量，因而电磁测厚仪涡流信号采集应选用高速，高精度AD转换器；而为保证计算的精度，要求有足够的采样点数，但是采样点数太多会影响计算速度，进而影响检测速度，综合两方面的因素，无论采用硬件或软件实现，在每一个激励周期的采样点数必须大于30个。

以下为两种具体形式：

如图4所示：DSP控制与相位提取模块包括同步触发器、信号发生器、用于正交变换的双路乘法器、D/A转换器和DSP处理器；所述DSP处理器的输入端与D/A转换器的输出端连接，DSP处理器的输出端分别与D/A转换器和信号发生器的输入端连接，信号发生器的输出端与双路乘法器的输入端连接，双路乘法器的输出端与D/A转换器的输入端连接。

采用图4所示的结构来计算相位，则输入信号触发同步，使正弦信号发生器产生与输入信号同步的参考信号，REF1和REF2，该信号与两路参考信号分别经模拟乘法器相乘后输出，此时DSP处理器启动A/D转换器采集同步两路输入，在采集完一周期后，激励磁场关闭，采集结束，则可用采集到的数据计算出电磁波两次经过套管壁后的相位差；

DSP控制与相位提取模块也可以采用另一种结构形式，如图5所示：DSP控制与相位提取模块包括D/A转换器、用于对信号进行正交变换和相位差计算的DSP处理器；D/A转换器和DSP处理器串联。若采用该结构来计算相位差，只需要将输入信号采集，然后在DSP软件中实现数字正交变换，同样两路参考信号为正弦，相位相差90度，经正交变换后就可通过相位计算软件求出相位差。若系统有多个输入通道则可计算出多个相位。该相位计算出以后需考虑仪器的倾斜对测量造成的影响，因而可计算因仪器倾斜造成的相位偏差，对其进行补偿；得出最终的相位差值，该相位差与套管厚度成线性关系，可以用它与套管标准厚度时的相位差比对，计算出套管厚度和金属损失率，然后将这部分数据打包，发送到地面，由地面系统显示套管厚度曲线，并对其进行解释，分析造成金属损失的原因，完成套管厚度测量与损伤检查的目标。

由于电磁测厚仪的测量的厚度值是相对值，因而需要先计算出所用标准套管厚度所对应的相位值，因而就需要一定的井下工具为其找寻一段状态良好的套管作为基准，因此电磁测厚仪通常与这些仪器配合使用，其完成测井的一般步骤为：

(1)地面控制与数据分析系统上电，下放仪器打开井下电视或多臂工具在井下找一段状态良好的套管，作为测厚仪工作的基准；

(2)开始测厚仪工作，给定测井频率，然后地面控制与数据分析系统控制测厚仪完成校准，返回校准数据与标准套管厚度；

(3)校准完成后，测厚仪开始进入连续测量状态，测厚仪不断上传由标准厚度得出的相对厚度数据及金属损失率，直到测井结束。

(4)测井结束后，与电磁测厚仪连成的仪器串断电，清洗干净后，置入仪器箱中。

(5)地面控制与数据分析系统继续工作，开始进行电磁测厚仪上传数据画成的厚度曲线分析，检查套管厚度变换与损伤情况，并得出技术性结论。

(6)关闭地面控制与数据分析系统，完成一次测井任务。

Claims

1.一种电磁测厚仪信号检测系统，包括与地面控制与数据分析系统连接的电磁测厚仪，其特征在于：所述电磁测厚仪包括依次连接的传感器阵列模块、滤波放大模块、DSP控制与相位提取模块、激励磁场产生模块；所述传感器阵列模块的输入端与激励磁场产生模块的输出端连接，传感器阵列模块的输出端与滤波放大模块的输入端连接，滤波放大模块的输出端与DSP控制与相位提取模块的输入端连接，DSP控制与相位提取模块的输出端与激励磁场产生模块的输入端连接；所述滤波放大模块的输入端还与DSP控制与相位提取模块的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的电磁测厚仪信号检测系统，其特征在于：所述DSP控制与相位提取模块包括D/A转换器、用于对信号进行正交变换和相位差计算的DSP处理器；D/A转换器和DSP处理器串联。

3.根据权利要求1所述的电磁测厚仪信号检测系统，其特征在于：所述DSP控制与相位提取模块包括同步触发器、信号发生器、用于正交变换的双路乘法器、D/A转换器和DSP处理器；所述DSP处理器的输入端与D/A转换器的输出端连接，DSP处理器的输出端分别与D/A转换器和信号发生器的输入端连接，信号发生器的输出端与双路乘法器的输入端连接，双路乘法器的输出端与D/A转换器的输入端连接。

4.根据权利要求1至3任一所述的电磁测厚仪信号检测系统，其特征在于：所述传感器阵列模块包括依次连接的恒流供电电源、电压电流变换装置和电磁敏感元件。

5.根据权利要求4所述的电磁测厚仪信号检测系统，其特征在于：所述滤波放大模块包括至少两路滤波装置，滤波装置包括依次连接的输入缓冲器和三阶低通滤波器，各路滤波装置与多路切换装置的输入端连接，多路切换装置的输入端还与DSP处理器连接，多路切换装置的输出端与程控增益放大器的输入端连接，程控增益放大器的输入端还与DSP处理器连接，程控增益放大器的输出端与输出缓冲器连接。

6.根据权利要求5所述的电磁测厚仪信号检测系统，其特征在于：所述程控增益放大器是由D/A转换器的输出电压控制放大倍数的电压控制型对数增益放大器。

7.根据权利要求6所述的电磁测厚仪信号检测系统，其特征在于：所述三阶低通滤波器由依次连接的一阶无源低通滤波器和二阶有源低通滤波器组成。

8.根据权利要求7所述的电磁测厚仪信号检测系统，其特征在于：所述电磁敏感元件由高磁导率磁芯和小型绝对式线圈组成。