CN212301419U - 一种pccp管的电磁检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种PCCP管的电磁检测系统，包括：激励源电路用于产生大功率低频交流激励信号；智能监测层设在PCCP管的预应力钢丝层和保护层之间，智能监测层内封装有激励线圈和磁传感器装置，激励线圈用于在激励信号的激发下产生低频交变磁场，预应力钢丝层在交变磁场作用下生成感应磁场，磁传感器装置用于获取PCCP管不同位置的探测信号并传输给信号处理系统；信号处理系统用于对磁探信号进行处理、将磁探信号转化为数字信号、将数字信号传输给主控电脑；主控电脑用于调整激励源电路的参数、根据数字信号的变化情况判断PCCP管的预应力钢丝层是否出现断丝的问题。本实用新型降低了数据采集基站要求，降低日常监测成本，提高检测效率，无需停水或减压。

Description

一种PCCP管的电磁检测系统

技术领域

本实用新型涉及智能无损检测技术领域，尤其涉及一种PCCP管的电磁检测系统，用以实现PCCP管预应力钢丝层断丝的在线监测或定期排查。

背景技术

预应力钢筒混凝土管(pre-stressed concrete cylinder pipe，PCCP)是指在带钢筒的混凝土管芯上螺旋缠绕高强钢丝并覆盖砂浆保护层而制成的管材，具有寿命长、防渗漏等优点。广泛应用于长间隔输水干线、压力倒虹吸、城市供水工程、产业有压输水管线、电厂循环水工程下水管道、压力排污干管等方面。PCCP的强度取决于高强钢丝，钢丝在管芯上产生均匀的预应力，能够抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。但运行过程中，多种原因会造成钢丝损伤或腐蚀，进而出现断裂，引起管道强度下降，最终导致爆管等事故发生。因此针对PCCP断丝的检测技术就显得十分重要。目前主要以材料内部结构的异常或缺陷的存在引起的声、磁、电等反应变化来评价PCCP钢丝异常，其主要的检测技术有水听器监测法、分布式光纤监测法和电磁检测法。

水听器监测法可用于监测断丝和泄漏，该方法是利用水听器监测断丝或泄漏导致的异常声发射信号，根据相邻两个传感器接收到信号的时间差计算异常发生的位置，水听器监测法的实现方式有基站式和阵列式，两者之间的不同在于传感器间距和数据传输方式。基站式间距较大，适合粗略估计，而阵列式一般用于详细监测；基站式采用无线传输方式而阵列式利用电缆传输。该方法优点是安装方便、施工简单，适用于各种管径。水听器监测法的局限性包括；(1)运行和维护成本高，只适用于对重点管段进行局部监测；(2)仅能监测新产生的断丝。

分布式光纤监测法主要用于在线监测钢丝断裂情况，其是将传感光纤铺设在PCCP内壁或外壁，通过探测预应力钢丝断裂导致的声发射信号或应力变化，只需一条传感光缆即可实现几十公里以上的连续无缝实时监测，并对断丝事件进行精确定位，且无需放置大量传感器，特别适合于长距离输水工程。分布式光纤监测法的局限性包括：(1)只能监测新断丝的产生；(2)为了准确评估断丝状态，需要其他检测技术提前确定管道基准信息。

上述两种方法基本原理都是基于声学方法，即探测钢丝断裂时所产生的声学信号或应力变化，无法取得其监测网络铺设前的管道断丝状态，这就产生了以下两个缺点：(1)在铺设监测网络前需要通过电磁监测法对管道进行评估；(2)声学监测需要24小时不间断工作，否则管道在监测平台停工阶段新产生的断丝就无法重新检测到，这大大提高了监测平台的日常维护成本。

相比于水听器监测法和分布式光纤监测法，电磁法检测技术不仅能准确的监测管道内的断丝数量和位置，还能取得其监测网络铺设前的管道断丝状态。

电磁法检测技术主要应用于PCCP管道的断丝检测,远场祸流/变压器耦合技术(RFEC/TC)和极性波探测技术(P-wave)是目前在PCCP管道检测中常用的两种电磁法监测技术。远场祸流检测技术是基于电磁感应原理。钢筒或连续缠绕的预应力钢丝就相当于线圈，断丝或钢筒缺陷会引起电阻值或线圈系数的变化。断丝监测是通过以下方式实现：将带有励磁线圈和探测线圈的探测平台放入管道的内部,当探测平台游历管道时，励磁线圈会发射电磁信号，电磁信号穿过预应力钢丝并返回到探测线圈。主控计算机通过记录并解析返回的电磁信号的相位和振幅以及探测车穿越的距离和时间，从而得到断丝的数量和位置。极性波探测技术由发射和接受信号装置组成，其中发射装置产生电磁场，接收装置捕捉穿越PCCP 管内的电磁信号，而断丝等会导致电磁信号异常。通过对异常信号的分析，就能准确得到被监测管道的断丝数量和位置。在检测前,应对检测的管道的尺寸和形状进行标定，这样能提高检测的准确性。电磁检测技术通常是基于推行式和浮游式两种检测平台实现的，推行式检测平台适用于以下两种情况：PCCP管道在正式使用之前的管道断丝风险评估，以及管道停水之后的断丝排查及检修工作；浮游式平台适用于管道运行条件下管壁断丝、管内淤积等问题的检测和排查等工作。

比如，专利号为CN104297337B的发明专利提供了一种PCCP钢丝断丝探测方法，包括如下步骤：S1：检测车通过自动或手动控制行进，行进期间：通过测量装置记录和检测位移变化情况；发射探头不间断接收主机生成的交流信号，发射相应的电磁波信号，从而在PCCP管壁上感应出涡流信号；同时，所述主机将所述交流信号上传至主控计算机；接收探头不间断地响应该涡流信号生成电压信号；S2：当检测到检测车未达到预设位置时，重复步骤S1；当检测到检测车到达预设位置时，停止行进，数据采集卡被触发，该数据采集卡采集所述接收探头中的电压信号，并上传至主控计算机中，以供显示、存储和故障判断；S3：重新开始行进，重复步骤S1和S2，直至完成所需管段的探测。

传统的电磁法检测法的局限性在于：(1)平台必须在PCCP管道内无水或是减压的情况下方能进入管道内部进行检测，(2)平台需要完整地在管道内行进一遍方能得到整个管道的数据，一天时间只能检测数十公里管道。因此，传统的电磁法检测法会大大影响了其适用范围，无法实现PCCP管断丝状态的日常监测和满足频繁检测维护的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对传统电磁法检测法适用范围小，无法实现PCCP 管断丝状态的日常监测和满足频繁检测维护的需要的问题，提出一种PCCP管的电磁检测系统。

为了达到目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型涉及一种PCCP管的电磁检测系统，其包括：

激励源电路，用于产生大功率低频交流激励信号；

智能监测层，设在PCCP管的预应力钢丝层和保护层之间，智能监测层内封装有激励线圈和磁传感器装置；所述的激励线圈，用于在激励信号的激发下产生低频交变磁场，预应力钢丝层在交变磁场作用下生成感应磁场；所述的磁传感器装置，用于获取PCCP管不同位置的交变磁场和感应磁场叠加后的磁场强度，并以不同位置的磁场强度作为各个位置的探测信号传输给信号处理系统；

信号处理系统，用于对磁探信号进行处理、将磁探信号转化为数字信号、将数字信号传输给主控电脑；

主控电脑，用于调整激励源电路的参数、根据数字信号的变化情况判断PCCP 管的预应力钢丝层是否出现断丝的问题。

优选地，所述的磁传感器装置包括多个设置在PCCP管不同位置，从而获取 PCCP管不同位置磁探信号的磁传感器，形成磁传感器阵列，磁传感器均配有用于连接信号处理系统的通信线路，通信线路延伸至PCCP管外，并通过线缆与信号处理系统通信连接。

优选地，所述的磁传感器的排布方式采用沿PCCP管轴线水平放置的方式、沿水平方向在PCCP管不同管壁高度斜向放置或交叉的放置方式、围绕PCCP管管壁一周或围绕部分圆周的放置方式、水平放置和圆周围绕放置相结合的网格放置方式、斜向放置或交叉放置和圆周围绕放置相结合的网格放置方式中的一种。

优选地，所述的激励线圈上设有用于连接激励源电路的通信线路，通信线路延伸至PCCP管外，并通过线缆与激励源电路连接。

优选地，所述的激励源电路包括：

信号发生器，用于产生低频交流信号；

电流放大器，用于增加低频交流信号的功率。

优选地，所述的信号处理系统包括：

前置放大器，用于将磁探信号放大；

滤波器，包括带通滤波器和带阻滤波器，带通滤波器用于根据激励信号频段选出与其同频的磁探信号，排除低频和高频噪声的干扰；带阻滤波器用于根据PCCP管所处环境滤出强干扰信号的影响；

锁相放大器，根据激励源电路频率和相位进一步提高磁探信号的信噪比；

A/D转换器，用于将磁探信号转为数字信号；

数据采集卡，用于采集数字信号并输入给主控电脑。

优选地，所述的激励线圈采用由金属导线绕制而成的柔性线圈，激励线圈采用圆形螺旋线圈、正方形螺旋线圈、长方形螺旋线圈、椭圆形螺旋线圈或菱形螺旋线圈中的一种。

优选地，所述的激励源电路、信号处理系统和主控电脑均设置在地面监测基站内。

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.本实用新型的激发线圈和磁场传感器阵列放置于智能监测层，以此为整体位于PCCP管的预应力钢丝层和保护层之间，由于检测平台无需进入PCCP管内部检测，因此使用此法检测断丝无需停水或减压，可在PCCP管正常工作时同时进行整个PCCP管的断丝情况进行检测，构成实时的PCCP断丝监测网络，形成 PCCP管断丝的预警系统。

2.本实用新型涉及的PCCP管的电磁检测系统中的传感器阵列探测范围覆盖整个PCCP管长度，一次探测可以同时收集PCCP管不同位置的磁场数据，通过反演算法得到断丝的数量和位置信息，相比于传统电磁检测技术需平台在PCCP 管内行进一遍的做法，无需24小时不间断工作，对数据采集基站的要求大大降低，并且可以根据PCCP管铺设环境，使用寿命等因素，在满足不同管端日常维护的基础上实行不同的检测周期和检测方式，手段更加灵活，也可以大大降低日常监测成本，大大提高了检测效率。

3.本实用新型涉及的PCCP管的电磁检测方法相比于水听器监测法和分布式光纤监测法这两种基于声学原理的断丝检测方法，可以实现对已存在断丝的检测和评估。

附图说明

图1是本实用新型PCCP管的电磁检测系统的原理框图；

图2是PCCP管的结构示意图；

图3是智能监测层展开状态的结构示意图；

图4是地面监测基站的结构图；

图5是无断丝情况和1根断丝情况下电磁检测结果折线图。

标注说明：1-内混凝土层，2-钢筒层，3-外混凝土层，4-预应力钢丝层，5- 智能监测层，6-保护层，7-激励线圈，8-磁传感器，9-地面监测基站，10-PCCP 管。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合实施例对本实用新型作详细描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参照附图1所示，本实施例涉及一种PCCP管的电磁检测系统包括激励源电路、智能监测层、信号处理系统和主控电脑。

参照附图1所示，所述的激励源电路用于产生大功率低频交流激励信号，其包括依次连接的信号发生器和电流放大器，信号发生器用于产生低频交流激励信号，电流放大器用于增加激励信号的功率。

参照附图2所示，PCCP管10的结构从内到外依次包括内混凝凝土层1、钢筒层2、外混凝土层3、预应力钢丝层4和保护层6，所述的智能监测层5设在 PCCP管10的预应力钢丝层4和保护层6之间，智能监测层5内封装有激励线圈7和磁传感器装置，激励线圈7与激励源电路中的电流放大器通信连接，参照附图3所示，激励线圈7采用由金属导线绕制而成的柔性线圈，激励线圈7上设有用于连接激励源电路的通信线路，通信线路延伸至PCCP管外并通过线缆与激励源电路连接，激励线圈7采用圆形螺旋线圈、正方形螺旋线圈、长方形螺旋线圈、椭圆形螺旋线圈或菱形螺旋线圈中的一种，本实施例采用圆形螺旋线圈，激励线圈7用于在激励信号的激发下产生低频交变磁场，预应力钢丝层在交变磁场作用下生成感应磁场；磁传感器装置用于用于获取PCCP管不同位置的交变磁场和感应磁场叠加后的磁场强度，并以不同位置的磁场强度作为各个位置的探测信号传输给信号处理系统。参照附图3所示，磁传感器装置包括多个设置在PCCP 管不同位置，从而获取PCCP管不同位置磁探信号的磁传感器8，形成磁传感器阵列，磁传感器8均配有通信线路，通信线路延伸至PCCP管外，并通过线缆与信号处理系统通信连接；所述的磁传感器8的排布方式采用沿PCCP管轴线水平放置的方式、沿水平方向在PCCP管不同管壁高度斜向放置或交叉的放置方式、围绕PCCP管管壁一周或围绕部分圆周的放置方式、水平放置和圆周围绕放置相结合的网格放置方式、斜向放置或交叉放置和圆周围绕放置相结合的网格放置方式中的一种，本实施例采用沿PCCP管轴线水平放置的排布方式。

参照附图1所示，所述的信号处理系统与磁传感器装置通信连接，信号处理系统用于对各个磁传感器探测到的PCCP管不同位置的磁探信号进行处理、将磁探信号转化为数字信号，并将数字信号传输给主控电脑，信号处理系统包括依次连接的前置放大器、滤波器、锁相放大器、A/D转换器和数据采集卡，前置放大器用于将磁探信号放大；滤波器包括带通滤波器和带阻滤波器，带通滤波器用于根据激励信号频段选出与其同频的磁场信号，排除低频和高频噪声的干扰；带阻滤波器，用于根据PCCP管所处环境滤出强干扰信号的影响；锁相放大器根据激励源电路频率和相位进一步提高磁探信号的信噪比；A/D转换器用于将磁探信号转为数字信号；数据采集卡用于采集数字信号并输入给主控电脑。

参照附图1所示，所述的主控电脑分别与激励源电路及信号处理系统通信连接，主控电脑用于调整激励源电路的参数、根据数字信号的变化情况判PCCP管的预应力钢丝层是否出现断丝的问题，根据多组数字信号绘制电磁信号背景图、运行磁场反演算法提取信号特异点并推算断丝的位置和数量。

PCCP管的电磁检测系统在检测前需要进行调试工作，调试步骤为：

1)将PCCP管的电磁检测系统中安装在地面监测基站的部分安置在移动监测车中，形成移动监测平台，包括激励源电路、信号处理系统、主控电脑及其配套连接线路；将移动监测车中激励源电路同智能PCCP管的激励线圈7连接，信号处理器同管内各个磁感应器的数据采集线相连，同时为系统供电；

2)逐个采集未埋置PCCP管钢丝的电磁检测信号，获取空白信号背景(无断丝时的背景信号)；排查电磁信号特异点(信号异常突变位置)，排除因PCCP 管制作、智能监测层封装和器件缺陷对后续电磁监测的影响；

3)埋置PCCP管时，将PCCP管智能监测层连接线路沿伸至地面，PCCP 管正式工作时重复步骤3)，获取埋置后的空白信号背景，此背景包括了PCCP 管工作环境对磁探信号的影响，详细编号记录之后，作为后续电磁检测的参考背景；

4)：参照附图4所示，选择适当地点建立地面监测基站9，安装激励源电路、信号处理系统、主控电脑、相应线路和其他配套硬件设备，基站连接相应管段的 PCCP管10的监测层5中设备，完成相应设备调试工作。

本实用新型涉及的基于PCCP管的电磁检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1.通过主控电脑设置激励源电路的参数，开启激励源电路并向激励线圈输出稳定的大功率低频交流激励信号，激励线圈在激励信号的激发下产生低频交变磁场，所述的激励电路输出的激励信号为波形为周期波形或脉冲波形的激励电流，周期波形可以是为正弦波或三角波或方波，脉冲波形可以是正弦波、三角波、方波的一个或数个周期构成的脉冲波形；

S2.预应力钢丝层在交变磁场作用下产生感应电流，磁传感器装置获取PCCP 管不同位置的交变磁场和感应磁场叠加后的磁场强度，并以不同位置的磁场强度作为各个位置的探测信号传输给信号处理系统；

S3.信号处理系统对磁探信号进行放大、排除噪声干扰、提升信噪比处理，并将磁探信号转化为数字信号传输给主控电脑，其具体步骤包括：

S3.1.磁传感器将各个位置的磁探信号接入前置放大器，将磁探信号放大；

S3.2.滤波器选出与激励源电路产生的交流信号同频的磁探信号，排除低频和高频噪声的干扰，滤出强干扰信号的影响；

S3.3.锁相放大器根据激励源频率和相位进一步提高磁探信号的信噪比；

S3.4.A/D转换器将磁探信号转为数字信号；

S3.5.数据采集卡采集数字信号并输入给主控电脑；

S4.主控电脑根据数字信号的变化情况判断是否断丝，并根据各个数字信号及磁探测阵列中各个磁传感器的位置，绘制电磁信号背景图、运行磁场反演算法提取信号特异点、推算断丝的位置和数量。

上述PCCP管的电磁检测系统可以对PCCP管进行在线监测，即激励线圈 24小时不间断地产生激励信号，磁传感器装置24小时不间断地感应探测信号，进而实现在线监测，当某一时刻预应力钢丝层发生断裂时，主控电脑及时反馈断丝的位置和数量，便于及时评估PCCP管安全并对发现的危险管段实施维修工作。

上述PCCP管的电磁检测系统还可以对PCCP管进行周期性检测，检测过程包括：依据PCCP管使用寿命、工作年限、工作环境和前期断丝检测状况，不同管段制定不同的日常检测周期，确保PCCP管正常工作同时，监测PCCP管安全；按照制定的检测周期定期对对应的管段实施电磁检测，即步骤S2～S4，记录检测数据，评估PCCP管安全；对危险管段实施维修工作。

在本实施例中，检测的PCCP管型号为PCCPDE-1400型，激励线圈7尺寸：内径23cm，外径30cm，线圈匝数为500，激励线圈7位于PCCP管轴线中心。激励源电路设置为：激励频率为73Hz，输出波形为正弦波，电流输出有效值为 0.8A，保持激励电路稳定持续输出，驱动线圈产生交变磁场。磁传感器装置在激励线圈7相对的PCCP管另一侧，磁探测器类型为隧道磁阻传感器(TMR)，沿 PCCP管轴向水平均匀放置，相邻传感器之间相隔10cm，传感器由8V直流电源并联供电，数据输出线接入锁相放大器，锁相放大器的灵敏度为200，积分时间为500ms，各个磁传感器采集的数据再由计算机绘制成图，附图5是无断丝情况和1根断丝情况下电磁检测的结果，断丝所在位置为水平坐标0点，可见图中在断丝位置存在特异峰，实现了断丝的电磁检测。

以上结合实施例对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：其包括：

激励源电路，用于产生大功率低频交流激励信号；

智能监测层，设在PCCP管的预应力钢丝层和保护层之间，智能监测层内封装有激励线圈和磁传感器装置；所述的激励线圈，用于在激励信号的激发下产生低频交变磁场，预应力钢丝层在交变磁场作用下生成感应磁场；所述的磁传感器装置，用于获取PCCP管不同位置的交变磁场和感应磁场叠加后的磁场强度，并以不同位置的磁场强度作为各个位置的探测信号传输给信号处理系统；

信号处理系统，用于对磁探信号进行处理、将磁探信号转化为数字信号、将数字信号传输给主控电脑；

主控电脑，用于调整激励源电路的参数、根据数字信号的变化情况判断PCCP管的预应力钢丝层是否出现断丝的问题。

2.根据权利要求1所述的PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：所述的磁传感器装置包括多个设置在PCCP管不同位置，从而获取PCCP管不同位置磁探信号的磁传感器，形成磁传感器阵列，磁传感器均配有用于连接信号处理系统的通信线路，通信线路延伸至PCCP管外，并通过线缆与信号处理系统通信连接。

3.根据权利要求2所述的PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：所述的磁传感器的排布方式采用沿PCCP管轴线水平放置的方式、沿水平方向在PCCP管不同管壁高度斜向放置或交叉的放置方式、围绕PCCP管管壁一周或围绕部分圆周的放置方式、水平放置和圆周围绕放置相结合的网格放置方式、斜向放置或交叉放置和圆周围绕放置相结合的网格放置方式中的一种。

4.根据权利要求1所述的PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：所述的激励线圈上设有用于连接激励源电路的通信线路，通信线路延伸至PCCP管外，并通过线缆与激励源电路连接。

5.根据权利要求1所述的PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：所述的激励源电路包括：

信号发生器，用于产生低频交流信号；

电流放大器，用于增加低频交流信号的功率。

6.根据权利要求1所述的PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：所述的信号处理系统包括：

前置放大器，用于将磁探信号放大；

滤波器，包括带通滤波器和带阻滤波器，带通滤波器用于根据激励信号频段选出与其同频的磁探信号，排除低频和高频噪声的干扰；带阻滤波器用于根据PCCP管所处环境滤出强干扰信号的影响；

锁相放大器，根据激励源电路频率和相位进一步提高磁探信号的信噪比；

A/D转换器，用于将磁探信号转为数字信号；

数据采集卡，用于采集数字信号并输入给主控电脑。

7.根据权利要求1所述的PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：所述的激励线圈采用由金属导线绕制而成的柔性线圈，激励线圈采用圆形螺旋线圈、正方形螺旋线圈、长方形螺旋线圈、椭圆形螺旋线圈或菱形螺旋线圈中的一种。

8.根据权利要求1所述的PCCP管的电磁检测系统，其特征在于：所述的激励源电路、信号处理系统和主控电脑均设置在地面监测基站内。

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