專(zhuān)利名稱(chēng)：低功耗智能三維漏磁檢測(cè)探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油氣長(zhǎng)輸管道的腐蝕、裂紋等缺陷的漏磁檢測(cè)設(shè)備的三維探頭，用于檢測(cè)缺陷的形狀和深度。
背景技術(shù)：
由于腐蝕、疲勞裂紋和意外損傷等原因，油氣長(zhǎng)輸管道的泄露時(shí)有發(fā)生，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。在管道運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，高效可靠的檢測(cè)技術(shù)手段，對(duì)于事故隱患的評(píng)估預(yù)報(bào)、維護(hù)和管道安全具有重要意義。漏磁檢測(cè)的基本原理是利用外加磁場(chǎng)使管道材料磁化，當(dāng)材料有缺陷時(shí)導(dǎo)磁率將發(fā)生變化，導(dǎo)致磁力線(xiàn)彎曲畸變，并有一部分磁力線(xiàn)泄漏出材料表面(附圖1)。通過(guò)檢測(cè)該泄漏磁場(chǎng)就能有效地檢測(cè)出缺陷的形狀和深度。目前，市場(chǎng)上采用的油氣管道腐蝕檢測(cè)器是基于一個(gè)維度方向上漏磁場(chǎng)的檢測(cè)， 受電池容量限制，沿管道圓周最多布置500個(gè)傳感器，傳感器間距5 10mm，缺陷形狀和深度檢測(cè)精度還不夠好。特別是對(duì)于裂紋缺陷，分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。而采用三維檢測(cè)和高分辨率檢測(cè)，需要大量增加傳感器數(shù)量到1500 4000個(gè)，甚至更多，則供電電池容量需要增加到3 10倍，成為制約管道檢測(cè)設(shè)備制造和檢測(cè)精度的關(guān)鍵瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有管道漏磁檢測(cè)器探頭分辨率低和功耗大的缺點(diǎn)，提供了一種適用于高精度多傳感器(1500 4000個(gè))檢測(cè)、低功耗(傳統(tǒng)設(shè)備的1/30 1/200)的智能三維漏磁檢測(cè)探頭。本發(fā)明的智能化三維漏磁測(cè)頭的技術(shù)方案是探頭由霍爾傳感器陣列、分時(shí)供電模塊、信號(hào)處理模塊和智能控制器構(gòu)成(附圖幻。1.采用三維霍爾傳感器或3個(gè)霍爾傳感器分X-Y-Z三個(gè)方向擺放，分別探測(cè)各方向的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)三維檢測(cè)和缺陷的高精度解析與還原；2.各傳感器采用模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)供電與數(shù)據(jù)輪換采集方式，功耗能夠降低到原來(lái)1/30 1/200，解決了電池容量瓶頸；3.采用更加密集的傳感器布置和數(shù)據(jù)采集方式，提高檢測(cè)的分辨率；4.采用CPLD進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)智能化分時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出和通訊。每組3個(gè)霍爾傳感器按X-Y-Z三方向順序緊密擺放，這三個(gè)傳感器器測(cè)量管道內(nèi)表面上一個(gè)點(diǎn)的空間磁場(chǎng)(附圖2)，其中X方向?yàn)槁┐诺闹鞔艌?chǎng)方向，磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，Y、Z 方向?yàn)槁┐诺母贝艌?chǎng)方向，磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。漏磁的主磁場(chǎng)為檢測(cè)缺陷的主要依據(jù)，而副磁場(chǎng)對(duì)于更好的描述漏磁場(chǎng)形狀和完整還原缺陷形狀有著重要的作用，大大提高了缺陷檢測(cè)精度，特別是對(duì)裂紋的檢測(cè)，減小了漏檢率。各組傳感器擺放間隔3 10mm。按照采樣間隔 2 5mm、檢測(cè)器最大運(yùn)行速度10m/S計(jì)算，傳感器最快要在0. 2 0. 5ms內(nèi)全部輪換采樣一次。在輪換采樣中，不采樣的傳感器不必供電。因此，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)電，使用模擬開(kāi)關(guān)給傳感器依次輪換分時(shí)供電，電耗能夠降低到原來(lái)的1/10 1/20 ；考慮到檢測(cè)器常用實(shí)際運(yùn)行速度一般為1 3m/s，總供電采樣時(shí)間只占工作時(shí)間的1/10能耗將減低到原來(lái)的1/30 1/200;試驗(yàn)表明，傳感器從供電到輸出穩(wěn)定、進(jìn)行采樣的最快輪換速度可達(dá)0. 02ms，滿(mǎn)足以上的最快切換速度要求。使用另一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)對(duì)傳感器輸出進(jìn)行切換采樣，每個(gè)測(cè)頭只需1套電壓跟隨器和A/D轉(zhuǎn)換器，就可實(shí)現(xiàn)多達(dá)30個(gè)以上傳感器的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。分時(shí)供電、輪換采樣、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出和通訊等采用CPLD進(jìn)行智能控制。CPLD 作為復(fù)雜可編程邏輯器件，其抗干擾能力很強(qiáng)。目前漏磁檢測(cè)探頭按寬度^mm設(shè)計(jì)，可以放置4組12個(gè)傳感器(組間隔7mm)(附圖4) 8組M個(gè)傳感器(組間隔3. 5mm)(附圖5)。按Φ 1219管道計(jì)算，傳感器數(shù)量達(dá)到 1500 4000個(gè)，分辨率達(dá)7*5 35Mmm的三維檢測(cè)。比現(xiàn)有一維檢測(cè)的傳感器數(shù)量增大 3 6倍，而電池容量基本不變。由于每個(gè)霍爾傳感器工作電流約7mA，所有傳感器同時(shí)供電的電流過(guò)大，對(duì)電池供電的漏磁檢測(cè)器來(lái)說(shuō)是一致命瓶頸。當(dāng)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)切換給霍爾傳感器供電時(shí)，霍爾傳感器從開(kāi)始供電到達(dá)到穩(wěn)定輸出需要20us左右的提前供電時(shí)間，所以每個(gè)傳感器在進(jìn)行信號(hào)采樣前都必須有20us以上的提前供電時(shí)間。在一個(gè)傳感器模擬信號(hào)采樣結(jié)束后，控制供電和采樣的兩個(gè)模擬開(kāi)關(guān)立即切換到下個(gè)等待采樣的霍爾傳感器。每個(gè)傳感器采用分時(shí)供電、輪換采樣控制，其中Sl和S2為兩個(gè)多通道模擬開(kāi)關(guān)，Sl控制各傳感器供電，S2控制各傳感器輸出信號(hào)的選通，即同一時(shí)刻只有一個(gè)傳感器接通5V電壓和輸出信號(hào)給A/D。Sl和 S2依次選通各霍爾傳感器，兩個(gè)模擬開(kāi)關(guān)由CPLD控制切換。各霍爾傳感器輸出電壓經(jīng)過(guò)濾波電容高頻濾波消除噪聲后串行進(jìn)入電壓跟隨器， 得到能夠被A/D采樣的模擬信號(hào)。在檢測(cè)器工作過(guò)程中，要求的探頭采樣頻率一般小于100k/S，根據(jù)采樣定理，采樣頻率最好是探頭頻率的5-8倍，本實(shí)施例選用的A/D轉(zhuǎn)換器采樣頻率達(dá)到1. 25M/s,能夠滿(mǎn)足探頭傳感器高速采樣的要求。CPLD作為本發(fā)明微控制器，能夠響應(yīng)上位機(jī)信號(hào)并對(duì)兩個(gè)模擬開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行智能控制，最后把模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。本發(fā)明僅限于漏磁信號(hào)采集部分，和上位機(jī)部分結(jié)合使用能夠完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)壓縮和還原，再加上檢測(cè)器機(jī)械動(dòng)力部分，能夠完整的實(shí)現(xiàn)油氣管道三維漏磁檢測(cè)功能。


附圖1為漏磁檢測(cè)原理圖附圖2為漏磁場(chǎng)與探頭布置附圖3為本發(fā)明的探頭原理圖；附圖4為霍爾傳感器陣列布局G組12個(gè)傳感器)；附圖5為霍爾傳感器陣列布局(8組M個(gè)傳感器)；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)的介紹參照附圖4和附圖5所示的霍爾傳感器陣列，每組三個(gè)傳感器測(cè)量空間上一點(diǎn)的三維磁場(chǎng)，第一行傳感器測(cè)量Z方向磁場(chǎng)強(qiáng)度，第二行傳感器測(cè)量X方向磁場(chǎng)強(qiáng)度，第三行傳感器測(cè)量Y方向磁場(chǎng)強(qiáng)度，由此實(shí)現(xiàn)附圖2所示空間上一點(diǎn)的漏磁場(chǎng)三維測(cè)量。附圖3 所示模擬開(kāi)關(guān)Si、S2分別對(duì)各霍爾傳感器的供電和采樣進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電和輪換采樣。電壓跟隨器隔離傳感器輸出電壓和A/D芯片，達(dá)到阻抗匹配，有利于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把數(shù)字信號(hào)傳送給智能控制器。智能控制器控制模擬開(kāi)關(guān)S1、S2和A/D芯片， 并和上位機(jī)進(jìn)行通訊，把各傳感器測(cè)量信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。 上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.低功耗智能三維漏磁檢測(cè)探頭，由霍爾傳感器陣列，分時(shí)供電模塊，信號(hào)處理模塊， 智能控制器等構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾傳感器陣列，其特征在于每個(gè)測(cè)頭采用4 8組、每組 3個(gè)霍爾傳感器；每組傳感器分3排按X-Y-Z三個(gè)方向擺放，構(gòu)成三維磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分時(shí)供電模塊，其特征在于多個(gè)傳感器采用分時(shí)供電與輪換采集模式。采用模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行分時(shí)供電控制，只給采樣的傳感器供電。這樣可以實(shí)現(xiàn)超低功耗(傳統(tǒng)探頭的1/30 1/200)，使得漏磁檢測(cè)器的傳感器數(shù)量可以達(dá)到1500 4000 個(gè)，不再受到電池容量的限制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號(hào)處理模塊包括濾波電路、電壓跟隨器電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，其特征在于只需1套電壓跟隨器、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換器，依次進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采樣，大大簡(jiǎn)化了電路和減低了能耗；電壓跟隨器隔離傳感器輸出和A/D轉(zhuǎn)換器，達(dá)到阻抗匹配；濾波電路去除高頻噪聲；A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能控制器，其特征在于采用CPLD邏輯控制器(或單片機(jī)) 對(duì)分時(shí)供電、輪換采樣、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)輸出和通信等實(shí)行智能控制，具有穩(wěn)定性高，抗磁干擾特性。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低功耗智能三維漏磁檢測(cè)探頭，用于長(zhǎng)輸管道的腐蝕和裂紋等缺陷的漏磁檢測(cè)設(shè)備，能夠達(dá)到高精度多傳感器檢測(cè)(1500～4000個(gè))、低功耗(傳統(tǒng)設(shè)備的1/30～1/200)，解決了漏磁檢測(cè)器的電池容量關(guān)鍵瓶頸。該探頭由霍爾傳感器陣列、分時(shí)供電模塊、信號(hào)處理模塊和智能控制器構(gòu)成。霍爾傳感器陣列測(cè)量X-Y-Z三方向漏磁強(qiáng)度。分時(shí)供電模塊只給采樣的傳感器分時(shí)供電，實(shí)現(xiàn)低功耗。信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)信號(hào)濾波，A/D轉(zhuǎn)換等。智能控制器采用CPLD，實(shí)現(xiàn)分時(shí)供電控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出和通信，抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01B7/28GK102192953SQ20101026621
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者劉紅旗, 吳哲, 張俊杰, 曹熙, 胡鐵華, 黃平江 申請(qǐng)人:中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心