基于漏磁檢測的鋼管探傷監控系統設計*

李曉杰，王一光

(1.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱精達測量儀器有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078；3.黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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基于漏磁檢測的鋼管探傷監控系統設計*

李曉杰1,2，王一光3

(1.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱精達測量儀器有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078；3.黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

針對鋼管漏磁檢測的特殊性,設計開發了一種帶有干擾濾波的探傷監控系統，采用信號接收模塊配合多串口卡，開辟了多個內存緩沖區，將數據進行多線程并行分析處理，極大地提高了數據處理的速度和檢測的實時性。采用均值平移小波閾值去噪法對漏磁檢測信號進行降噪處理，有效降低了測量噪音等干擾因素的影響，并消除偽吉布斯現象。軟件部分利用Visual Studio C#進行開發，可以實現無人值守條件下的全自動流水線檢測控制、自動鋼管缺陷判斷、報警和分析處理等功能。系統具有高的實用性和可靠性。

漏磁檢測； 探傷監控； 均值平移小波去噪； 多內存緩沖； Visual Studio C#

0 引 言

在鋼管漏磁探傷領域，由于漏磁檢測數據受到環境因素、檢測方式和測量噪聲等因素的影響，使得檢測結果與實際情況出現偏差，不能反映鋼管的真實缺陷，也無法發揮漏磁檢測探傷速度快、反應靈敏等優勢。其中，橫向檢測的結果受影響最為明顯。橫向檢測需要的傳感器數量較多、實時上傳的數據量較大，數據處理過程較為復雜，傳統的橫向檢測數據常出現失真等問題。本文提出一種數據傳輸方案和一種特殊的小波閾值去噪法，很好地解決了上述技術問題，并獲得了良好的效果。

1 漏磁檢測監控軟件設計方案

由漏磁檢測原理可知，當缺陷走向與磁力線方向垂直時，缺陷處漏磁場強度最大，探傷靈敏度也最高。隨著缺陷走向的偏斜，漏磁場強度逐漸減小，直至二者走向一致時，漏磁場強度接近為零[1,2]。為了使缺陷不漏檢，出現了鋼管軸向磁化檢測橫向傷和周向磁化檢測縱向傷等檢測方法[3,4]。每種檢測方法都需要多個傳感器同時進行信號采集，其中，橫向檢測至少需要8個霍爾傳感器，縱向檢測至少需要3個霍爾傳感器。當檢測速度增加時，傳感器的數量需要成倍增加，因此，需要采集和上傳的數據量很大，并且需要傳輸的距離較遠(至少在200 m以上)。市面上可買到的數據采集板通常不符合該漏磁檢測數據傳輸的要求，因此，需要根據實際需求開發一種數據采集監控系統。

數據采集系統采用RS—422作為遠程數據傳輸方式，并在計算機端使用多串口卡，實現數據的高速、遠距離傳輸，傳輸過程如圖1所示。

圖1 數據遠距離傳輸方式Fig 1 Remote data transmission method

根據設計的數據傳輸方案，上位機監控軟件中的數據將由PCI多串口卡[5]來接收和發送，在內存中配合多串口卡開辟多個緩沖區，將數據進行多線程并行處理，極大地提高了系統的工作效率，完成數據的處理、實時顯示、實時存儲等功能。上位機工作流程如圖2所示。

圖2 監控軟件工作過程Fig 2 Working process of monitoring software

2 自動化檢測流水線設計

控制模塊對流水線上每個繼電器的動作加以控制，實現整個流水線的自動化和半自動化檢測。當選取全自動控制模式時，可在無人監控的情況下進行全套設備的自動運行、檢測、缺陷判斷和鋼管自動分類下線等操作。具體控制流程如圖3所示。

圖3 檢測與控制流程Fig 3 Flowchart of detection and control

3 數據處理

為了解決漏磁檢測的測量噪聲干擾問題，該系統采用均值平移小波閾值去噪法對測量信號進行濾波。傳統的小波閾值去噪法去噪的關鍵是閾值的選擇，它對去噪效果具有很重要的影響[6,7]。小波去噪進行閾值處理的方法一般有默認閾值去噪法、給定閾值去噪法、強制去噪法三種[8]。其中，強制去噪法將小波分解結構中的高頻系數全部置0，即濾掉所有高頻部分，然后對信號進行小波重構[9]。在閾值法的基礎上加以改進的均值平移小波去噪法不僅能有效地抑制偽吉布斯現象，而且能減小信號和估計信號之間的均方根誤差，是一種比閾值法更好的去噪方法。

為了改進去噪效果，本系統通過平移噪聲信號來改變不連續點的位置，對平移后的信號進行閾值法去噪處理，然后把去噪后的信號再進行相反的平移，便可以得到原信號的去噪信號。假設輸入的含噪信號為xi,i=0,1,…,n-1，Sh為對信號x在時域循環平移h的算子，即(Shx)i=x(i+h)mod，則得到的平移信號為Shx。用T表示小波閾值法對信號進行去噪處理，則去噪信號可表示為T(Shx)；對去噪后的信號再進行相反的循環平移h，可得最后的去噪信號S-h(T(Shx))。

在漏磁檢測中，橫向檢測法顯示的曲線相對平穩，缺陷顯示明顯，經過均值平移小波閾值去噪法處理后，相對較小的波動基本被去掉，只剩下明顯的缺陷圖形。縱向檢測法曲線的波動較大，經過去噪處理后，能夠明顯看到曲線更為光滑，比較容易辨認鋼管缺陷?？偞磐z測法是噪聲最強烈的，這種檢測法由于流水線結構的問題，受到了一個50 Hz固定頻率的干擾，經過去噪后，50 Hz的噪聲已經被去處，效果比較理想。圖4、圖5和圖6為均值平移小波閾值去噪法應用在3種檢測方式中的效果。

圖5 縱向檢測效果對比Fig 5 Comparison of vertical detection effect

圖6 總磁通檢測效果對比Fig 6 Comparison of total flux detection effect

4 漏磁檢測監控系統的軟件實現

監控軟件具有流水線檢測控制、儀器狀態監測、數據采集、數據處理、圖形顯示、數據管理、歷史數據管理和數據對比等功能。橫向、縱向、總磁通3種檢測方式的圖形和檢測信息的顯示可以讓操作人員清晰地看到檢測數據和系統運行的情況，使檢測過程和檢測結果更加安全可靠。圖7為系統的監控界面。

5 結 論

實驗證明：該漏磁檢測監控系統達到各項設計要求，能夠在無人參與的條件下完成自動運行、檢測、缺陷判斷、報警和鋼管自動分類下線等操作并能給出缺陷的準確位置。

圖7 監控系統主界面Fig 7 Main interface of monitoring system

本文所述的鋼管漏磁檢測系統現已在大慶油田、新疆彩南油田和吉林油田的抽油管無損探傷中應用。

[1] 林俊明.漏磁檢測技術及發展現狀研究[J].無損探傷，2006，30(1)：1-5.

[2] 劉 輝.基于直流正交磁化的鋼管縱向傷漏磁檢測方法研究[D].武漢:華中科技大學,2008：17-18.

[3] 宋 凱，康宜華，孫燕華，等.漏磁與渦流復合探傷時信號產生機理研究[J].機械工程學報，2009，45(7)：233-237.

[4] 李 健,崔劍雷,劉 棟.高清晰度漏磁管道內檢測器主控系統的設計[J].傳感器與微系統,2012,31(5):129-131.

[5] 郭俊釗.PCIE多串口卡設計[J].電子制作，2013(5):18-19.

[6] 蔡德尊.基于小波變換的圖像去噪算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2011.

[7] 田 豐,孫 劍,邵 山.小波閾值去噪在傳感器性能試驗數據處理中的應用[J].傳感器與微系統,2014,33(6):143-146.

[8] 王春香,李麗宏,張 帝.基于小波變換和DBN的汽車衡傳感器故障診斷[J].傳感器與微系統,2016,35(4):22-24.

[9] 薛纏明,李麗宏.小波分析在激光測距傳感器中的應用[J].傳感器與微系統,2015，34(6):151-152.

Design of steel pipe flaw detection monitoring system based on magnetic flux leakage detection*

LI Xiao-jie1,2,WANG Yi-guang3

(1.School of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Harbin Jingda Measuring Instruments Co Ltd,Harbin 150078,China;3.Electronic Engineering College,Heilongjiang University,Harbin 150080,China)

Aiming at particularity of steel pipe magnetic flux leakage detection,a flaw detection system with interference filtering is designed and developed,signal receiving module with multi-serial port card is used for opening up multiple memory buffers,data can be analyzed and processes by multi-threads,the speed of data processing and instantaneity of detection are greatly improved.In this system,the magnetic flux leakage detection signal is processed by the method of mean-shift wavelet threshold denoising which can effectively reduce effect of measurement noise and eliminate the pseudo Gibbs phenomenon.The software of this system is implemented by Visual Studio C#,and unattended detection and control of automatic pipeline,steel pipe defect determination,alarm and analysis and processing can be achieved.Compared with traditional magnetic flux leakage testing monitoring software,the system has higher availability and reliability.

magnetic flux leakage testing;flaw detection monitoring;mean-shift wavelet denoising;multiple memory buffers;Visual Studio C#

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0100—03

2016—09—22

黑龍江大學青年科學基金資助項目(QL201506)：黑龍江大學電子工程省高校重點實驗室開放基金資助項目(DZGC201607)

TG 115

B

1000—9787(2016)11—0100—03

李曉杰(1987-)，女，四川崇州人，碩士，助理工程師，從事精密儀器檢測工作。