基于脈沖渦流的管道內檢測系統設計

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(1.中國特種設備檢測研究院,北京 100029；2.成都工業職業技術學院,成都 610000)

管道是能源輸送的重要工具之一，長年運行的油氣管道在應力、磨損、腐蝕等自然因素或人為因素的損壞下，逐漸出現各種缺陷，有些缺陷對管道的正常運輸工作構成威脅，一旦管道發生事故或者泄漏，所造成的經濟損失及對環境造成的巨大污染將無法估量[1-2]。因此對管道進行定期的安全檢測十分必要。目前，對管道的在線、在役檢測的要求越來越高，漏磁檢測作為一種成熟的油氣輸送管道內檢測技術，已經能夠準確檢測出油氣輸送管道的金屬損失，但對管道內外壁缺陷的檢測靈敏度相近，對于管道內外壁缺陷無法精準地區別。而渦流檢測技術可對管道內壁缺陷進行識別，能區分管道內外壁缺陷。筆者通過對渦流檢測裝置的研制，實現了對管道內外壁缺陷的檢測與評估[3]。

1 脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測技術(Pulsed Eddy Current,簡稱PEC)屬于渦流檢測技術的范疇。廣義上來講，只要激勵信號是一個基于渦流檢測原理的瞬態能量，就屬于脈沖渦流檢測，激勵信號的波形并不拘泥于方波。但目前為了便于研究，激勵信號基本采用方波信號。脈沖渦流檢測系統通常在檢測探頭的激勵線圈兩端加載一個具有一定占空比的脈沖方波信號作為系統的激勵信號，激勵線圈中產生與激勵脈沖信號對應的周期脈沖電流，該周期的脈沖電流會在激勵線圈周圍感應出一個快速衰減的脈沖磁場。當檢測探頭靠近被測試件時，激勵線圈周圍的脈沖磁場在被測導體試件中感應出瞬時的脈沖渦流，隨著此脈沖渦流向被測導體試件內部傳播，被測試件內部感應出一個快速衰減的渦流磁場，該磁場在檢測元件上感應出隨時間變化的瞬態感應電壓信號，根據瞬態感應電壓的變化即可對被測試件上的缺陷信息進行分析[4]。

圖1 脈沖渦流檢測基本原理

圖2 脈沖渦流管道內檢測系統的總體方案框圖

2 系統設計

2.1 系統總體設計

設計的基于脈沖渦流的管道內檢測系統主要由脈沖激勵信號發生模塊、功率放大模塊、探頭模塊及數據采集和處理模塊組成。基于脈沖渦流的管道內檢測系統的總體方案框圖如圖2所示。系統的脈沖信號激勵電路以帶有脈沖寬度調制(PWM)的MSP430F149單片機為核心，通過LabVIEW軟件程序設計實現上位機與之通訊，控制脈沖信號激勵電路的啟動、停止及激勵信號相關參數的設定。由于系統脈沖信號激勵電路產生的信號功率較小，若將該激勵信號直接加載到檢測探頭激勵線圈兩端，不足以激勵出檢測所需的磁場強度，故系統在激勵信號電路后端設計了功率放大電路。將經過功率放大的脈沖信號加載到探頭的激勵線圈，當探頭靠近管壁時，在管壁激勵出脈沖渦流，檢測探頭的傳感器感應到管壁上各種缺陷引起的信號變化，并將檢測到的信號輸入數據采集模塊，數據采集模塊對數據進行采集與儲存，最終上位機進行數據的分析處理。

2.2 脈沖渦流檢測系統信號產生模塊設計

2.2.1 脈沖信號激勵電路設計

脈沖渦流檢測系統有電壓型和電流型兩種激勵形式[5]，由于激勵線圈中產生的磁場與檢測探頭激勵線圈中的電流直接相關，故選用電流型激勵進行設計。系統選用TI公司生產的MSP430F149單片機作為主控制芯片，MSP430F149中有兩個16位定時器，2個中斷向量，故可利用MSP430F149中定時器的比較模式產生PWM波。根據設計需求，單片機產生的PWM波通過減法器及運放產生幅值可變的正負脈沖方波信號。系統利用NI公司的LabVIEW軟件編程實現上位機與單片機的串口通訊，方便進行脈沖激勵電路的啟停控制以及脈沖信號的占空比、頻率、幅值等參數的設定，上位機脈沖信號參數設置界面如圖3所示。

圖3 上位機脈沖信號參數設置界面

2.2.2 功率放大電路設計

由脈沖信號激勵電路產生的脈沖信號，電流幅值較小，若將該信號直接加載到探頭激勵線圈兩端，不足以激勵出檢測缺陷所需的渦流磁場強度，所以脈沖信號激勵電路后端需接一功率放大電路來增大激勵電流[6]。根據脈沖渦流檢測需求，功率放大電路需針對信號激勵電路產生的電流進行信號放大，故選用電流反饋型功率放大電路對信號進行放大。

系統所設計的功率放大電路包括輸入級、中間驅動級、功率輸出級以及負反饋環節。電路輸入級對輸入信號進行差分處理，中間驅動級通過輸入級輸入的信號與負反饋環節輸入的反饋信號的共同作用，產生驅動功率輸出級的驅動電壓，驅動電壓驅動功率輸出級對功率進行放大，負反饋環節輸入端與功率輸出級輸出端相連，使電路形成閉環。

電路輸入級選用東芝公司的2N3906/2N3904，可獲得較低的輸出阻抗和較高的輸入阻抗，綜合性能比其他組合方式優越，且結構簡單。輸出級選用大功率MOSFET(場效應晶體管)2SK1056/2SJ160，并以共源推挽放大方式連接，這樣省去輸出緩沖器，使得電路進一步簡化。電路某電阻僅取220 Ω，可獲得較好的綜合性能。系統設計的放大電路對方波響應極好，轉換速率較高。

2.3 脈沖渦流檢測系統探頭模塊設計

目前在脈沖渦流檢測系統中，檢測探頭一般采用激勵線圈與檢測線圈或激勵線圈與傳感器的組合形式，且大部分系統采用的是激勵線圈與檢測線圈組合的形式來實現[7]。因考慮到檢測靈敏度等因素，采用磁敏傳感器霍爾元件UGN3503對脈沖渦流磁場的變化情況進行檢測[8]。檢測探頭整體結構示意如圖4所示。

圖4 檢測探頭整體結構示意

通過試驗驗證及相關計算，最后確定系統探頭的激勵線圈尺寸為：圓形塑料骨架外徑為26.1 mm，內徑為9.6 mm，高為16.6 mm。繞制激勵線圈所用的漆包線線徑為0.31 mm，這種漆包線允許通過的最大安全電流為5 A，將其纏繞在上述型號的圓柱形塑料骨架上，共繞制了500匝。

傳感器是保證探頭檢測精度的一個重要因素。目前常用的有檢測線圈、磁敏傳感器、磁阻傳感器、巨磁阻傳感器和超導量子干涉器等[8]，系統選用霍爾傳感器UGN3503，該型號的霍爾傳感器可以滿足磁場量程的要求，具有良好的線性度且無磁場滯后效應，其內部結構示意如圖5所示。

圖5 UGN3503內部結構示意

2.4 脈沖渦流檢測系統數據采集模塊設計

由于需要對檢測數據進行保存及處理，且考慮到檢測信號的特征，系統數據采集模塊選用NI公司的USB-6218數據采集板卡進行數據采集，這是一款總線供電帶隔離的USB M系列的多功能DAQ模塊，在高采樣率下也可以保持很高的精度[9]。并基于LabVIEW軟件編寫上位機數據采集程序，實現檢測數據的采集及軟件濾波功能，數據采集系統程序及其界面如圖6所示。

圖6 數據采集系統程序及其界面

3 基于脈沖渦流技術的管道內檢測試驗

3.1 試驗平臺

基于脈沖渦流技術的管道內檢測試驗平臺主要包括脈沖渦流信號激勵系統、探頭部分、帶有人工缺陷的試驗管段、數據采集系統和上位機等，整個檢測系統試驗平臺外觀如圖7所示。

圖7 基于脈沖渦流技術的管道內檢測系統試驗平臺外觀

系統試驗平臺選用的管段長度為1 010 mm，規格為D317×10 mm，管段內壁加工3個球形缺陷，大小均為φ10 mm，深度分別為10%，20%，30%管道壁厚，并在管段外壁加工兩個缺陷，大小均為φ5 mm，深度分別為10%，20%管道壁厚。

3.2 試驗結果與數據分析

試驗中使探頭由試驗管段一端運行到另一端，檢測系統設置的激勵信號頻率為100 Hz，占空比為50%，數據采集卡的采樣速率是1 000 s-1，共采集14 000個數據點。數據采集系統采集到的數據保存之后用MATLAB軟件對其進行處理，形成的波形如圖8所示。從檢測數據可看出，檢測系統能夠較好地識別出管段內壁缺陷，且識別不到管段外壁缺陷，證明檢測系統可以區分管道內外壁的缺陷特征。

圖8 檢測系統試驗數據波形

4 結論

(1) 設計的脈沖渦流管道內檢測系統可以識別管道內壁缺陷，檢出缺陷信號清晰明顯。

(2) 通過對脈沖激勵信號頻率的設置及調整，可以只識別管道內壁缺陷而不識別管道外壁缺陷，由此表明所設計的系統可以實現管道內外壁缺陷的區分識別。

(3) 檢出管道內壁缺陷的峰值電壓與被測區域缺陷的深度存在密切關系。