基于微機(jī)械慣導(dǎo)的管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)*

馬義來 陳金忠 周漢權(quán) 孟濤 何仁洋

(中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院壓力管道部)

0 引 言

隨著GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》將管道中心線測(cè)繪作為管道完整性檢測(cè)內(nèi)容之一，管道中心線測(cè)繪成了管道內(nèi)檢測(cè)的強(qiáng)制檢測(cè)項(xiàng)目[1]。目前管道中心線測(cè)繪一般采用高精度戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性測(cè)量單元(IMU)，該級(jí)別的IMU測(cè)量能力強(qiáng)，可提供精確可靠的三維坐標(biāo)，但戰(zhàn)術(shù)級(jí)IMU的尺寸及功耗都較大，無法應(yīng)用于小口徑管道，且成本也過高[2]。因此，針對(duì)小口徑管道中心線的測(cè)繪，考慮采用體積小、價(jià)格便宜的微機(jī)械(MEMS)慣性測(cè)量單元來實(shí)現(xiàn)。

漏磁檢測(cè)作為目前管道內(nèi)檢測(cè)最成熟的檢測(cè)手段，應(yīng)用面廣，對(duì)原油管道、成品油管道和天然氣管道都可檢測(cè)，但漏磁檢測(cè)以缺陷處漏磁場(chǎng)為檢測(cè)對(duì)象，需形成磁化回路裝置以及相應(yīng)的檢測(cè)探頭，且對(duì)于不同走向的缺陷需要采取不同的磁化回路檢測(cè)裝置與掃查方式[3-4]，導(dǎo)致檢測(cè)設(shè)備體積和質(zhì)量較大，在小口徑管道檢測(cè)極易發(fā)生卡堵事故，因此需要開發(fā)一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低的檢測(cè)方法。永磁擾動(dòng)檢測(cè)方法基于磁作用場(chǎng)發(fā)生突變時(shí)的磁擾動(dòng)機(jī)理，它是由于磁場(chǎng)突變時(shí)磁能趨近低勢(shì)穩(wěn)態(tài)而產(chǎn)生磁場(chǎng)重構(gòu)形成的。當(dāng)永磁體與被檢測(cè)導(dǎo)磁構(gòu)件發(fā)生磁作用且該構(gòu)件表面出現(xiàn)不連續(xù)性突變時(shí)，永磁體由于空間的擾動(dòng)反饋而自身發(fā)生擾動(dòng)變化，捕獲到永磁體的這一擾動(dòng)變化，便獲得導(dǎo)磁構(gòu)件表面與之對(duì)應(yīng)的不連續(xù)性所在，可以有效解決漏磁檢測(cè)在小口徑管道檢測(cè)中存在的問題，實(shí)現(xiàn)小口徑管道管體特征和管道內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。鑒于此，筆者研發(fā)了基于MEMS慣導(dǎo)的管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)。

1 基于MEMS慣導(dǎo)的管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于MEMS慣導(dǎo)的管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)由低頻定位跟蹤系統(tǒng)、電池節(jié)、多功能測(cè)繪節(jié)、磁擾動(dòng)檢測(cè)單元、萬向節(jié)及里程輪組成，如圖1所示。電池節(jié)密封防爆腔體內(nèi)裝有高能量電池組，為MEMS慣導(dǎo)多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)供電；同時(shí)電池節(jié)兼具驅(qū)動(dòng)節(jié)功能，利用皮碗密封，使管道輸送介質(zhì)在電池節(jié)前后形成驅(qū)動(dòng)壓差，為整個(gè)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力。多功能測(cè)繪節(jié)包括磁擾動(dòng)檢測(cè)單元、IMU以及計(jì)算機(jī)單元，磁擾動(dòng)檢測(cè)單元可以檢測(cè)管體特征(三通、閥門、焊縫、外部接管和彎頭)及管道內(nèi)壁缺陷等。IMU包含陀螺儀和加速計(jì)，加掛在幾何檢測(cè)工具或漏磁檢測(cè)工具上，能夠精確測(cè)量X、Y、Z3個(gè)方向上的轉(zhuǎn)速和加速度，可以測(cè)量管道中心線相對(duì)位置。計(jì)算機(jī)單元負(fù)責(zé)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。里程輪能夠測(cè)量整條管道的里程距離，實(shí)現(xiàn)管體特征及缺陷的軸向定位，可以轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)運(yùn)行速度來抑制IMU定位誤差的積累。電池節(jié)與多功能測(cè)繪節(jié)通過剛性萬向節(jié)進(jìn)行連接。

1—低頻定位跟蹤系統(tǒng)；2—電池節(jié)；3—萬向節(jié)；4—磁擾動(dòng)檢測(cè)單元；5—多功能測(cè)繪節(jié)；6—里程輪。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于MEMS慣導(dǎo)的小口徑管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)采用ARM核心模塊作為系統(tǒng)的中央處理單元，用體積小、容量大的TF卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，ARM核心模塊有相應(yīng)的接口直接高速讀寫TF卡。系統(tǒng)所有通道的磁擾動(dòng)探頭信號(hào)及模擬里程信號(hào)通過模擬開關(guān)進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊后，被FPGA采集并進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)壓縮處理。慣性測(cè)量單元模塊數(shù)據(jù)通過RS-422通信方式被FPGA采集。FPGA采集慣性測(cè)量單元模塊的輸出信息并發(fā)送給ARM核心模塊，在ARM核心模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解算并輸出姿態(tài)信息。FPGA模塊與ARM核心模塊之間通過雙口RAM的存儲(chǔ)原理實(shí)現(xiàn)通信接口設(shè)計(jì)[5-6]。上位機(jī)通過RS-232實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試及進(jìn)行相關(guān)的調(diào)試工作，通過USB接口完成系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的下載工作?；贛EMS慣導(dǎo)的小口徑管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2.1 慣性測(cè)量單元

系統(tǒng)選擇Sensonor公司的慣性測(cè)量單元STIM300，STIM300是一款質(zhì)量55 g的小型、無GPS輔助的慣性測(cè)量單元，內(nèi)置了3個(gè)傾角儀以確保精準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)平，并提供了一個(gè)外部同步信號(hào)輸入。該款慣性測(cè)量單元進(jìn)行了全工作范圍溫度補(bǔ)償，所有的軸都相對(duì)封裝基準(zhǔn)面進(jìn)行了機(jī)械和電氣對(duì)準(zhǔn)，對(duì)磁場(chǎng)不敏感，零偏穩(wěn)定性為0.5 (°)/h，量程范圍為±400 (°)/s，零偏溫度精度為10 (°)/h，加速度計(jì)量程范圍為±10g，通過RS-422的串口與主控板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和采集存儲(chǔ)。

圖2 基于MEMS慣導(dǎo)的小口徑管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Functional block diagram for multifunctional internal detection system of small diameter pipeline based on inertial navigation of MEMS

2.2 永磁擾動(dòng)探頭設(shè)計(jì)

永磁擾動(dòng)探頭選用Honywell公司的SS495A霍耳傳感器[7]，采用4組SS495A霍耳傳感器并聯(lián)后通過TLV271單通道運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)處理，永磁體固定在探頭電路板上，與SS495A霍耳傳感器成90°夾角，距離被檢測(cè)件5 mm，建立相互磁作場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)管體特征(三通、閥門、焊縫、外部接管和彎頭)及管道內(nèi)壁缺陷等的檢測(cè)。永磁擾動(dòng)探頭電路如圖3所示。

圖3 永磁擾動(dòng)探頭電路圖Fig.3 Circuit diagram of permanent magnet disturbance probe

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

基于MEMS慣導(dǎo)的小口徑管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程主要由AD轉(zhuǎn)換模塊、FPGA和ARM配合，實(shí)現(xiàn)永磁擾動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。筆者利用開發(fā)工具Keil MDK，采用C語言編寫ARM程序，具有較強(qiáng)的可移植性；利用Quartus軟件，采用VHDL語言實(shí)現(xiàn)FPGA的開發(fā)和仿真，便于對(duì)邏輯工作的調(diào)試和模擬。系統(tǒng)處于正常工作模式下，由里程輪信號(hào)觸發(fā)系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)通過切換信號(hào)通道地址與模擬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)永磁擾動(dòng)信號(hào)和IMU數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)[8]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖Fig.4 Program flow chart of data acquisition system

3.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)搭載MEMS慣性導(dǎo)航單元，能夠?yàn)闄z測(cè)器提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)。慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算的大致流程如下：首先采用實(shí)時(shí)“預(yù)測(cè)-修正”的濾波方法降低數(shù)據(jù)噪聲；其次，在現(xiàn)場(chǎng)需要記錄慣性導(dǎo)航的初始靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，即消除慣性導(dǎo)航的零漂；最后，融合經(jīng)濾波和零漂處理的加速度計(jì)和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，結(jié)合地面定位點(diǎn)地理坐標(biāo)，完成對(duì)慣性導(dǎo)航各采樣點(diǎn)坐標(biāo)的解算和修正。完成慣性導(dǎo)航坐標(biāo)的解析，獲得各采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)后，利用時(shí)間作為參數(shù)實(shí)現(xiàn)管道任一特征點(diǎn)的具體坐標(biāo)匹配，匹配流程如圖5所示。

圖5 管道特征點(diǎn)坐標(biāo)匹配流程Fig.5 Matching process of pipeline characteristic point coordinate

4 工程應(yīng)用

使用基于MEMS慣導(dǎo)的小口徑管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)在某成品油管道進(jìn)行了工程應(yīng)用，該管道全長102 km，采用外徑273 mm、L360M直縫高頻焊接鋼管。MEMS慣性導(dǎo)航采集速度和加速度等信號(hào)，并完成對(duì)慣性導(dǎo)航各采樣點(diǎn)坐標(biāo)的解算和修正，解算及修正好的管道軌跡路線圖如圖6所示。利用時(shí)間參數(shù)實(shí)現(xiàn)管道任一特征點(diǎn)的具體坐標(biāo)匹配及地面設(shè)置的MARK點(diǎn)修正，有效獲取管道特征的地理坐標(biāo)信息，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證，數(shù)據(jù)精度滿足檢測(cè)要求。

圖6 管道軌跡路線圖Fig.6 Pipeline trailing route

系統(tǒng)搭載的磁擾動(dòng)探頭完成了管體特征(三通、閥門、焊縫、外部接管和彎頭)及管道內(nèi)壁缺陷等的檢測(cè)[9-10]。管體特征檢測(cè)信號(hào)示意圖如圖7所示。

圖7 管體特征檢測(cè)信號(hào)示意圖Fig.7 Detection signals of characteristic points in pipeline

5 結(jié) 論

(1)提出了一種基于MEMS慣導(dǎo)的管道中心線測(cè)繪與基于永磁擾動(dòng)檢測(cè)的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，并基于該技術(shù)研發(fā)了體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、操作方便的小口徑管道多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)。

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用、測(cè)繪結(jié)果和實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明，多功能內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)繪管道中心線軌跡坐標(biāo)，系統(tǒng)的永磁檢測(cè)探頭可以有效檢測(cè)管道特征及內(nèi)壁缺陷。

(3)該系統(tǒng)利用時(shí)間參數(shù)實(shí)現(xiàn)管道任一特征點(diǎn)的具體坐標(biāo)匹配，有效獲取管道特征的地理坐標(biāo)信息，提高了管道內(nèi)檢測(cè)定位的精度，對(duì)保證小口徑管道安全運(yùn)行具有重要作用。