油氣管道內(nèi)表面渦流無損檢測系統(tǒng)研究

牛廣亮，孫向陽，李星橙，王鈺琪

(電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 611731)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)于石油、天然氣等資源的需求日益增長。管道作為油氣資源儲(chǔ)運(yùn)的重要載體，為了適應(yīng)市場需求，我國油氣管網(wǎng)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大[1]。與此同時(shí)，如何對(duì)管道缺陷進(jìn)行檢測、確保油氣管道能夠安全運(yùn)輸，成為在管道建設(shè)中不可忽視的環(huán)節(jié)?；诖?，管道內(nèi)檢測方法應(yīng)運(yùn)而生，屬于國內(nèi)外學(xué)者在無損探傷領(lǐng)域中的一大熱點(diǎn)問題[2]。其中，漏磁檢測利用鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率的特性，對(duì)被測物體進(jìn)行磁化，進(jìn)而在缺陷周圍產(chǎn)生漏磁場[3]。脈沖渦流檢測采用方波或者階躍信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，其包含了多種頻率成分，主要通過測量渦流在金屬試件中的衰減，可以檢測出較深的缺陷[4-5]。文獻(xiàn)[6-7]研究對(duì)于管道遠(yuǎn)場渦流檢測，通過檢測信號(hào)的幅值來實(shí)現(xiàn)相位解纏，取得了較好的檢測效果，但對(duì)相位直接提取不夠深入。

因此，本文基于渦流檢測技術(shù)，提出了通過硬件電路對(duì)缺陷電信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行同時(shí)快速提取，并分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，相較于數(shù)字相敏檢波更易實(shí)現(xiàn)。除了發(fā)射電路和接收電路外，設(shè)計(jì)了差動(dòng)式自比較型渦流檢測探頭，并且搭建了上位機(jī)軟件平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示檢測到的缺陷信號(hào)。最終，實(shí)現(xiàn)了檢測靈敏度高、在線可視化的渦流無損檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理

渦流檢測以法拉第電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)，主要適用于金屬材料的缺陷檢測。渦流檢測基本原理如圖1所示，當(dāng)通有交變電流的檢測線圈靠近被測物體時(shí)，由于激勵(lì)磁場的作用，被測物體中將感應(yīng)出渦流。渦流的幅值、相位和路徑均受被測物體影響，而由被測物體中的渦流產(chǎn)生的磁場也將在檢測線圈中感應(yīng)出電壓[8]。因此，通過觀測檢測線圈上感應(yīng)電壓的變化，就可判斷被測物體中是否存在缺陷。

圖1 渦流檢測基本原理

在渦流檢測的過程中，采用線圈作為探頭，被測物體中的缺陷信息可以通過不同形式的線圈的輸出電壓變化反映出來[9]。本系統(tǒng)采用的渦流檢測探頭主要由1個(gè)激勵(lì)線圈和2個(gè)檢測線圈組成。激勵(lì)線圈用來在被測金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流，而2個(gè)檢測線圈反向連接形成差動(dòng)形式，來降低直接耦合信號(hào)的干擾，最終可以檢測缺陷電信號(hào)。探頭的線圈骨架采用中柱內(nèi)徑為10 mm，外徑為26 mm，高度為12.2 mm的圓形骨架。在線圈骨架中間插入錳鋅鐵氧體，它不同于純鐵、非晶態(tài)合金等磁芯材料，可以用來增大線圈的電感，提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，從而增強(qiáng)探頭的檢測靈敏度[10]。為了減少溫度變化對(duì)探頭檢測性能的影響，除了上述2個(gè)檢測線圈采用差動(dòng)反接的方式外，探頭的芯線選用低電阻系數(shù)、低溫度系數(shù)，直徑為0.1 mm的漆包線。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

渦流檢測系統(tǒng)主要包括發(fā)射電路和接收電路。其中，發(fā)射電路主要用來產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，由DDS、低通濾波和功率放大等電路模塊組成；接收電路的功能是將探頭檢測到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，它包含了全橋測量電路、儀表放大、可調(diào)增益放大、帶通濾波和幅相檢測等模塊。如圖2所示，單片機(jī)控制DDS芯片AD9833產(chǎn)生正弦波信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大后，接入探頭，在被測試件上激勵(lì)出渦流，并檢測到渦流電信號(hào)。接收電路通過對(duì)其進(jìn)行放大，并由幅相檢測電路轉(zhuǎn)換成反映缺陷信號(hào)的幅值和相位對(duì)應(yīng)的電壓值，最后，通過單片機(jī)處理之后，在上位機(jī)上顯示。

圖2 渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

激勵(lì)源設(shè)計(jì)主要用來產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)和用于幅相檢測的參考信號(hào)。在渦流檢測中，對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的精度、頻率和幅值穩(wěn)定性要求比較高，因?yàn)檫@直接關(guān)系到探頭檢測的靈敏度。系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與其他信號(hào)波形產(chǎn)生技術(shù)相比較，其具有信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換精度高、速度快、輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。如圖3所示，采用單片機(jī)STC15F2K08S2和DDS芯片AD9833設(shè)計(jì)一種具有輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度高、幅值穩(wěn)定輸出的信號(hào)源，作為激勵(lì)信號(hào)。

圖3 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路

2.2 信號(hào)濾波放大電路設(shè)計(jì)

采用有源濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)闊o源濾波器通帶與截止頻率會(huì)隨負(fù)載發(fā)生變化，不適合微弱信號(hào)處理要求較高的場合。本次采用低噪聲雙通道精密放大器AD8676芯片進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，如圖4所示，第一級(jí)為一階低通緩沖RC，同時(shí)電壓放大2倍。考慮到接收電路的穩(wěn)定性，采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二級(jí)的低通濾波的設(shè)計(jì)。另外，AD9833的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力有限，電流峰峰值只有10 mA，難以驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生較大的渦流，所以需要進(jìn)行功率放大。在本系統(tǒng)中，考慮到激勵(lì)信號(hào)帶寬要求，采樣單路低噪聲高電壓電流放大芯片THS3111ID進(jìn)行功率放大，它最大輸出電流可以達(dá)到260 mA。最后，將該信號(hào)接入激勵(lì)線圈探頭。

圖4 信號(hào)濾波放大電路設(shè)計(jì)

2.3 幅相檢測

在渦流檢測中，被測試件是否存在缺陷間接地通過信號(hào)幅值和相位反映出來。因此，對(duì)于整個(gè)渦流無損檢測系統(tǒng)而言，被測信號(hào)幅值和相位的測量至關(guān)重要。本次設(shè)計(jì)通過硬件電路方式，利用AD8302幅相檢波器來實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)的幅值和相位的檢測，幅相檢測電路如圖5所示。

圖5 幅相檢測電路

AD8302內(nèi)部包括2個(gè)精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)放大器、1個(gè)寬帶線性乘法器、1.8 V精密基準(zhǔn)電壓源和模擬輸出調(diào)節(jié)電路，幅值動(dòng)態(tài)測量范圍可以達(dá)到60 dB，可以測量相位動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到0～180°，可以滿足測試的基本需求。其輸出信號(hào)幅值比和相位差計(jì)算公式如下：

VMAG=20log(VINA/VINB)×30+900

(1)

VPHS=-10×(|Φ(VINA)-Φ(VINB)|-90)+900

(2)

式中：VINA和VINB分別為輸入到AD8302的參考信號(hào)和檢測信號(hào)的幅值；Φ(VINA) 和Φ(VINB)分別為參考信號(hào)和檢測信號(hào)的相位。

最后，將計(jì)算輸出的幅值比VMAG和相位差VPHS經(jīng)過電壓跟隨器后，通過單片機(jī)控制A/D分別對(duì)幅值比、相位差進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。幅相檢測電路將幅值和相位于一體，使得原本復(fù)雜的幅值相位測量變得簡化，同時(shí)，改善了渦流檢測系統(tǒng)的性能。

2.4 上位機(jī)軟件

在渦流檢測的過程中，利用Visual Studio2013軟件開發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)上搭建上位機(jī)系統(tǒng)。整個(gè)渦流檢測硬件電路經(jīng)過信號(hào)處理之后得到缺陷信號(hào)，通過USB模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，最終得以在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示缺陷信號(hào)幅值和相位信息的變化，從而判斷當(dāng)前被測物體是否存在缺陷，并進(jìn)一步分析被測試件缺陷的大小。為了方便對(duì)比分析渦流檢測中幅值與相位對(duì)缺陷的敏感程度，設(shè)計(jì)了3個(gè)數(shù)據(jù)通道可供選擇。上位機(jī)界面包含了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示區(qū)和按鈕選擇區(qū)，可以用來可視化數(shù)據(jù)的選擇與輸入。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺陷試件如圖6所示，實(shí)驗(yàn)中在試件上分別加工直徑為10、8、6、4、2 mm，深度為2、4、6、8 mm等不同規(guī)格的缺陷樣本，加工的缺陷樣本孔與相鄰孔之間的中心距離5 cm的等間隔，以便于測試設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)在不同缺陷大小中的效果。需要注意的是，本次檢測到的缺陷信號(hào)屬于微弱信號(hào)，為了阻止在探頭與檢測裝置之間外部電磁信號(hào)的噪聲干擾，采用屏蔽雙絞線作為信號(hào)線進(jìn)行傳輸。

圖6 系統(tǒng)測試

最終，將渦流檢測系統(tǒng)在鋼板試件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)信號(hào)測試結(jié)果如圖7所示，單片機(jī)控制DDS芯片AD9833產(chǎn)生正弦波信號(hào)，模塊選用頻率為50 kHz、幅值為212 mV的正弦波信號(hào)接入激勵(lì)線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場，符合設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)測試主要分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試2部分。

圖7 激勵(lì)信號(hào)測試

3.1 靜態(tài)測試

首先，進(jìn)行靜態(tài)測試，將探頭依次靜止緊貼放置在實(shí)驗(yàn)鋼板缺陷正上方，采用控制變量法，保持缺陷半徑不變，改變?nèi)毕萆疃却笮?，分別讀取對(duì)應(yīng)的幅值和相位電壓值；接著，增大缺陷半徑大小，依次循環(huán)讀取響應(yīng)的電壓值，最終的靜態(tài)測試結(jié)果如表1所示。

3.2 動(dòng)態(tài)測試

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，在檢測試件是否存在缺陷時(shí)，測試相位電壓值要比幅值效果更加顯著；隨著缺陷半徑的逐漸增大，相位電壓值隨之有較為明顯的增長趨勢；相比較于缺陷半徑的改變，改變?nèi)毕萆疃葘?duì)相位電壓值影響較小。因此，在動(dòng)態(tài)測試中，主要選取相位電壓值作為檢測是否存在缺陷和缺陷大小對(duì)比分析的衡量指標(biāo)。檢測結(jié)果在上位機(jī)顯示如圖8所示，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示渦流檢測系統(tǒng)將相位信息轉(zhuǎn)換輸出的電壓值。將缺陷深度6 mm保持不變，探頭緊貼放置在鋼板試件上，水平勻速直線運(yùn)動(dòng)依次經(jīng)過半徑為5、4、3、2、1 mm的鋼板缺陷。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，渦流檢測裝置可以對(duì)鋼板缺陷進(jìn)行有效檢測。

表1 不同半徑、深度缺陷對(duì)應(yīng)的幅值和相位電壓值變化

圖8 深度6 mm不同半徑缺陷大小相位電壓值的變化

4 結(jié)束語

本文通過研究電磁渦流無損檢測理論，設(shè)計(jì)了一種差動(dòng)式自比較型圓形檢測探頭，具有較高的靈敏度和檢測效果。渦流檢測系統(tǒng)中利用DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦波激勵(lì)信號(hào)，提高了激勵(lì)信號(hào)輸出頻率精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，采用硬件幅相檢測電路對(duì)探頭輸出信號(hào)的幅值、相位進(jìn)行快速有效提取，并將其以電壓的形式輸出，最終在上位機(jī)軟件上實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)具有良好的檢測性能，能夠檢測出鋼板試件上的微小缺陷，對(duì)油氣管道的安全儲(chǔ)運(yùn)具有重要意義。