金属管道内形貌探测系统课案.doc

引言 随着国家工业化建设以及城市经济发展的需要，金属材料管道具有许多优点如良好的机械强度，已经广泛应用于石油天然气等能源工业领域、军事领域、化工领域、贮藏及运输系统中。在石油天然气工业中，管道运输当前最主要的运输方式。金属管道在使用中可能发生腐蚀、疲劳、蠕变、低温脆断、材质劣化等破坏形式，其中腐蚀破坏最具有普遍性。的失效带来巨大经济损失，还导致无法弥补的灾难性后果。因此，研究可靠有效的金属失效检测和诊断技术，实现金属管道在线自动监测和故障诊断及预警是非常有必要的。 本所设计的电涡流检测系统，主要用于金属管道，特别是内部形貌较复杂的管道的测量。在金属管道失效检测中，由于金属管道内壁复杂形貌如膛线等的存在，因此在金属管道的任一面上，有无磨损对应金属管道内径的大小显然是不同的。但除了CCD技术，其他传统的金属管道内径测试方法都仅以金属管道截面上某一点对应内径的大小作为金属管道在该处的内径值，而无法给出反映金属管道横截面整个周边各处对应内径的分布变化。为了对金属管道内部形貌进行全方位扫描检测，以获得金属管道横截面形貌的完整信息，本研究实现了金属管道各个横截面周边处对应内径的测量技术，称之为全内径测量技术。 使用探头式电涡流传感器实现金属管道全内径检测时，为了获得金属管道沿轴线方向各个横截面的内径信息，则需要将传感器固定在一个可在金属管道内壁边旋转边直线行进的运载装置上，以保证系统准确地测取金属管道内各处的。这种运载装置也称为管道机器人。 在360°旋转过程中，传感器的动力线路，以及调理电路的输入输出信号线在探头的旋转过程随着探头的旋转而转动，将不可避免的绞缠在传动轴上，随着测量过程的进行，导线绞缠越来越严重，甚至会出现导线脱落，探头脱落损坏等直接导致实验无法进行的危险状况。本研究实现一种可装载的传感器的无线采集传输装置，该装置以为核心进行数据采集以蓝牙模块作为纽带同上位机进行通信，接收指令并完成数据传输。可以安装在管道机器人上面，随着机器人在管道内行进或者旋转。整个测试系统结构将非常简单而易操作。系统结构示意图系统结构。 图-1 金属管道内壁形貌测量系统结构示意图 图-2 系统总体结构图 测量任务开始后，上位机发送指令控制，然后通过蓝牙无线通信模块发送指令给使其开采集传感器再次使用蓝牙模块发送到上位机，后开始下一周期的操作传感器线圈中通入交变电流时，线圈中产生沿线圈轴线方向的交变磁场。当线圈靠近被测导体时，线圈产生的交变磁场在导体中感应出环状交变的电涡流，如图-1所示。 1 电涡流产生的基本原理 在被测导体中感应出电涡流电涡流也会感应出交变磁场，该磁场通过激励线圈，并在激励线圈中产生感应电动势。若匝间电容，激励线圈本身可等效为一个电感和一个电阻串联；被测导体中产生的涡流呈环状分布，可等效为一个电感和一个电阻构成的闭合回路，如图-2所示。 图-2 涡流等效电路 图-2中，R1和L1表示激励线圈，R2和L2表示涡流回路。L1和L2的磁路存在交链，二者的耦合关系用互感系数M表示。设激励线圈两端电压为U，通过电流为I1，涡流回路等效电流为I2，正方向如图所示。根据电路知识可以推导出传感器激励线圈的等效阻抗为： 式中被测导体与传感头距离d、被测导体电导率δ，磁导率μ，激励信号频率ω等因素影响式中的M、L2和R2的数值大小，进而影响激励线圈等效阻抗Z的大小，因此有：Z = f(δ ,μ ,r, d, U, ω)。当传感器激励线圈的工作频率、电压一定时，对于特定的被测导体材料，传感器等效阻抗Z主要取决于传感器与被测导体之间的距离d。本项目利用电涡流传感器这一特点，实现传感器对金属的测量。谐振调理电路设计 电涡流传感器常见的调理电路形式有电桥式电路和谐振式电路。本文选用了结构较简单的谐振式调理电路。调理电路的作用是将传感器的阻抗变化转换为电压信号，并且利用了并联谐振电路对阻抗变化的放大作用。谐振式调理电路的基本形式如图所示。 图 传感器并联谐振调理电路图中，U为激励电压，R和L分别是传感器的等效电阻和等效电，Zs为传感器等效阻抗：Zs=R1+jωL，Zp为传感器并联电容C之后的等效阻抗：Z=Rp+jXp 。为了使传感器获得较高的灵敏度，应使传感器等效阻抗变化量Zs一定时，测量阻抗Z变化量最大，即： ?Zp / ?Zs |取得最大值，可以推导出并联谐振电路的电容C取值应为： 同时，为获得对传感器阻抗的最佳测量灵敏度，即使得| ?Uc / ?Zs 取得最大值，（Uc为并联谐振电路两端电压，见图）可以推导出串联电阻R2的最佳阻值为： 实验中，本文选取C为0.2uF，R2为100欧。 3.3 电源模块 F23.3V。电源芯片用来为供电 图 电源管理模块电路图 蓝牙无线通信模块 蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通讯。选择了H