專利名稱：金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置及數(shù)據(jù)高速傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于磁記憶原理的金屬管道缺陷檢測、無損探傷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電站鍋爐等火力發(fā)電蒸發(fā)設(shè)備中，爐水受熱蒸發(fā)并產(chǎn)生飽和蒸汽，其受熱面由排列的金屬管(如鋼管)組成，這些整齊敷設(shè)在爐膛內(nèi)墻上的金屬管也被稱為水冷壁。由于長期工作在火焰、煙氣、飛灰等十分惡劣的環(huán)境中，使用過程中，水冷壁管極易發(fā)生管壁減薄、老化失效甚至爆漏事故，主要表現(xiàn)為腐蝕、磨損、拉裂。統(tǒng)計表明，熱力設(shè)備事故中鍋爐占60%，其中管道破損事故占鍋爐事故的65%。在美國，鍋爐管道事故是熱力發(fā)電設(shè)備可用率低的首要原因，近10年來，已發(fā)現(xiàn)5萬多臺鍋爐管道損傷，相當(dāng)于可用率減少6%。由此可見，金屬管道的無損檢測技術(shù)，對預(yù)知隱患，確保設(shè)備尤其是各種火力發(fā)電 設(shè)備(如鍋爐)的安全、可靠運行具有十分重要的意義。目前金屬管道無損檢測方法中，除去人工目視與標(biāo)尺測量外，主要有如下無損檢測方法(一)超聲波檢測，其具有精度高的優(yōu)點，但實現(xiàn)水冷壁的在役全檢是不可能的，因為超聲波檢測的工作量大，而且難以耦合，因此，只適合在某個小范圍內(nèi)進行。作為超聲波檢測的一項重要分支，電磁超聲技術(shù)由于具有不需耦合劑，對管材表面特征不敏感等優(yōu)點，因此適合對有粉層和結(jié)渣輕微的表面實施檢測，但其也存在相應(yīng)的問題當(dāng)需檢查的對象為奧氏體鋼鑄件和焊縫或者對象形狀復(fù)雜，電磁超聲往往不能高質(zhì)量地完成檢測任務(wù)；(二)射線檢測，這種方法用于管道檢測尚存難點，首先CT檢測儀體積大且重，進出爐膛和移動均比較困難。其次，鍋爐管道數(shù)量繁多，要獲得高分辨率的灰度圖像必然增加檢測數(shù)據(jù)的信息量，給數(shù)據(jù)傳輸存儲增加了難度。(三)紅外熱成像檢測，由于具有遠距離、非接觸、高精度、動態(tài)響應(yīng)快、成像直觀等優(yōu)點，加之電力工業(yè)中的設(shè)備都與熱源有著密切的聯(lián)系，該方法在變電設(shè)備內(nèi)、外部熱故障、電廠熱力設(shè)備狀態(tài)以及發(fā)電機的狀態(tài)在役檢測中發(fā)揮著巨大的作用。但由于一般燃煤爐的水冷壁管表面狀態(tài)不佳，因此熱成像難以達到理想的效果，除非對管子表面進行清潔處理。(四)渦流檢測，與超聲檢測相比，渦流檢測的效率要高得多。但是，由于聚膚效應(yīng)的存在，滲透能力不足，檢測深度不夠，管道內(nèi)部的缺陷很難檢測出來，因此不適合檢測較厚的水冷壁管。針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，人們提出了金屬管道漏磁檢測方法，漏磁檢測方法具有工藝簡單，不需要耦合劑和其他輔助材料，容易實現(xiàn)自動化，漏磁檢測深度比較深(一般能達到IOmm)等優(yōu)點，對設(shè)備(如鍋爐)管材內(nèi)外表面的裂紋、腐蝕、凹坑等缺陷具有很好的判斷能力，所以比較適用于如水冷壁管道的金屬管道無損檢測。但現(xiàn)有的金屬管道漏磁檢測方法在實際應(yīng)用中，同樣存在一些問題，例如(一)如何合理構(gòu)建機構(gòu)，以實現(xiàn)針對圓形水冷壁的封閉式高速檢測；(二)如何在檢測時，消除日常環(huán)境中的磁場對于檢測結(jié)果所產(chǎn)生的影響，確保每一次實施檢測活動時裝置均處于最佳靈敏度，且所得檢測結(jié)果具有可比性；(三)由于檢測原理需要，如何在檢測過程中同時獲得精確的空間上移動距離信息，以便于計算出所測材料漏磁場梯度值，進而評估水冷壁工作狀態(tài)；(四)由于檢測過程中，采用多路并行高速采樣方式，因此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分龐大，如何可靠地傳輸這些數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)后期計算也是不得不解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置及高速數(shù)據(jù)傳輸方法，其效率大大提升，可實現(xiàn)金屬管道快速全面無損檢測。為實現(xiàn)本發(fā)明目的而提供的一種金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置，包括檢測單元，以及數(shù)據(jù)采集處理單元，其中所述檢測單元，設(shè)置為具有凹型前端的印刷電路板，用于通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器對所述金屬管道進行漏磁信號感測，通過CPLD控制高速A/D進行多路信號并行高速采樣，通過D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器，把采樣得到的多路 漏磁信號，以三線制4-20mA變送形式，順序地傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元。較優(yōu)地，所述檢測單元采用固定檢測步長的方法進行漏磁感測；在所述檢測單元采用固定檢測步長的方法進行漏磁感測時，所述檢測單元的印刷電路板為多塊相同尺寸的印刷電路板；多個檢測單元等間距、平行放置，且與管道表面等距離，與管道表面垂直，保證每次測量的移動距離就是兩個相鄰檢測單元之間的距離，構(gòu)成一個封閉式檢測裝置。較優(yōu)地，所述印刷電路板設(shè)置多路磁阻傳感器，多路與磁阻傳感器相應(yīng)的放大器和多路(多通道)ADC芯片，以及相應(yīng)的主控單元、DAC芯片和電壓電流轉(zhuǎn)換單元；所述主控單元在控制ADC芯片進行多路信號采集后，將多路采樣數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后，順序輸出至DAC芯片，并控制DAC芯片工作；DAC芯片將多路采樣數(shù)據(jù)以電壓形式順序輸出至電壓電流轉(zhuǎn)換單元；所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元將多路采樣磁阻傳感數(shù)據(jù)的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。較優(yōu)地，所述數(shù)據(jù)采集處理單元，包括ADC器件，第二傳輸單元和移動數(shù)據(jù)處理單元;其中，所述ADC器件，用于采樣多塊檢測單元以電流方式順序串行傳輸來的多路電流信號并由主控單元還原為多路漏磁傳感信號；所述第二傳輸單元，用于將ADC采樣得到的多路漏磁傳感信號，以SPI串行方式傳輸給所述移動數(shù)據(jù)處理單元；所述移動數(shù)據(jù)處理單元，為嵌入式微處理器系統(tǒng)，用于根據(jù)第二傳輸單元傳輸來的多路漏磁傳感信號，計算所述多路漏磁信號的信號特征，診斷所述金屬管道的缺陷。為實現(xiàn)本發(fā)明目的還提供一種金屬管道漏磁檢測的印刷電路板，所述印刷電路板設(shè)置多路磁阻傳感器，多路與磁阻傳感器相應(yīng)的放大器和多路(多通道)ADC芯片，以及相應(yīng)的主控單元、DAC芯片和電壓電流轉(zhuǎn)換單元；所述多路磁阻傳感器，用于對所述金屬管道進行漏磁信號梯度測量感測得到多路漏磁傳感信號；所述放大器，用于將磁阻傳感器輸入的磁阻傳感信號放大；其中，所述ADC芯片，主控單元，DAC芯片為多路信號并行采樣單元的組成部分；所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元為傳輸單元的組成部分；
所述多路信號并行采樣單元，用于對所述金屬管道進行多路漏磁信號的高速并行采樣；所述傳輸單元，所述采樣處理后的磁阻傳感數(shù)據(jù)信號以一路三線制式異步串行電流通訊方式，以一路三線制4-20mA電流信號形式將所述多路信號并行采樣單元處理后的多路漏磁傳感數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換并輸送至所述數(shù)據(jù)采集處理單元。較優(yōu)地，所述印刷電路板為具有凹型前端的印刷電路板；所述印刷電路板為兩塊及以上相同尺寸的印刷電路板；所述兩塊及以上塊印刷電路板按設(shè)定距離垂直方向平行等間距放置，并與被測所述金屬管道始終保持垂直。
為實現(xiàn)本發(fā)明目的還提供一種金屬管道漏磁檢測的數(shù)據(jù)高速傳輸方法，包括如下步驟步驟S100，檢測單元設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器對所述金屬管道進行漏磁信號感測，通過CPLD控制高速A/D進行多路信號高速采樣，通過D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器，把采樣得到的多路漏磁信號，以三線制4-20mA變送形式，順序地傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元。步驟S200，數(shù)據(jù)采集處理單元接收多塊檢測單元以4_20mA電流形式順序串行傳輸來的多路電流信號并由主控單元還原為多路漏磁傳感信號；多路漏磁傳感信號以SPI串行方式傳輸給所述移動數(shù)據(jù)處理單元；所述移動數(shù)據(jù)處理單元計算所述多路漏磁信號的信號特征，診斷所述金屬管道的缺陷。較優(yōu)地，所述步驟SlOO中，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器，包括如下步驟步驟S110，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，所述印刷電路板包圍所述金屬管道被檢測表面；所述印刷電路板設(shè)置的多路磁阻傳感器直接焊接于印刷電路板前端正反面兩偵牝且多路傳感器之間排放位置相切或者相交，由此構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境；所述印刷電路板的多路磁阻傳感器始終與水冷壁管道保持垂直，對所述金屬管道采用固定檢測步長的方法實現(xiàn)被測管道表面的封閉式檢測，同時多路磁阻傳感器快速并行工作。較優(yōu)地，所述印刷電路板的多路磁阻傳感器的設(shè)置方法為I)令η與N相除，得到計算結(jié)果商為Q，余數(shù)為C ；2)若整除無余數(shù)，即C為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚磁阻傳感器，且相鄰兩枚傳感器相交無重疊，構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境；3)若余數(shù)C不為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚傳感器，但正反兩面相鄰傳感器有重疊部分，重疊部分所對應(yīng)圓心角度值為C與Q-I進行除法操作的結(jié)果，由此同樣可構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境；其中，η為被測金屬管道的弧長所對應(yīng)圓心角度數(shù)，N為磁阻傳感器所對應(yīng)的圓心
角度值N。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置及高速數(shù)據(jù)傳輸方法，針對金屬管道圓弧形外表面尺寸設(shè)置凹形端面印刷電路板并布置磁阻傳感器，構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境，確保最大程度捕獲水冷壁管道缺陷漏磁信號；其結(jié)構(gòu)簡單，無需傳感器探頭固定架，多個凹形端面印刷電路板平行、等間距放置、提離高度固定，并行工作，確保前后兩次檢測移動的距離恒定、已知，解決了移動距離測量中的不精確問題，使定量化分析更加可行；針對每塊凹形端面印刷電路板中的多路采樣結(jié)果，采用基于電流變送的異步通信方法，有效地解決了海量數(shù)據(jù)的高速傳輸難題。


圖I是本發(fā)明實施例金屬管道漏磁檢測系統(tǒng)框圖；圖2是圖I中檢測單元系統(tǒng)構(gòu)圖； 圖3是傳感器設(shè)置示意圖；圖4是異步串行電流通訊幀結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是多塊檢測單元并行布置示意圖；圖6是數(shù)據(jù)采集處理單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明的金屬管道漏磁檢測裝置及高速數(shù)據(jù)傳輸方法進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實施例的金屬管道漏磁檢測裝置及高速數(shù)據(jù)傳輸方法，其基于金屬磁記憶原理，能夠靈活適應(yīng)被檢測金屬管道外形，并便于后續(xù)處理，同時通過多路并行同步采樣信號以及異步串行電流傳輸實現(xiàn)金屬管道的高效檢測。如圖I所示，作為一種可實施方式，本發(fā)明實施例的金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置，包括檢測單元1，以及數(shù)據(jù)采集處理單元2，其中所述檢測單元1，設(shè)置為具有凹型前端的印刷電路板，用于通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器對所述金屬管道進行漏磁信號感測，通過CPLD控制高速A/D進行多路信號高速采樣，經(jīng)過對采集信號的歸一化處理后，通過D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器，把采樣得到的多路漏磁信號，以三線制4-20mA變送形式，串行順序地傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元2。多個所述檢測單元1，平行、等間距放置、提離高度固定，并行工作，確保前后兩次檢測的移動距離恒定、已知，并保證檢測端面垂直于被檢測管道表面，使檢測結(jié)果具有可比對性，使定量化分析結(jié)果可靠；所述檢測單元1，如圖2-5所示，采用CPLD對多路傳感器輸出結(jié)果進行同步采樣，采樣結(jié)果采用基于電流變送的異步通信方法進行順序傳送，有效地解決了海量數(shù)據(jù)的高速傳輸難題。所述數(shù)據(jù)采集處理單元2，用于同步采集多個檢測單元I以電流形式串行傳送的電流信號，整理后以串行電位傳送方式(SPI通信方式)傳送給移動信息處理單元，作后期的故障診斷和安全預(yù)警。下面詳細說明本發(fā)明實施例的檢測單元I。如圖2-5所示，本發(fā)明實施例的檢測單元1，基于金屬磁記憶原理，即處于地磁場環(huán)境中的鐵磁材料由于載荷作用會在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生自有漏磁場，在此前提下，依據(jù)被檢測金屬管道外形尺寸，本發(fā)明實施例的檢測單元1，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，所述印刷電路板包圍所述金屬管道被檢測表面；所述印刷電路板的兩面封閉式布置多路磁阻傳感器；所述磁阻傳感器用于感測所述金屬管道的多路漏磁傳感信號，采樣處理后傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元2。較佳地，如圖3、圖4所示，為了使磁阻傳感器最大程度感測金屬管道缺陷的漏磁信號，便于漏磁信號的梯度值計算，保證提離高度的恒定和信號特征的可比對性，本發(fā)明實施例中，作為一種可實施方式，所述多個檢測單元I的印刷線路板為相同尺寸，采用平行、等間距放置，提離高度相同，并與所述金屬管道始終保持垂直，以并行采樣工作方式進行漏磁信號的感測。較佳地，作為一種可實施方式，所述印刷電路板上還設(shè)置放大器，用于將磁阻傳感器輸入的磁阻傳感信號放大，便于之后的米樣處理。較佳地，作為一種可實施方式，所述印刷電路板包括多路信號并行采樣單元，用于對所述檢測單元I中的多路漏磁信號進行高速并行采樣。 較佳地，作為一種可實施方式，本發(fā)明實施中，所述檢測單元1，還包括第一數(shù)據(jù)傳輸單元，所述采樣處理后的多路磁阻傳感信號以一路三線制4-20mA電流信號形式，異步串行傳送至數(shù)據(jù)采集處理單元2。作為一種可實施方式，所述檢測單元1，如圖2-3所示，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，所述印刷電路板上設(shè)置多路磁阻傳感器12，多路與磁阻傳感器12相應(yīng)的放大器13和多路(即多通道)ADC芯片14，以及相應(yīng)的主控單元15、DAC芯片16和電壓電流轉(zhuǎn)換單元17 ；其中，所述ADC芯片14，主控單元15，為多路信號并行采樣單元的組成部分；所述DAC芯片16和電壓電流轉(zhuǎn)換單元17為數(shù)據(jù)傳輸單元的組成部分。較佳地，作為一種可實施方式，所述磁阻傳感器12為HMC1021Z型磁阻傳感器，其內(nèi)部為磁敏材料構(gòu)成的電橋，兩路差分輸出磁阻傳感信號。較佳地，作為一種可實施方式，所述放大器13為高輸入阻抗AD623型放大器,其將磁阻傳感器差分輸入的磁阻傳感信號放大約200倍，便于之后的ADC采樣。其通過放大器基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)，將輸出信號整體抬高2. 5伏，確保漏磁信號變化處于O至5伏范圍內(nèi)；作為一種可實施方式，本發(fā)明實施例中，構(gòu)建多路信號并行米樣單兀，實現(xiàn)金屬管道(水冷壁管道)多路漏磁信號的高速并行采樣與重構(gòu)。本發(fā)明實施例的多路信號并行采樣單元，包括CPLD (Complex Programmable Logic Device,復(fù)雜可編程邏輯器件)器件和高速 ADC(Analog-to-Digital Converter,模數(shù)轉(zhuǎn)換器)以及 DAC(digital-to-analogconverter,數(shù)模轉(zhuǎn)換器)較佳地，本發(fā)明實施例的ADC芯片14為針對多路采樣具有采樣、保持功能的高速ADC芯片AD7927，用于對放大器13輸出的多路磁阻傳感信號進行采樣，采集得到多路采樣磁阻傳感數(shù)據(jù)；較佳地，作為一種可實施方式，所述主控單元15為EPM1270T144C5型CPLD (ComplexProgrammable Logic Device,復(fù)雜可編程邏輯器件)，用于在ADC芯片14進行多路信號采集后，將多路采樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理以后，輸出給DAC芯片16，并控制DAC芯片16工作；較佳地，作為一種可實施方式，本發(fā)明實施例的DAC芯片16為高速環(huán)流型LTC2624芯片，運用CPLD器件驅(qū)動高速環(huán)流型DAC芯片LTC2624，用于將歸一化處理重構(gòu)后的多路采樣磁阻傳感數(shù)據(jù)以電壓形式輸出到電壓電流轉(zhuǎn)換單元17 ；較佳地，作為一種可實施方式，所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元17包括電壓跟隨器和電壓/電流轉(zhuǎn)換芯片AM462，用于將DAC芯片LTC2624順序輸出的多路電壓信號按比例順序轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號順序串行遠傳。電壓電流轉(zhuǎn)換單元17首先將DAC芯片輸出電壓信號接入電壓跟隨器，以保證信號正確性，隨后按比例關(guān)系將0-5V范圍內(nèi)輸入電壓轉(zhuǎn)換為4-20mA范圍內(nèi)電流輸出，以一路三線制式異步串行電流傳送方式，順序傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集處理單元2。更佳地，本發(fā)明實施例的檢測單元I，作為一種可實施方式，還包括第一電源單元18，由1111085系列和1111117系列0(/1)(芯片構(gòu)成，正12伏輸入，分別輸出正3.3伏以及正5伏供給檢測單元I的印刷電路板使用。更佳地，本發(fā)明實施例的檢測單元I的印刷電路板，還設(shè)置有置復(fù)位單元11，所述 置復(fù)位單元11包括IRF7106型MOS管，用于對磁阻傳感器實施大電流脈沖置復(fù)位操作。為了消除日常環(huán)境中磁場對傳感器靈敏度的影響，使其處于最佳狀況中，每次在實施測量之前，在電源上電的時刻，由IRF7106型MOS管等器件搭建的置復(fù)位單元11，對磁阻傳感器實施大電流脈沖置復(fù)位操作。下面詳細說明本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)采集處理單元2。如圖6所示，本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)采集處理單元2，用于并行采集多塊檢測單元I串行傳送的電流信號。較佳地，作為一種可實施方式，本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)采集處理單元2，包括多路并行工作的ADC器件21和設(shè)計有SPI接口的CPLD控制器28 ；其中，所述ADC器件21，用于采樣多個檢測單元I以串行方式傳輸來的多路電流信號。所述CPLD控制器28，用于將ADC采樣得到的多路傳感信號，以SPI (SerialPeripheralinterface,高速同步串行口)串行方式傳輸給后續(xù)故障診斷和安全預(yù)警模塊本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)采集處理單元2中的CPLD控制器28控制多路高速ADC并行地以5倍于異步串行傳送電流頻率的采樣頻率，對異步串行傳送電流信號采樣，將其還原為數(shù)字信號。本發(fā)明實施例中，與數(shù)據(jù)采集處理單元2相連的移動數(shù)據(jù)處理單元，計算所述多路漏磁信號的信號特征，診斷所述金屬管道的缺陷，可以是任何一種帶SPI接口的嵌入式設(shè)備，因此，在本發(fā)明實施例中，不再一一詳細描述。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種金屬管道漏磁檢測的數(shù)據(jù)高速傳輸方法，包括如下步驟步驟SlOO檢測單元I設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器對所述金屬管道進行漏磁信號感測，通過CPLD控制高速A/D進行多路信號高速采樣，通過D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器，把采樣得到的多路漏磁信號，以三線制4-20mA變送形式，順序地傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元2 ；較佳地，所述步驟SlOO中，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器，包括如下步驟
步驟S110，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，所述印刷電路板包圍所述金屬管道被檢測表面；所述印刷電路板設(shè)置的多路磁阻傳感器直接焊接于印刷電路板前端正反面兩偵牝且多路傳感器之間排放位置相切或者相交，由此構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境。下面進一步詳細說明本發(fā)明實施例的凹形前端印刷電路板中漏磁傳感器的設(shè)置過程。在多種金屬管道缺陷的漏磁檢測方法中，基于金屬磁記憶原理的方法具有先天的優(yōu)勢與便利，然而在工業(yè)現(xiàn)場實際測量中，往往存在諸多問題。例如在金屬管道(水冷壁管道)工作過程中，缺陷可能發(fā)生在任意位置，必須對其進行全面檢查，這樣所帶來的工作量是十分巨大的，采用傳統(tǒng)單路檢測方法，效率低下，用時過長。簡單的采用多個單路并行工 作，又會出現(xiàn)難以歸一化，接線方式復(fù)雜等諸多問題。針對以上情況，較佳地，作為一種可實施方式，本發(fā)明實施例中，根據(jù)具體金屬管道(水冷壁管道)的外形及尺寸，本發(fā)明實施例的感測漏磁信號的印刷電路板設(shè)置為具有凹形前端的印刷電路板。所述印刷電路板設(shè)置的多路磁阻傳感器直接焊接于印刷電路板前端正反面兩側(cè)，且多路傳感器之間排放位置相切或者相交，由此構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境，徹底解決檢測效率低下的問題。在檢測過程中，較佳地，所述印刷電路板的多路磁阻傳感器始終與水冷壁管道保持垂直，以達到最大程度捕獲水冷壁管道自有漏磁信號的目的，同時多路磁阻傳感器快速并行工作，實現(xiàn)水冷壁高效全面檢查。更佳地，所述印刷電路板的多路磁阻傳感器的設(shè)置方法為1)令η與N相除，得到計算結(jié)果商為Q，余數(shù)為C ；2)若整除無余數(shù)，即C為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚磁阻傳感器，且相鄰兩枚傳感器相交無重疊，構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境；3)若余數(shù)C不為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚傳感器，但正反兩面相鄰傳感器有重疊部分，重疊部分所對應(yīng)圓心角度值為C與Q-I進行除法操作的結(jié)果，由此同樣可構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境。其中，η為被測金屬管道的弧長所對應(yīng)圓心角度數(shù)，N為磁阻傳感器所對應(yīng)的圓心
角度值N。在一般情況下，構(gòu)成金屬管道(水冷壁管道)所使用管材已知，即水冷壁管道半徑
已知，記為r;作為一種可實施方式，所述金屬管道的水冷壁在整體鋪設(shè)時為水平排列時，
金屬管道的弧長可實際測得。設(shè)弧長為I ;根據(jù)弧長公式(I)
_ ηπν7 =T^T
則(I)可計算得出η，即被測金屬管道的弧長所對應(yīng)的圓心角度數(shù)。設(shè)磁阻傳感器的長度為λ，擺放于凹形印刷電路板前端，保證與金屬管道的水冷壁相切，此時可認為磁阻傳感器為水冷壁上一條長度為λ的弦，其與兩條半徑組成等腰三角形。此三角形的頂角，即長度為λ的弦所對應(yīng)的圓心角度數(shù)為N，根據(jù)余弦公式λ2 = r2+r2-2r2cosN(2)計算得到cosN值，通過查表法，便可得到一枚磁阻傳感器在被測圓弧相切位置所對應(yīng)的圓心角度值N。
此時，根據(jù)先前得到的被測弧長所對應(yīng)圓心角度數(shù)n，以及一枚磁阻傳感器所對應(yīng)的圓心角度值N，便可獲知磁阻傳感器擺放方法I)令η與N相除，得到計算結(jié)果商為Q，余數(shù)為C ;2)若整除無余數(shù)，即C為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚磁阻傳感器，且相鄰兩枚傳感器相交無重疊，構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境；3)若余數(shù)C不為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚傳感器，但正反兩面相鄰傳感器有重疊部分，重疊部分所對應(yīng)圓心角度值為C與Q-I進行除法操作的結(jié)果，由此同樣可構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境。下面詳細說明本發(fā)明實施例的多路磁阻傳感器對所述金屬管道采用固定檢測步長進行漏磁信號測量的方法。在實際金屬材料的檢測與預(yù)警中，作為判斷缺陷以及應(yīng)力集中依據(jù)的變量為金屬材料自有漏磁場的梯度值。當(dāng)實際測量梯度值超過之前由試驗測得的缺陷閾值時，即判斷缺陷存在，這就要求在測量金屬表面漏磁場的同時獲得傳感器在空間上的準(zhǔn)確移動距離信息，以便于計算出所測材料漏磁梯度值，進而評估金屬管道(水冷壁管道)的工作狀態(tài)。作為一種可實施方式，本發(fā)明實施例設(shè)置具有同樣功能、同樣參數(shù)指標(biāo)的兩塊或多塊凹形前端印刷電路板分別作為主檢測單元和協(xié)檢測單元，在垂直于金屬管道方向固定平行擺放，提離高度相同，凹形前端印刷電路板之間距離相同，且為一已知恒定值。主檢測單元與協(xié)檢測單元之間通過同步信號連接，保證主、協(xié)檢測單元在時間域內(nèi)同步工作，通過此方式，達到在同一時刻采集水冷壁管道上相距固定距離的兩點的漏磁場信號的目的，間接地解決了難以精確獲得空間上移動距離信息的難題，同時保證磁阻傳感器始終與被測金屬管道垂直，使其最大程度捕獲漏磁信號，確保測量數(shù)據(jù)的可比對性。所述步驟SlOO中，所述對多路漏磁傳感信號采樣得到的數(shù)據(jù)的輸出過程，包括如下步驟步驟S120，將磁阻傳感器輸出的漏磁信號放大；將漏磁信號放大約200倍，便于之后的ADC采樣，通過放大器基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)，將輸出信號整體抬高2. 5伏，確保漏磁信號變化處于O至5伏范圍內(nèi)。步驟S130，對所述同一檢測單元上的多路漏磁信號進行高速并行采樣并進行歸一化重構(gòu)處理；步驟S140，將采樣得到多路漏磁數(shù)據(jù)按順序輸出到DAC芯片16，并將其轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號，隨后輸入到電壓電流轉(zhuǎn)換芯片17,線性的將0-5V的電壓信號,轉(zhuǎn)換為4-20mA 二線制異步串行電流/[目號。步驟S200，數(shù)據(jù)采集處理單元2接收檢測單元I以4_20mA電流方式順序串行傳輸來的多路電流信號并由主控單元還原為多路漏磁傳感信號；多路漏磁傳感信號以SPI串行方式傳輸給所述移動數(shù)據(jù)處理單元；所述移動數(shù)據(jù)處理單元計算所述多路漏磁信號的信號特征，檢測識別所述金屬管道的缺陷。下面進一步詳細說明本發(fā)明實施例檢測單元I實施異步串行電流傳輸多路數(shù)據(jù)的過程和數(shù)據(jù)采集處理單元2高速接收數(shù)據(jù)的過程。由于使用了多路磁阻傳感器并行工作技術(shù)，為了更好地保證多路檢測結(jié)果在時間序列上的正確性，適用于多傳感器陣列，本發(fā)明實施例的多路信號并行采樣單元以CPLD器件配合高速ADC器件實現(xiàn)對多路傳感器輸出信號的采樣工作，并根據(jù)預(yù)先對多路磁阻傳感器的實際標(biāo)定結(jié)果，對傳感器采樣值做相應(yīng)的簡單歸一化處理。、
在完成對多路磁阻傳感器實施并行采樣的工作后，為了安全高效地將有效結(jié)果送至數(shù)據(jù)采集處理單元2，在信號輸出部分，考慮的問題如下第一，檢測單元I與數(shù)據(jù)采集處理單元2之間存在一定距離，簡單的采用電壓傳輸方式不可行。因工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，信號衰減的程度也將隨著距離的增加而線性增加。且實踐證明，一般工業(yè)現(xiàn)場的主要干擾源為工業(yè)電力網(wǎng)，其對于電壓信號有較大干擾。第二，由于檢測單元I采用多路磁阻傳感器并行工作方式，因此同一時刻對多路傳感器輸出實施采樣，將采樣結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采用諸如RS-485、RS-232等異步電壓通訊協(xié)議進行信號傳輸，則需傳送的數(shù)據(jù)量龐大，波特率將遠遠高于工業(yè)現(xiàn)場所普遍采用的9. 6Kps，勢必出現(xiàn)例如位丟失、位錯誤等不穩(wěn)定因素。針對以上問題，結(jié)合實際工業(yè)現(xiàn)場情況，本發(fā)明實施例采用三線制異步串行電流通訊協(xié)議，將經(jīng)
過簡單處理的多路采樣結(jié)果，利用高速環(huán)流型DAC以電壓方式輸出，通過電壓電流轉(zhuǎn)換單元，將其轉(zhuǎn)換為符合驅(qū)動要求的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號進行傳輸。值得注意的是，與傳統(tǒng)意義上的4_20mA工業(yè)電流信號不同，本發(fā)明中，電流信號雖采用標(biāo)準(zhǔn)信號制，但不再只表示一路信號變化，而是將多路采樣結(jié)果以及若干同步位調(diào)制在一幀電流信號中，通過一幀數(shù)據(jù)中的同步位達到上位機與下位機之間的同步操作，以指定時間點上的電流信號表示指定傳感器的輸出結(jié)果，從而達到安全高效傳輸多路采樣結(jié)果的目的。電流信號的傳送相比電壓信號，更加安全可靠，且不必擔(dān)心由于線纜電阻特性變化而引起信號傳輸錯誤。同時，本發(fā)明實施例的異步電流通訊協(xié)議大大降低了通訊數(shù)據(jù)量。若采用RS-485、RS-232等通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，并行工作磁阻傳感器路數(shù)為Q，ADC采樣精度為B位，采樣頻率為MHz，S位同步位。則一秒內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量T可由以下公式得到T=(Q*B+S)*M(3)設(shè)5路磁阻傳感器并行工作，12位ADC采樣精度，5毫秒采樣一次。則根據(jù)式(3)，可算出T為12016bits。遠遠大于工業(yè)現(xiàn)場普遍采用的9. 6Kbsο如采用本發(fā)明實施例的傳輸單元的異步串行電流傳輸協(xié)議，則一秒內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可由以下公式算出T=(Q+S)*M(4)取S等于3，設(shè)5路傳感器并行工作，5毫秒采樣一次。根據(jù)式(4)，可算出T為lOOObits，遠遠小于之前采用RS-485、RS-232方法時的數(shù)據(jù)量，幾乎為之前的十分之一。進而可以計算出ADC采樣率M與異步串行電流信號頻率F之間的關(guān)系F 彡(Q+S) *M(5)經(jīng)實驗測試，在目前裝置下，電流信號頻率可穩(wěn)定于6KHz左右。考慮到數(shù)據(jù)處理問題，以及后期提供人機接口功能，本發(fā)明并沒有簡單的將多路漏磁數(shù)據(jù)存貯，以完成離線分析，較佳地，本發(fā)明實施例將數(shù)據(jù)采集處理單元2采集到的多路漏磁數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)重構(gòu)，隨后以SPI方式將重構(gòu)后的數(shù)據(jù)高速輸出，在后續(xù)終端中實現(xiàn)漏磁數(shù)據(jù)的在線處理或離線處理，以評估金屬管道水冷壁運行狀況。作為一種可實施方式，本發(fā)明實施例通過SPI總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀包括用以區(qū)分數(shù)據(jù)來自于不同檢測單元I的3位標(biāo)志位以及多路漏磁信號數(shù)據(jù)，則SPI頻率f可通過如下公式獲得f = 2M* (Q*B+S)(6)
本發(fā)明實施例的金屬管道漏磁檢測裝置及高速數(shù)據(jù)傳輸方法，解決了由于前后兩次檢測之間移動距離不可測或存在較大誤差的問題，使得后期定量化分析成為可能，進一步地，提出了基于電流串行方式傳送的異步通訊方法，有效解決了實際應(yīng)用中的多路高速漏磁數(shù)據(jù)傳輸問題。參閱圖3，為本發(fā)明一詳細具體實施例，設(shè)金屬管道直徑為36mm，管道半徑r為18mm。經(jīng)測量，被測管道弧長I為50. 2mm。則根據(jù)弧長公式(I)，可計算得到，被測弧所對應(yīng)的圓心角n，約為160°。傳感器長λ為10mm，由于管道半徑已知，故可根據(jù)公式(2)，計算得到CosN為O. 845，通過查詢余弦表得角度N為32°，即5路傳感器剛好可實現(xiàn)對被測管道，構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境。如圖3所示，傳感器1、3、5號在電路板的正面，而傳感器2、4號在反面。在金屬管道缺陷識別與應(yīng)力集中區(qū)的預(yù)警過程中，作為評價依據(jù)的指標(biāo)為金屬漏磁信號的梯度值，且由于漏磁信號大多較微弱，因此如何準(zhǔn)確的獲得檢測過程中位移量的詳細信息至關(guān)重要。因此較佳地，本發(fā)明采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)，以上下平行擺放的方式， 將兩塊(或多塊)檢測電路平行的擺放在垂直于被測管道的方向上。即每次檢測的步長固定，通過此種方式成功的解決了難以測量位移量的問題。在采集數(shù)據(jù)的變送傳輸過程中，如圖4所示，異步串行電流通訊方式，在一幀數(shù)據(jù)中，通過幀頭的三位同步位實現(xiàn)上下位機之間的同步操作，隨后為4-20mA的η路漏磁數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)傳輸完成后，電流信號變?yōu)?mA。當(dāng)下一幀數(shù)據(jù)開始后，依然以三位同步位加η位數(shù)據(jù)位的方式傳輸。本例中，因采用5路傳感器并行工作，即Q值為5，且5mS采樣一次，即采樣率為200Hz，根據(jù)公式(5)，可計算得出，串行電流變化頻率為I. 6KHz。本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)采集處理單元2，如圖6所示，包括多路并行工作ADC器件21，在CPLD控制器28中構(gòu)建ADC控制器22 ;雙口 RAM23，微控制器24，F(xiàn)IF025，SPI控制器26所述的ADC器件21為ADS7841，以5倍于異步串行電流通訊信號頻率的采樣率并行工作，實現(xiàn)多塊同步工作檢測電路所輸出的異步串行電流信號的采集工作。在CPLD器件內(nèi)部，本發(fā)明實施例通過ADC控制器22，實現(xiàn)對多路ADC器件的控制，完成諸如控制字的寫入，數(shù)據(jù)的傳輸。雙口 RAM23，端口一方面與ADC控制器22連接，實現(xiàn)采樣原始數(shù)據(jù)存貯。另一方面與微控制器(MCU) 24連接，在MCU內(nèi)部完成對來自于多塊檢測單元I的原始數(shù)據(jù)的簡單處理。隨后將處理結(jié)果打入FIF025，以方便調(diào)用。在CPLD控制器28內(nèi)部，最后由SPI控制器26，將處理過的數(shù)據(jù)，按照既定順序，以SPI傳輸協(xié)議發(fā)送出。在本發(fā)明實施例中，由于采用5路傳感器并行工作的方式，即Q為5。ADC采樣精度B為12，則可根據(jù)公式(6)，計算得到SPI信號的頻率，大約為2. 5MHz。較佳地，所述數(shù)據(jù)采集處理單元2，還包括第二供電單元27，與檢測單元I相同，同樣采用LM1085和LM 1117系列DC/DC芯片完成整體系統(tǒng)的供電保障。最后應(yīng)當(dāng)說明的是，很顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型。
權(quán)利要求
1.一種金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置，其特征在于，包括檢測單元，以及數(shù)據(jù)采集處理單元，其中 所述檢測單元，設(shè)置為具有凹型前端的印刷電路板，用于通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器對所述金屬管道進行漏磁信號感測，通過CPLD控制高速A/D進行多路信號并行高速采樣，通過D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器，把采樣得到的多路漏磁信號，以三線制4-20mA變送形式，順序地傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬管道漏磁檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測單元采用固定檢測步長的方法進行漏磁感測； 在所述檢測單元采用固定檢測步長的方法進行漏磁感測時，所述檢測單元的印刷電路板為多塊相同尺寸的印刷電路板；多個檢測單元等間距、平行放置，且與管道表面等距離，與管道表面垂直，保證每次測量的移動距離就是兩個相鄰檢測單元之間的距離，構(gòu)成一個封閉式檢測裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I至2所述的金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置，其特征在于，所述印刷電路板設(shè)置多路磁阻傳感器，多路與磁阻傳感器相應(yīng)的放大器和多路ADC芯片，以及相應(yīng)的主控單元、DAC芯片和電壓電流轉(zhuǎn)換單元； 所述主控單元在控制ADC芯片進行多路信號采集后，將多路采樣數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后，順序輸出至DAC芯片，并控制DAC芯片工作； DAC芯片將多路采樣數(shù)據(jù)以電壓形式順序輸出至電壓電流轉(zhuǎn)換單元； 所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元將多路采樣數(shù)據(jù)對應(yīng)的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至2所述的金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理單元，包括多路高速并行工作的ADC器件，第二傳輸單元和移動數(shù)據(jù)處理單元； 其中，所述ADC器件，用于采樣多個檢測單元以電流方式順序傳輸來的多路電流信號，主控單元將其還原為多路漏磁傳感信號； 所述第二傳輸單元，用于將ADC采樣得到的多路漏磁傳感信號，以SPI串行方式傳輸給所述移動數(shù)據(jù)處理單元； 所述移動數(shù)據(jù)處理單元，為嵌入式微處理器系統(tǒng)，用于根據(jù)第二傳輸單元傳輸來的多路漏磁傳感信號，計算所述多路漏磁信號的信號特征，診斷所述金屬管道的缺陷。
5.一種金屬管道漏磁檢測的印刷電路板，其特征在于，所述印刷電路板設(shè)置多路磁阻傳感器，多路與磁阻傳感器相應(yīng)的放大器和多路ADC芯片，以及相應(yīng)的主控單元、DAC芯片和電壓電流轉(zhuǎn)換單元； 所述多路磁阻傳感器，用于對所述金屬管道進行漏磁信號梯度測量感測得到多路漏磁傳感信號； 所述放大器，用于將磁阻傳感器輸入的磁阻傳感信號放大； 其中，所述ADC芯片，主控單元，DAC芯片為多路信號并行采樣單元的組成部分；所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元為傳輸單元的組成部分； 所述多路信號并行采樣單元，用于對所述金屬管道進行多路漏磁信號的高速并行采樣； 所述傳輸單元，所述采樣處理后的磁阻傳感數(shù)據(jù)信號以一路三線制式異步串行電流通訊方式，以一路三線制4-20mA電流信號形式將所述多路信號并行采樣單元處理后的多路漏磁傳感數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換并輸送至所述數(shù)據(jù)采集處理單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬管道漏磁檢測的印刷電路板，其特征在于，所述印刷電路板為具有凹型如端的印刷電路板； 所述印刷電路板為兩塊及以上相同尺寸的印刷電路板；所述兩塊及以上印刷電路板按設(shè)定距離垂直方向平行等間距放置，并與被測所述金屬管道始終保持垂直。
7.一種金屬管道漏磁檢測的數(shù)據(jù)高速傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟S100，檢測單元設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器對所述金屬管道進行漏磁信號感測，通過CPLD控制高速A/D進行多路信號高速采樣，通過D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器，把采樣得到的多路漏磁信號，以三線制4-20mA變送形式，順序地傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元。
步驟S200，數(shù)據(jù)采集處理單元接收多塊檢測單元以4-20mA電流形式順序串行傳輸來的多路電流信號并還原為多路漏磁傳感信號；多路漏磁傳感信號以SPI串行方式傳輸給所述移動數(shù)據(jù)處理單元；所述移動數(shù)據(jù)處理單元計算所述多路漏磁信號的信號特征，診斷所述金屬管道的缺陷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬管道漏磁的數(shù)據(jù)高速傳輸方法，其特征在于，所述步驟SlOO中，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器，包括如下步驟 步驟S110，設(shè)置具有凹型前端的印刷電路板，所述印刷電路板包圍所述金屬管道被檢測表面；所述印刷電路板設(shè)置的多路磁阻傳感器直接焊接于印刷電路板前端正反面兩側(cè)，且多路傳感器之間排放位置相切或者相交，由此構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境； 所述印刷電路板的多路磁阻傳感器始終與水冷壁管道保持垂直，對所述金屬管道采用固定檢測步長的方法，同時多路磁阻傳感器快速并行工作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬管道漏磁的數(shù)據(jù)高速傳輸方法，其特征在于，所述印刷電路板的多路磁阻傳感器的設(shè)置方法為 1)令η與N相除，得到計算結(jié)果商為Q，余數(shù)為C； 2)若整除無余數(shù)，即C為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚磁阻傳感器，且相鄰兩枚傳感器相交無重疊，構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境； 3)若余數(shù)C不為零，則在凹形電路板前端正反兩面交替擺放Q枚傳感器，但正反兩面相鄰傳感器有重疊部分，重疊部分所對應(yīng)圓心角度值為C與Q-I進行除法操作的結(jié)果，由此同樣可構(gòu)成封閉式檢測環(huán)境； 其中，η為被測金屬管道的弧長所對應(yīng)圓心角度數(shù)，N為磁阻傳感器所對應(yīng)的圓心角度值N。
全文摘要
本發(fā)明公開一種金屬管道漏磁信號封閉式檢測裝置及高速數(shù)據(jù)傳輸方法。其裝置包括檢測單元，以及數(shù)據(jù)采集處理單元，其中所述檢測單元，設(shè)置為具有凹型前端的印刷電路板，用于通過設(shè)置于所述印刷電路板兩面封閉式布置的多路磁阻傳感器對所述金屬管道進行漏磁信號感測，通過CPLD控制高速A/D進行多路信號高速采樣，通過D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換器，把采樣得到的多路漏磁信號，以三線制4-20mA變送形式，順序地傳輸給數(shù)據(jù)采集處理單元。其效率大大提升，可實現(xiàn)金屬管道快速全面無損檢測。
文檔編號G01N27/83GK102735746SQ201110095719
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者林偉國, 王宗昊 申請人:北京化工大學(xué)