1、第 50 卷第 4 期化 工 自 动 化 及 仪 表基金项目院国家重点研发计划项目渊2019YFB1310703冤遥作者简介院史明澄渊1998-冤袁硕士研究生袁从事电磁声复合检测的研究遥通讯作者院武新军渊1971-冤袁教授袁从事无损检测的研究袁遥引用本文院史明澄袁王俊杰袁孙令司袁等.储罐底板电-磁-声复合检测仪器的研制咱J暂.化工自动化及仪表袁2023袁50渊4冤院459-466.储罐在长期使用过程中袁由于内外介质腐蚀等原因袁会产生凹坑尧裂纹尧漏孔等缺陷袁不仅会造成油品泄漏袁严重时甚至可能会引起火灾等事故袁储罐底板腐蚀是最为常见的安全隐患之一咱1暂袁因此必须定期进行检测和维修遥 随着石化工业的
2、迅速发展袁 企业对检测技术的要求也越来越高袁研制高效检测设备势在必行遥当前应用于储罐底板检测的无损检测方法有超声尧漏磁尧导波尧脉冲涡流等遥 其中袁超声检测分为压电超声检测和电磁超声检测袁压电超声检测需要耦合剂袁对检测表面要求较高曰电磁超声检测为非接触式检测袁操作简单检测精度较高咱2袁3暂袁但电磁超声对于点状腐蚀不敏感曰漏磁检测咱4暂也是非接触式检测袁操作简单袁适用于储罐底板的快速检测袁但漏磁检测也存在对均匀腐蚀减薄不敏感的问题曰超声导波检测咱5袁6暂可快速进行较远距离检测袁实现对缺陷的定位袁但无法测量壁厚袁不能量化缺陷遥 脉冲涡流检测咱7暂也是非接触式检测方式袁对提离和温度变化不敏感袁因此检测
3、时无需清除储罐底板上的淤泥袁但脉冲涡流检测的检测精度较低遥对于储罐底板检测袁特别是为适应未来无需开罐的在油检测要求袁单一的检测方式已经无法满足需要遥 考虑储罐的在油情况袁进入储罐的检测仪器功能越多袁一次性获取的信息也越多遥 为此袁中国特种设备检测研究院和华中科技大学合作研制了集成漏磁尧电磁超声和导波的复合检测系统咱8暂袁笔者在上述工作的基础上袁进一步开展集成漏磁尧电磁超声尧导波和脉冲涡流咱9暂4 种检测方法的储罐底板电-磁-声复合检测仪器的研制遥由于多种检测方法复合袁不同检测方法的工作频率及电源电压有所区别袁为解决硬件电路中多电平和多频率所引入的串扰问题袁提出结合继电器和电源稳压模块的电源控制
4、方案袁此次研制的电磁超声检测模块采用在硬件电路上对电磁超声峰值进行阈值比较袁 从而得到两个回波的间隔时间袁进而得到储罐底板的厚度咱10暂遥 由于不同材料的磁化特性不同袁 电磁超声的信号强弱也不同袁因此袁需要通过上位机对电磁超声的幅值尧阈值和时延 3 个硬件参数进行调节袁从而正确判断两DOI:10.20030/ki.1000鄄3932.202304010储罐底板电-磁-声复合检测仪器的研制史明澄1王俊杰1孙令司1胡斌2沈功田2武新军1渊1.华中科技大学机械科学与工程学院曰2.中国特种设备检测研究院冤摘要针对储罐底板在役检测过程中遇到的难题袁研制可以实现漏磁尧电磁超声尧导波和脉冲涡流 4种检测方法
5、的复合检测仪器遥 提出结合继电器和电源稳压模块的电源供电方案袁解决复合仪器研制相关的硬件电路中多电平尧多频率复合时所引入的串扰问题遥 其中复合仪器的电磁超声测厚采用基于阈值电平的脉冲计数法全硬件实现厚度测量袁需要对部分硬件参数进行调节袁开发基于现场可编程逻辑门阵列和数字电位器的程控调节方案袁使增益尧阈值尧时延等电路参数可以实时调节从而实现基于阈值电平脉冲计数法的电磁超声测厚遥 最后袁在室内实验平台上对系统的检测性能进行了测试袁结果表明院电-磁-声复合检测仪器可以实现导波尧漏磁尧电磁超声以及脉冲涡流检测袁各检测模块工作正常遥关键词无损检测电-磁-声复合检测储罐底板电源控制程控调节中图分类号TH8
6、78文献标识码A文章编号1000鄄3932渊2023冤04鄄0459鄄084592023 年化 工 自 动 化 及 仪 表个回波信号的间隔时间袁基于此项要求袁开发基于现场可编程逻辑门阵列和数字电位器的程控调节方法袁实现增益尧阈值和时延参数的程控调节遥1电-磁-声复合检测仪器电磁复合检测仪器的结构如图 1 所示遥 考虑到无需开罐的在油检测要求袁信号传输方式选用光纤袁上位机通过光端机和下位机通信遥 供电采用 24 V 直流供电袁图 1 中的粗箭头代表供电线遥24 V渊DC冤经电压转换模块变为 5 V渊DC冤袁为光端机和主控模块供电袁同时 5 V渊DC冤电源还通过继电器组袁在脉冲涡流检测时为脉冲涡流
7、控制模块供电遥图 1电磁复合检测系统结构在选择不同检测模式时袁 上位机发送指令袁选择继电器给相应检测模块供电使检测模块工作袁然后传输相应控制参数和采集指令到下位机现场可编程逻辑门阵列渊Field Programmable GateArray袁FPGA冤遥在导波检测时袁FPGA 发送指令控制 D/A 转换模块产生激励信号袁激励信号在经过功率放大电路放大后驱动变压器产生激励交流电流到激励线圈袁激励线圈在外加偏置磁场的作用下在被测对象表面感应出与其交流电流方向相反的涡流袁基于洛伦兹力机理袁涡流在静态偏置磁场作用下产生垂直于涡流方向的交变洛伦兹力袁从而在被测对象表面产生与洛伦兹力方向相同的机械振动袁最
8、终激励出导波信号遥 接收过程为激励过程的逆过程袁即试件内的超声导波在静态磁场中产生感应电流袁感应电流产生感应磁场袁接收线圈感应到周围磁场变化袁 又转换为电压信号遥而接收到的电压信号幅值一般很小袁需要经过导波信号预处理电路将信号放大一定倍数后袁再通过 A/D 采集将信号转换为数字信号传输给下位机 FPGA袁 下位机再将信号传给上位机进行显示分析遥在漏磁检测时袁霍尔元件感应到磁场变化产生电压信号袁电压信号在漏磁信号预处理电路进行预处理遥 由于漏磁信号的通道数较多袁为了缓解硬件压力袁采用模拟多路复用电路依次采集各个通道经预处理后的漏磁信号袁再通过 A/D 将信号转换为数字信号传输给下位机 FPGA袁
9、 下位机再将信号传给上位机进行显示分析遥在电磁超声检测时袁FPGA 通过 I/O 口控制光耦开关袁 利用并联谐振电路产生高频激励信号袁 高频激励信号通过 MOS 管放大在激励线圈产生高频交变激励电流袁进而在线圈周围产生交变电磁场袁在被测对象表面趋肤深度内形成感应460第 50 卷第 4 期化 工 自 动 化 及 仪 表涡流遥 在偏置磁场的作用下袁试件表面会产生交变的应力或应变袁进而产生振动并在试件中传播形成超声波遥 在接收时袁接收线圈通过感应试件内部微观粒子振动切割磁力线产生的磁场波动袁产生感应电压信号袁 对信号放大滤波预处理袁采用阈值比较的方式将回波信号截取转换为仅包含回波声时信息的脉冲电平
10、信号袁进而采用脉冲计数方法实现试件厚度测量遥 同时袁为了避免噪声的影响袁需要设置时延使电平信号保持一段时间袁最终无需 A/D 转换袁仅通过 FPGA 芯片 I/O 口即可获取回波信号声时信息遥在脉冲涡流检测时袁脉冲涡流控制模块通过D/A 产生脉冲涡流激励波形袁 经过功率放大模块在激励线圈中产生电流脉冲袁此时在线圈周围产生的电磁场由两部分叠加而成院一部分是直接从线圈中耦合出的一次电磁场袁另一部分是试件中感应出的涡流场所产生的二次电磁场形成的脉冲涡流信号袁在被接收线圈接收后袁经过脉冲涡流前置放大电路袁通过 A/D 采样采集到脉冲涡流控制模块中遥在设计时袁为保证检测仪器的便携性袁整个仪器采用直流 2
11、4 V 供电袁 经过电压转换模块转换为直流 5 V袁供给光端机尧主控模块尧继电器模块及各检测模块信号预处理单元曰 另一方面袁导波和电磁超声检测模块分别包含有 24 V 转直流285 V 与直流 550 V 高压激励模块袁因此袁该设计需要考虑大功率信号和弱信号之间的干扰问题遥从频率来看袁漏磁检测信号小于 1 kHz袁导波信号200耀300 kHz袁电磁超声信号一般大于 1 MHz袁而脉冲涡流检测信号则是一个宽带信号遥 因此袁需要对各个检测模块之间进行电磁隔离袁避免检测信号相互之间的串扰遥在复合检测仪器研制时存在的一个难点是袁为提高仪器复合效率袁减少 A/D 采样所造成的硬件负担袁电磁超声测厚采用
12、基于阈值电平的脉冲计数法全硬件实现厚度测量遥 在使用该方法测量厚度时需要对增益尧阈值尧时延等硬件参数进行调节袁从而获取准确的电磁超声测厚信号遥 如何通过上位机控制电磁超声测厚的硬件参数是需要解决的另一个难题遥2检测仪器电磁兼容设计在复合检测仪器研制过程中袁由于各种检测模块电平与所使用频率不同袁造成仪器内部电磁环境复杂遥 其中袁通过地线形成传导的干扰问题尤为突出袁各个检测模块在检测过程中由于其他模块的干扰会导致干扰噪声较大遥 如图 2 所示袁图 2a 是正常的电磁超声测厚信号袁 回波信号主要包括阻塞区尧多个脉冲回波和噪声袁通过对回波信号进行声时计算可以得到试样的厚度曰图 2b是复合仪器直接复合得
13、到的电磁超声信号袁可以看到信号中混入了一个幅值较大且频率一定的噪声袁致使仪器无法正常测厚遥图 2电磁超声测厚信号对比大电容放电引起的电磁冲击问题是影响仪器工作的另外一个问题遥 在导波和电磁超声的激励模块中袁为了保证高压稳定袁存在许多大电容袁在仪器切换检测模式时袁 这些电容会进行充/放电袁致使 FPGA 芯片工作异常袁强行进行检测甚至会导致电路板烧坏遥为解决上述两个问题袁采用下述仪器供电方案院a.继电器控制模块遥 采用图 3 所示的继电器4612023 年化 工 自 动 化 及 仪 表控制模块实现仪器不同检测模式的切换袁FPGA通过 I/O 口控制无触点固态继电器组袁 从而实现漏磁尧电磁超声尧导
14、波尧脉冲涡流检测模块的工作状态切换袁避免不同检测模块之间的干扰袁降低仪器功耗的同时也规避了不同检测模式同时工作可能造成的风险遥图 3继电器控制示意图DC 隔离稳压电源模块袁 该电源模块的输出电压为5.3 V曰 第 2 级采用输出电压可调的低压降稳压模块进一步稳定电源袁同时为下一级芯片需要的压降提供电压余量曰第 3 级采用噪声敏感型低压差稳压芯片袁将输出电压稳定在 5.0 V遥 经测试袁设计的三级稳压电路能够达到低噪声水平及较高功率的要求袁并且转换效率较高袁避免了一般降压稳压电路的发热问题遥图 4稳压电路b.电源稳压模块遥 FPGA 工作时需要稳定的直流 5 V 电压遥由于采用的是单一的直流 2
15、4 V供电袁在检测时袁大电容充/放电引起的纹波会导致FPGA 工作异常袁 因此需要对 5 V 电源进行稳压设计袁同时 5 V 电源需要为光端机等器件供电袁这对 5 V 电源的功率也有一定的要求遥 为了达到上述要求袁 采用三级稳压方式设计电源稳压模块袁如图 4 所示袁第 1 级采用 24 V 转 5 V 的 DC/462第 50 卷第 4 期化 工 自 动 化 及 仪 表3电磁超声硬件电路参数可编程调节电磁超声测厚是通过测量回波到达的时间间隔来计算被测对象的厚度遥 在电路实现上袁就是将检测到的超声回波信号利用比较器方式变为门信号电平脉冲袁通过计算两个门信号电平脉冲的时间间隔得到检测对象厚度遥 检
16、测过程中袁由于材料电磁特性尧探头提离等因素袁超声回波信号也有一定差异遥 为实现电磁超声测厚袁需要对信号幅值尧比较器阈值和锁存所需时延 3 个电路参数进行调节遥 同时袁未来在进行无需开罐的在油检测时袁无法对参数进行手动调节袁因此袁采用数字电位器的方式实现增益尧阈值和时延的程控调节遥数字电位器渊Digital Potentiometer冤亦称数控可编程电阻器袁是一种代替传统机械电位器渊模拟电位器冤的新型 CMOS 数字尧模拟混合信号处理的集成电路遥 在此选用 AD 公司的数字电位器芯片 AD5259袁 其调节位数为 8 位袁 共 256 级调节袁采用 I2C 通信袁可以通过控制两个地址引脚的高尧 低电平实现一对 I2C 总线控制 4 个数字电位器遥 电磁超声测厚包括 4 个通道袁每个通道都分别有增益尧阈值和时延 3 个参数需要调节袁共需要 12 个数字电位器袁也就是总共需要 3 对 I2C 总线遥 控制数字电位器实现电磁超声检测的流程如图 5 所示袁数字电位器的 3 个引脚分别为 A尧B 和W袁W 为滑动端袁 以通道 1 为例袁 电磁超声检测时袁上位机发送指令到下位机袁下位机通过 I2C
