一种基于脉冲涡流的管道裂纹检测系统论文和设计-刘力

全文摘要

本实用新型公开了一种基于脉冲涡流的管道裂纹检测系统，它的组成包括：被测管道表面(1)，裂纹检测装置(2)，网关节点(3)，GPRS(4)，Internet(5)，检测中心(6)。裂纹检测装置(2)安装在被测管道表面(1)上，裂纹检测装置(2)对被测管道表面(1)进行检测，并将检测结果发送至网关节点(3)，通过GPRS(4)与Internet(5)将检测信息实时发射到检测中心(6)的数据库处理系统，其中：裂纹检测装置(2)的组成包括脉冲涡流检测探头(7)，激励源电路(8)，信号调理电路(9)，ZigBee芯片(10)，电源(11)。本实用新型的有益效果：采用改进型水平‑垂直线圈脉冲涡流探头，能够有效检测到走向沿各个方向的裂纹缺陷；采用ZigBee无线网络通信，省去布线的麻烦，易于升级维护；节约成本。

主设计要求

1.一种基于脉冲涡流的管道裂纹检测系统，它的组成包括：被测管道表面(1)，裂纹检测装置(2)，网关节点(3)，GPRS(4)，Internet(5)，检测中心(6)，裂纹检测装置(2)安装在被测管道表面(1)上，裂纹检测装置(2)对被测管道表面(1)进行检测，并将检测结果发送至网关节点(3)，并通过GPRS(4)与Internet(5)将检测信息实时发送至检测中心(6)的数据库处理系统，其特征在于：裂纹检测装置(2)的组成包括：改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头(7)，激励源电路(8)，信号调理电路(9)，ZigBee芯片(10)，电源(11)，所述改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头(7)组成包括：检测线圈A，检测线圈B，激励线圈，铁氧体磁芯。

设计方案

1.一种基于脉冲涡流的管道裂纹检测系统，它的组成包括：被测管道表面(1)，裂纹检测装置(2)，网关节点(3)，GPRS(4)，Internet(5)，检测中心(6)，裂纹检测装置(2)安装在被<\/u>测<\/u>管道表面(1)上，裂纹检测装置(2)对被测管道表面(1)进行检测，并将检测结果发送至网关节点(3)，并通过GPRS(4)与Internet(5)将检测信息实时发送至检测中心(6)的数据库处理系统，其特征在于：裂纹检测装置(2)的组成包括：改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头(7)，激励源电路(8)，信号调理电路(9)，ZigBee芯片(10)，电源(11)，所述改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头(7)组成包括：检测线圈A，检测线圈B，激励线圈，铁氧体磁芯。

2.根据权利要求1所述的管道裂纹检测系统，其特征在于：所述激励源电路(8)组成包括：555定时器，充电回路和放电回路。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于电磁无损检测技术领域，尤其是涉及管道裂纹检测的脉冲涡流检测系统。

背景技术

随着世界工业的快速发展，管道在石油化工、海洋工程等各个领域有着广泛的应用，已经成为现代工业中不可缺少的部分。但管道的服役环境往往受到腐蚀介质的影响，且随着服役时间的延长，管道不可避免的会发生腐蚀和磨损。因此，检测管道的腐蚀、磨损情况及评价管道使用寿命，是避免该类事故发生的必要手段。目前，常用于管道检测的无损探伤方法有磁粉、射线、超声、渗透和常规涡流等检测技术。脉冲涡流作为一种新型的检测技术，对表面要求低，检测精度高，只需一次扫描就能分析被测管道不同尺寸、不同类型的缺陷，包含信息丰富。但一些脉冲涡流检测探头存在检测盲区，对管道存在的各种走向的裂纹，不能全部检测，还有管道检测点多、分散，在检测时候费工、费时。

实用新型内容

针对上述情况，本实用新型提出的管道裂纹检测系统采用改进型水平-垂直线圈脉冲涡流探头，在加之采用ZigBee无线传感网络，克服上述检测存在的缺陷。

本实用新型采用的技术方案：

一种基于脉冲涡流的管道裂纹检测系统，它的组成包括：被测管道表面1，裂纹检测装置2，网关节点3，GPRS4，Internet5，检测中心6。裂纹检测装置2安装在被测<\/u>管道表面1上，裂纹检测装置2对被测管道表面1进行检测，并将检测结果发送至网关节点3，并通过GPRS4与 Internet5将检测信息实时发送至检测中心6的数据库处理系统。

所述裂纹检测装置2的组成包括改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头7，激励源电路 8，信号调理电路9，ZigBee芯片10，电源11。

所述改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头7组成包括：检测线圈A，检测线圈B，激励线圈，铁氧体磁芯。

所述激励源电路8组成包括：555定时器，充电回路和放电回路。

本实用新型的有益效果：

采用改进型水平-垂直线圈脉冲涡流探头，能够有效检测到走向沿各个方向的裂纹缺陷；采用ZigBee无线网络通信，省去布线的麻烦，易于升级维护；节约了成本、避免了有线设备的损坏几率，节省了人力成本。

附图说明

图1为系统组成示意图。

图2为裂纹检测装置组成图。

图3为改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头组成图。

图4为激励源电路图。

图中：1为被测管道表面，2为裂纹检测装置，3为网关节点，4为GPRS，5为Internet，6为检测中心，7为改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头，8为激励源电路，9为信号调理电路，10为ZigBee芯片，11为电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步的说明。

1.系统的整体情况

(1)一种基于脉冲涡流的管道缺陷检测系统，它的组成包括：被测管道表面1，裂纹检测装置2，网关节点3，GPRS4，Internet5；裂纹检测装置2安装在被测管道表面1上，裂纹检测装置2对被测管道表面1进行检测，并通过裂纹检测装置2应用ZigBee无线传感网络发送至网关节点3，并通过GPRS4与Internet5将检测信息实时发送到检测中心6的数据库处理系统。如图1所示。

(2)裂纹检测装置2的组成包括改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头7，激励源电路 8，信号调理电路9，ZigBee芯片10，电源11。如图2所示。

(3)改进型水平-垂直线圈脉冲涡流检测探头7组成包括：检测线圈A，检测线圈B，激励线圈，铁氧体磁芯。如图3所示。

(4)激励源电路8组成包括：555定时器，充电回路和放电回路。如图4所示。

2.改进型水平-垂直线圈探头

鉴于水平-垂直探头存在检测盲区，即无法检测到走向垂直于检测线圈的裂纹。就需要采用另一个检测线圈来弥补这一缺陷。当两个检测线圈不平行时，第二个检测线圈就可以检测到垂直于第一个检测线圈的裂纹，从而弥补了探头的检测盲区。为了获得更高的检测灵敏度，应使得改进探头的两个检测线圈互相垂直，这样，对于垂直于第一个检测线圈的裂纹，被测物体中涡流将平行于第二个检测线圈，从而以更高的灵敏度检测到该裂纹。改进型水平-垂直线圈探头的结构如图3所示。

由图3可见，三个线圈均绕制在铁氧体磁芯上，检测线圈A与检测线圈B垂直，且两者都垂直于激励线圈，激励线圈水平放置。同理可知，当没有缺陷时，改进型水平-垂直线圈探头输出也为0，具有自调零特性。

鉴于当缺陷位于检测线圈两侧时感应电压的方向会发生改变，没有将两个检测线圈接成一个整体，而是采用了两个通道来分析两个检测线圈中的感应电压。这样，检测装置就需要采用两个信号处理和模\/数转换通道同时工作。并对两路信号的分析取逻辑或的关系，即当任意一个通道检测到的电压值超过阈值时，检测装置将输出报警信号，从而可有效检测到走向沿各个方向的裂纹缺陷。

3.激励源

脉冲涡流检测仪需要设计一个周期性重复的脉冲作为激励信号。为了在实验中测试脉冲参数对检测效果的影响，设计脉冲的重复频率与占空比分别连续可调的脉冲发生电路，采用 555定时器发生占空比连续可调的脉冲，所设计的激励信号发生电路如图4所示。

激励源电路输出的脉冲的占空比可以在很宽的范围内调节；二极管D_{1<\/sub>和D2<\/sub>分别为电容 C 1<\/sub>提供充电和放电通道。电位器P1<\/sub>和P2<\/sub>分别控制输出脉冲的充电周期和放电周期，充电回路由R1<\/sub>、D2<\/sub>、电位器的P2<\/sub>接入电阻RP2<\/sub>和电容C1<\/sub>构成，放电回路由R2<\/sub>、D1<\/sub>、电位器P1<\/sub>的接入电阻RP1<\/sub>和电容C1<\/sub>组成。}

4. ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit\/s、20kbit\/s和40kbit\/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

ZigBee模块是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。该产品采用高性能的工业级ZigBee方案，提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能；低功耗设计，最低功耗小于1mA；提供6路I\/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I\/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。

应用设计：采用高性能工业级ZigBee芯片；低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗；电源输入(DC 2.0～3.6V)。稳定可靠：WDT看门狗设计，保证系统稳定；提供TTL串行接口，SPI接口；天线接口防雷保护。

标准易用：采用2.0的SMA与DIP接口，特别适合于不同用户的应用需求；提供TL接口可直接连相同电压的TTL串口设备；智能型数据模块，上电即可进入数据传输状态；使用方便，灵活，多种工作模式选择；方便的系统配置和维护接口；支持串口软件升级和远程维护。

功能强大：支持ZigBee无线短距离数据传输功能；具备中继路由和终端设备功能；支持点对点、点对多点、对等和Mesh网络；

网络容量大：65535个节点；节点类型灵活：中心节点、路由节点、终端节点可任意设置；发送模式灵活：广播发送或目标地址发送模式可选；通信距离大；提供6路I\/O，可实现6路数字量输入输出；兼容6路脉冲输出、3路模拟量输入、3路脉冲计数功能。

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit\/s、20kbit\/s和40kbit\/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：(1)低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。(2)成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5-2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3)时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4)网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。(5)可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6)安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

5. GPRS技术

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS可说是 GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS 的传输速率可提升至56甚至114Kbps。

GPRS可提供高达115kbps的传输速率(最高值为171.2kbps，不包括FEC)。这意味着在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。接入时间短分组交换接入时间缩短为少于1GPRS 是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入股务。

数据速率最高可达164kb\/8.GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRS 数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。要实现GPRS 网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议。GPRS网络引入GSN(GPRS Surporting Node)节点。移动台则必须是GPRS移动台或GPRS\/GSM双模移动台。

6. Internet接入

业务描述GPRS这是GPRS最普遍的一种应用，利用手机+笔记本接入Internet。用户IP 地址分配及与IP网络连接方案手机+笔记本接入Internet业务的用户地址可以分配公有地址或私有地址，从节约公有地址角度出发，建议采用私有地址。

实现方式为：手机接入经过服务器RADIUS授权后，由GGSN分配私有地址，该私有地址通过NAT转换后接入CMNet。

Internet接入方式选择GGSN接入Internet有透明和非透明两种方式。如果移动运营商作为GPRS运营商的同时，直接作为ISP提供Internet接入服务，建议采用透明方式，用户接入因特网无须进行认证，可由移动用户鉴权替代，这样可加快用户接入速度，减少RADIUS 服务器的投资。也可以采用非透明方式接入Internet，通过RADIUS进行用户认证。

设计图