對金屬磁記憶檢測儀改進方法的研究

齊光峰，楊勇，楊超，韓瑋，乍靖榆

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術檢測中心，山東 東營 257000）

1 前言

金屬磁記憶技術用于埋地管道的檢驗，從檢驗效率、環境適應性、儀器小型化方面都適用于油田埋地管道管體缺陷的檢測。埋地管道腐蝕與缺陷磁場檢測技術基于磁法勘探手段與鐵磁性金屬磁記憶原理。兩項成熟的技術結合起來檢測埋地管道已經被證明是可行的。

目前,該設備在檢測及數據處理分析中仍存在以下需求。

（1）電源模塊穩定性差。電源模塊負責向所有模塊提供所需的能量，整個系統總共需要2種不同電壓,當電源模塊前端與其他電路共享電源供電時，供電電源的一些干擾影響時常導致輸入電壓跌落，引起模塊輸出不穩定，造成設備頻繁死機，需檢測人員重新調試，使檢測效率變低。

（2）閾值法建立的缺陷類型識別模型的識別率低。描述性統計數據如最大值、最小值及均值、梯度值等，對腐蝕缺陷進行識別時存在識別率低的不足，僅能實現70%左右的識別率。在模式識別中，未考慮諸如檢測信號形態的寬度、峰值等特征，也未考慮檢測信號譜能量、功率譜等頻域特征。此外，閾值法僅僅對兩類缺陷可進行識別，無法實現多缺陷類型識別。

（3）腐蝕檢測精度不足。儀器磁場強度的檢測精度為0.1A/m，對于埋深較大且腐蝕面積、深度較小的腐蝕缺陷激勵的磁場強度檢測則精度不足。

基于以上需求，本文對于現有磁記憶檢測設備從電源模塊、信號調理模塊和核心處理模塊進行改進，適用于現場的復雜環境，同時便于上位機系統進行數據計算、曲線顯示、數據存儲、數據查找等功能，檢測發現管道中的應力集中區域并提出維修建議，從而提高油氣管道安全運行能力與完整性管理水平。

2 總體改造方案設計

2.1 電源模塊

電源模塊負責向所有模塊提供所需的能量，整個系統總共需要2種不同電壓，其中地磁場探頭TMT-MD02需要用5 V電源，單片機C8051F120、信號調理放大AD芯片ADS1248以及232轉換芯片MAX3232都需要3.3V電源。

整個系統使用7V高能電池供電，使用LDO芯片TLV1117-50CDCY實現了5V電源輸出，TLV1117-33CDCY實現了3.3V電源輸出，該產品輸出噪聲只有38uVrms，具有很高的輸出穩定性。

2.2 信號調理模塊

通過埋地管道不同方向的地磁場信息變化可以間接地反映埋地管道的腐蝕損壞情況，實現管道的無損檢測。地磁場信息采集電路主要由前端傳感器轉換電路和后端信號調理電路組成。

（1）傳感器轉換電路。傳感器轉換電路主要是把埋地管道不同方向的地磁場信號轉換為對應的電信號，選用探頭采用5V電源供電，可以將X、Y、Z三個方向的地磁場信號轉換為3組差分電壓信號，靈敏度高，噪聲低，使用非常方便。

該探頭內部采用了電橋檢測電路，電橋具有共模信號抑制能力，能夠盡量地減少外部干擾，另外，電橋都是采用電阻元件，加入電源后就能立即得到響應輸出，響應速度快，有利于及時采集到正確的數據。因此在一條直線上間隔安裝3個TMT-MD02傳感器探頭，基本可以適應所有的管道檢測。

（2）信號調理電路。直接加入電源后探頭輸出的電壓信號比較小，直接采集的話誤差很大，因此需要進行調理放大。另外，由于探頭是差分信號輸出，信號可正可負，而AD模塊往往只能采集正信號，因此，需要考慮差分信號的變換問題。選用的芯片輸入端可以提供4組雙端差分輸入，可以把地磁場傳感器探頭的3組差分電壓輸出信號接到對應的雙端輸入接口上，然后，通過多路數據選擇器選擇對應的差分信號進行采集，再經過低噪聲可編程增益放大器靈活調節信號放大倍數，把微弱的傳感器輸出電壓信號變為AD可以接受的電壓信號，然后，進入△∑AD模塊進行AD采集轉換，再將轉換數據進行數字濾波，最后通過SPI接口把采集轉換結果傳送給單片機。由此可見，該芯片提供了完整的高精度溫度測量ADC解決方案，可在不影響性能的情況下減少器件數量，簡化設計工藝，提高可靠性。

在差分輸入端進行前端的RC濾波，進一步減小信號噪聲。另外，把1個TMT-MD02傳感器探頭的X、Y、Z三個方向的地磁轉換信號分別接到了3個ADS1248芯片的差分輸入端口上，3個芯片都用同樣的START信號來控制AD信號的開啟采集，這樣保證了X、Y、Z三個方向的地磁信號是完全同一個時刻采集到了，進一步提高了數據精度。

2.3 核心處理模塊

核心處理模塊是整個系統的控制和處理單元，主要負責響應上位機發送來的各種請求和命令，收集下位機發送過來的大量數據，并及時發送給上位機。該模塊選用了C8051F120單片機，C8051F120是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，具有64個數字I/O引腳（100腳TQFP封裝）。

核心處理模塊需要2個UART串口，一個用于接收GPS模塊的定位信息，一個用于和上位機進行交互，2個UART就需要2個定時器來進行波特率產生，另外，采集到的數據需要1個定時器控制定時上傳時間，計步器信息采集還需要1個計數器進行計數，所以總共需要2個UART串口和4個定時器/計數器；而要和3個ADS1248芯片進行SPI通信，也需要大量的IO口支持，當然C8051F120具有64個IO口已經足夠，綜上所述，針對核心處理模塊的要求，C8051F120單片機完全可以勝任。

3 模塊組裝測試

3.1 實驗室測試階段

金屬磁應力檢測儀模塊升級改造完成，必須對其進行細致完善的測試與分析，首先，在實驗室環境中對各個模塊的功能進行測試，測試完成后搭建環境模擬現場真實狀況進行控制單元的整體測試。通過調整系統參數進行校準，最終達到了較好的測量精度。

首先，在實驗室中通過計算機、串口調試助手軟件、萬用表等設備對硬件單元進行各個功能模塊的測試，包含數據采集模塊、GPS模塊、現場通信模塊、電源模塊、核心處理模塊。模塊測試確定性能后在進行實驗室整體系統測試，首先進行數據校準、數據標定、電壓轉換等，最后整體系統測試。

（1）現場通信模塊。通過串口調試助手向核心處理模塊發送開始采集和停止采集命令，核心處理模塊根據串口助手發送的命令進行相應的回復，收到開始采集命令后便開始傳送采集的數據，收到結束采集命令后結束采集并且回復結束命令。

（2）數據采集模塊。根據TMT-MD02三維磁探頭的工作原理設計了三個惠斯登電橋電路模擬探頭采集的差分數據，ADS1248采集后經核心處理模塊發送給上位機軟件觀察數據與萬用表測的電橋數據相同。

（3）GPS模塊。該模塊為集成模塊，用TTL轉USB將GPS模塊連接電腦通過測試軟件測試GPS工作正常。與標準定位經緯度一致，精度小與2.5m（圖1）。

圖1 GPS模塊測試信息與標準定位信息

（4）電源模塊。測試需要用萬用表與鋰電池，將該模塊用7V鋰電池上電，用萬用表測的經模塊電路輸出后的電壓分別為5V與3.3V，電壓穩定不跳變（圖2）。

圖2 電源模塊輸出電壓

（5）核心處理模塊。通過串口助手向核心處理模塊發送開始采集命令，該模塊返回采集數據，AD數據與萬用表測得數據一致，GPS數據與測試軟件數據一致。各項功能均能正常完成（圖3）。

圖3 上位機接收的數據與萬用表測得AD數據

3.2 實驗室系統測試

數據標定。硬件電路模塊測試功能正常，再對整體系統進行測試，首先，要對三維磁探頭和計步編碼器等模塊進行數據標定。三維磁探頭存在直流偏移，當測量0°和180°時電壓不對稱，一致性較差，容易造成測量誤差。要先進行一致性標定，將三維磁探頭X、Y、Z方向分別進行0°和180°數據測量，將測量數據取平均，得到偏移量，再進行多次多地測量，對偏移量取平均得到較為精準的直流偏移。真實數據等于測量值減去偏移值。

磁探頭采集的是電壓信號，去除偏移后，需要將電壓信號轉換為對應的磁場信號，用標準磁力計與三維探頭放在同一位置，將測量值進行比對，求出系數值?？傮w平均誤差<5%達到技術指標要求（表1）。

表1 磁場測量精度

4 結語

基于金屬磁記憶檢測基礎理論研究進行了儀器設備的研發，并在工程檢測應用等方面取得了不少研究成果。但是，仍然在電源模塊穩定性、儀器檢測精度、核心處理模塊等方面存在不少亟待解決的問題，通過金屬磁記憶檢測系統研究，進行設計改進，形成的主要成果如下。

（1）采用微功耗低壓差線性穩壓器（LDO芯片TLV1117-50CDCY），降低了電源輸出誤差，使電源輸出誤差控制在±1%以內，同時具有過流保護、過溫保護、輸出狀態自檢、延遲安全供電功能，提高了電源輸出穩定。

（2）采用信號調理技術，對前端進行采集信號調理放大，后端進行AD轉換、差分放大、濾波輸出，增加了數據信噪比，提高了數據采集精度。

（3）選用C8051F120單片機，將原儀器工控機改進為單片機，降低了功耗、簡化了操作、更適用于檢測現場。