儲罐底板電-磁-聲復合檢測儀器的研制

史明澄　王俊杰　孫令司　胡斌　沈功田　武新軍

摘 要 針對儲罐底板在役檢測過程中遇到的難題，研制可以實現漏磁、電磁超聲、導波和脈沖渦流4種檢測方法的復合檢測儀器。提出結合繼電器和電源穩壓模塊的電源供電方案，解決復合儀器研制相關的硬件電路中多電平、多頻率復合時所引入的串擾問題。其中復合儀器的電磁超聲測厚采用基于閾值電平的脈沖計數法全硬件實現厚度測量，需要對部分硬件參數進行調節，開發基于現場可編程邏輯門陣列和數字電位器的程控調節方案，使增益、閾值、時延等電路參數可以實時調節從而實現基于閾值電平脈沖計數法的電磁超聲測厚。最后，在室內實驗平臺上對系統的檢測性能進行了測試，結果表明：電-磁-聲復合檢測儀器可以實現導波、漏磁、電磁超聲以及脈沖渦流檢測，各檢測模塊工作正常。

關鍵詞 無損檢測 電-磁-聲復合檢測 儲罐底板 電源控制 程控調節

中圖分類號 TH878? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0459-08

儲罐在長期使用過程中，由于內外介質腐蝕等原因，會產生凹坑、裂紋、漏孔等缺陷，不僅會造成油品泄漏，嚴重時甚至可能會引起火災等事故，儲罐底板腐蝕是最為常見的安全隱患之一［1］，因此必須定期進行檢測和維修。隨著石化工業的迅速發展，企業對檢測技術的要求也越來越高，研制高效檢測設備勢在必行。

當前應用于儲罐底板檢測的無損檢測方法有超聲、漏磁、導波、脈沖渦流等。其中，超聲檢測分為壓電超聲檢測和電磁超聲檢測，壓電超聲檢測需要耦合劑，對檢測表面要求較高；電磁超聲檢測為非接觸式檢測，操作簡單檢測精度較高［2，3］，但電磁超聲對于點狀腐蝕不敏感；漏磁檢測［4］也是非接觸式檢測，操作簡單，適用于儲罐底板的快速檢測，但漏磁檢測也存在對均勻腐蝕減薄不敏感的問題；超聲導波檢測［5，6］可快速進行較遠距離檢測，實現對缺陷的定位，但無法測量壁厚，不能量化缺陷。脈沖渦流檢測［7］也是非接觸式檢測方式，對提離和溫度變化不敏感，因此檢測時無需清除儲罐底板上的淤泥，但脈沖渦流檢測的檢測精度較低。

對于儲罐底板檢測，特別是為適應未來無需開罐的在油檢測要求，單一的檢測方式已經無法滿足需要。考慮儲罐的在油情況，進入儲罐的檢測儀器功能越多，一次性獲取的信息也越多。為此，中國特種設備檢測研究院和華中科技大學合作研制了集成漏磁、電磁超聲和導波的復合檢測系統［8］，筆者在上述工作的基礎上，進一步開展集成漏磁、電磁超聲、導波和脈沖渦流［9］4種檢測方法的儲罐底板電-磁-聲復合檢測儀器的研制。由于多種檢測方法復合，不同檢測方法的工作頻率及電源電壓有所區別，為解決硬件電路中多電平和多頻率所引入的串擾問題，提出結合繼電器和電源穩壓模塊的電源控制方案，此次研制的電磁超聲檢測模塊采用在硬件電路上對電磁超聲峰值進行閾值比較，從而得到兩個回波的間隔時間，進而得到儲罐底板的厚度［10］。由于不同材料的磁化特性不同，電磁超聲的信號強弱也不同，因此，需要通過上位機對電磁超聲的幅值、閾值和時延3個硬件參數進行調節，從而正確判斷兩個回波信號的間隔時間，基于此項要求，開發基于現場可編程邏輯門陣列和數字電位器的程控調節方法，實現增益、閾值和時延參數的程控調節。

1 電-磁-聲復合檢測儀器

電磁復合檢測儀器的結構如圖1所示。考慮到無需開罐的在油檢測要求，信號傳輸方式選用光纖，上位機通過光端機和下位機通信。供電采用24 V直流供電，圖1中的粗箭頭代表供電線。24 V（DC）經電壓轉換模塊變為5 V（DC），為光端機和主控模塊供電，同時5 V（DC）電源還通過繼電器組，在脈沖渦流檢測時為脈沖渦流控制模塊供電。

在選擇不同檢測模式時，上位機發送指令，選擇繼電器給相應檢測模塊供電使檢測模塊工作，然后傳輸相應控制參數和采集指令到下位機現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）。

在導波檢測時，FPGA發送指令控制D/A轉換模塊產生激勵信號，激勵信號在經過功率放大電路放大后驅動變壓器產生激勵交流電流到激勵線圈，激勵線圈在外加偏置磁場的作用下在被測對象表面感應出與其交流電流方向相反的渦流，基于洛倫茲力機理，渦流在靜態偏置磁場作用下產生垂直于渦流方向的交變洛倫茲力，從而在被測對象表面產生與洛倫茲力方向相同的機械振動，最終激勵出導波信號。接收過程為激勵過程的逆過程，即試件內的超聲導波在靜態磁場中產生感應電流，感應電流產生感應磁場，接收線圈感應到周圍磁場變化，又轉換為電壓信號。而接收到的電壓信號幅值一般很小，需要經過導波信號預處理電路將信號放大一定倍數后，再通過A/D采集將信號轉換為數字信號傳輸給下位機FPGA，下位機再將信號傳給上位機進行顯示分析。

在漏磁檢測時，霍爾元件感應到磁場變化產生電壓信號，電壓信號在漏磁信號預處理電路進行預處理。由于漏磁信號的通道數較多，為了緩解硬件壓力，采用模擬多路復用電路依次采集各個通道經預處理后的漏磁信號，再通過A/D將信號轉換為數字信號傳輸給下位機FPGA，下位機再將信號傳給上位機進行顯示分析。

在電磁超聲檢測時，FPGA通過I/O口控制光耦開關，利用并聯諧振電路產生高頻激勵信號，高頻激勵信號通過MOS管放大在激勵線圈產生高頻交變激勵電流，進而在線圈周圍產生交變電磁場，在被測對象表面趨膚深度內形成感應渦流。在偏置磁場的作用下，試件表面會產生交變的應力或應變，進而產生振動并在試件中傳播形成超聲波。在接收時，接收線圈通過感應試件內部微觀粒子振動切割磁力線產生的磁場波動，產生感應電壓信號，對信號放大濾波預處理，采用閾值比較的方式將回波信號截取轉換為僅包含回波聲時信息的脈沖電平信號，進而采用脈沖計數方法實現試件厚度測量。同時，為了避免噪聲的影響，需要設置時延使電平信號保持一段時間，最終無需A/D轉換，僅通過FPGA芯片I/O口即可獲取回波信號聲時信息。

在脈沖渦流檢測時，脈沖渦流控制模塊通過D/A產生脈沖渦流激勵波形，經過功率放大模塊在激勵線圈中產生電流脈沖，此時在線圈周圍產生的電磁場由兩部分疊加而成：一部分是直接從線圈中耦合出的一次電磁場，另一部分是試件中感應出的渦流場所產生的二次電磁場形成的脈沖渦流信號，在被接收線圈接收后，經過脈沖渦流前置放大電路，通過A/D采樣采集到脈沖渦流控制模塊中。

在設計時，為保證檢測儀器的便攜性，整個儀器采用直流24 V供電，經過電壓轉換模塊轉換為直流5 V，供給光端機、主控模塊、繼電器模塊及各檢測模塊信號預處理單元；另一方面，導波和電磁超聲檢測模塊分別包含有24 V轉直流285 V與直流550 V高壓激勵模塊，因此，該設計需要考慮大功率信號和弱信號之間的干擾問題。從頻率來看，漏磁檢測信號小于1 kHz，導波信號200～300 kHz，電磁超聲信號一般大于1 MHz，而脈沖渦流檢測信號則是一個寬帶信號。因此，需要對各個檢測模塊之間進行電磁隔離，避免檢測信號相互之間的串擾。

在復合檢測儀器研制時存在的一個難點是，為提高儀器復合效率，減少A/D采樣所造成的硬件負擔，電磁超聲測厚采用基于閾值電平的脈沖計數法全硬件實現厚度測量。在使用該方法測量厚度時需要對增益、閾值、時延等硬件參數進行調節，從而獲取準確的電磁超聲測厚信號。如何通過上位機控制電磁超聲測厚的硬件參數是需要解決的另一個難題。

2 檢測儀器電磁兼容設計

在復合檢測儀器研制過程中，由于各種檢測模塊電平與所使用頻率不同，造成儀器內部電磁環境復雜。其中，通過地線形成傳導的干擾問題尤為突出，各個檢測模塊在檢測過程中由于其他模塊的干擾會導致干擾噪聲較大。如圖2所示，圖2a是正常的電磁超聲測厚信號，回波信號主要包括阻塞區、多個脈沖回波和噪聲，通過對回波信號進行聲時計算可以得到試樣的厚度；圖2b是復合儀器直接復合得到的電磁超聲信號，可以看到信號中混入了一個幅值較大且頻率一定的噪聲，致使儀器無法正常測厚。

大電容放電引起的電磁沖擊問題是影響儀器工作的另外一個問題。在導波和電磁超聲的激勵模塊中，為了保證高壓穩定，存在許多大電容，在儀器切換檢測模式時，這些電容會進行充/放電，致使FPGA芯片工作異常，強行進行檢測甚至會導致電路板燒壞。

為解決上述兩個問題，采用下述儀器供電方案：

a. 繼電器控制模塊。采用圖3所示的繼電器控制模塊實現儀器不同檢測模式的切換，FPGA通過I/O口控制無觸點固態繼電器組，從而實現漏磁、電磁超聲、導波、脈沖渦流檢測模塊的工作

狀態切換，避免不同檢測模塊之間的干擾，降低儀器功耗的同時也規避了不同檢測模式同時工作可能造成的風險。

DC隔離穩壓電源模塊，該電源模塊的輸出電壓為5.3 V；第2級采用輸出電壓可調的低壓降穩壓模塊進一步穩定電源，同時為下一級芯片需要的壓降提供電壓余量；第3級采用噪聲敏感型低壓差穩壓芯片，將輸出電壓穩定在5.0 V。經測試，設計的三級穩壓電路能夠達到低噪聲水平及較高功率的要求，并且轉換效率較高，避免了一般降壓穩壓電路的發熱問題。

3 電磁超聲硬件電路參數可編程調節

電磁超聲測厚是通過測量回波到達的時間間隔來計算被測對象的厚度。在電路實現上，就是將檢測到的超聲回波信號利用比較器方式變為門信號電平脈沖，通過計算兩個門信號電平脈沖的時間間隔得到檢測對象厚度。檢測過程中，由于材料電磁特性、探頭提離等因素，超聲回波信號也有一定差異。為實現電磁超聲測厚，需要對信號幅值、比較器閾值和鎖存所需時延3個電路參數進行調節。同時，未來在進行無需開罐的在油檢測時，無法對參數進行手動調節，因此，采用數字電位器的方式實現增益、閾值和時延的程控調節。

數字電位器（Digital Potentiometer）亦稱數控可編程電阻器，是一種代替傳統機械電位器（模擬電位器）的新型CMOS數字、模擬混合信號處理的集成電路。在此選用AD公司的數字電位器芯片AD5259，其調節位數為8位，共256級調節，采用I2C通信，可以通過控制兩個地址引腳的高、低電平實現一對I2C總線控制4個數字電位器。電磁超聲測厚包括4個通道，每個通道都分別有增益、閾值和時延3個參數需要調節，共需要12個數字電位器，也就是總共需要3對I2C總線。控制數字電位器實現電磁超聲檢測的流程如圖5所示，數字電位器的3個引腳分別為A、B和W，W為滑動端，以通道1為例，電磁超聲檢測時，上位機發送指令到下位機，下位機通過I2C通信調節通道1增益控制的數字電位器，改變壓控運放控制端的電壓，進而改變信號放大倍數，通過調節通道1閾值控制的數字電位器改變閾值電壓，使回波信號幅值大于閾值的信號變為高電平，小于閾值的信號變為低電平，通過調節通道1時延控制的數字電位器改變RC時延電路中電阻的阻值進而改變時延時間。

在電磁超聲回波信號到達后，先經過壓控運放電路將其放大到一定的幅值。當放大后的信號幅值大于閾值電平時，OUT電平由低變為高，而OUT電平受時延電路影響，高電平會持續一段時間，此時與門輸出一直為高電平，latch端為高電平，比較器鎖存。當時延時間結束后，OUT電平由高變為低，與門輸出變為低電平，latch端變為低電平，比較器解除鎖存，等待下一個大于閾值的電平信號。從而將電磁超聲信號轉換為數字脈沖信號，通過數字脈沖間隔即可得到聲時值，最后根據聲時值計算得到儲罐底板厚度。

4 應用實例

根據上述設計思路，研制如圖6所示的儲罐底板電-磁-聲復合檢測儀器。用該儀器對厚度為10 mm/20 mm的碳鋼階梯板進行電磁聲復合檢測測試。

導波檢測信號如圖7a所示，階梯處厚度變化產生的回波信號明顯。電磁超聲和漏磁檢測信號如圖7b所示，鋼板階梯厚度變化處漏磁信號明顯，同時電磁超聲傳感器測得階梯板兩個厚度，由于探頭空間布置原因，電磁超聲測得的階梯位置比漏磁滯后。圖7c給出了在階梯板10 mm和20 mm厚區域的脈沖渦流檢測信號，區別明顯。證實所研制的電-磁-聲復合檢測儀器可以實現導波、漏磁、電磁超聲以及脈沖渦流檢測，各檢測模塊工作正常。

5 結束語

在分析儲罐底板檢測需求的基礎上，成功研制集導波、漏磁、電磁超聲和脈沖渦流檢測為一體的儲罐底板電-磁-聲復合檢測儀器。首先介紹儀器整體結構與設計思路。其次，為解決各個檢測模塊之間的傳導干擾和大電容引起的電源沖擊問題，設計采用繼電器控制實現檢測模塊工作切換，同時設計了適應復合儀器的三級電源轉換與穩壓模塊。針對電磁超聲無A/D采集的需求，設計基于I2C通信的多通道數字電位器硬件電路信號調節單元，實現通過上位機對硬件電路參數的程控調節，在實現電磁超聲無A/D超聲測厚的同時提高儀器使用工況的適應性。最后，在實驗室開展了相關測試實驗，在10 mm/20 mm厚階梯鋼板上信號明顯。該復合檢測儀器彌補了單一檢測儀器的不足，能夠滿足更為復雜的檢測對象和檢測環境的檢測需求，同時對如何解決復合系統的電磁兼容問題以及提高系統適應性具有一定的意義。

后續將圍繞這一復合檢測儀器，繼續開展導波、漏磁、電磁超聲和脈沖渦流檢測信號的信息融合等方面的研究。

參 考 文 獻

［1］ 李春樹，柳曾典，王印培.常壓儲罐底板腐蝕安全評估［J］.壓力容器，2009，26（2）：35-38.

［2］ DIXON S，EDWARDS C，PALMER S B.High accuracy non-contact ultrasonic thickness gauging of aluminium sheet using electromagnetic acoustic transducers［J］.Ultrasonics，2001，39（6）：445-453.

［3］ 丁秀莉，武新軍，郭鍇，等.電磁超聲傳感器工作原理與結構［J］.無損檢測，2015，37（1）：96-100.

［4］ 沈功田，王寶軒，郭鍇.漏磁檢測技術的研究與發展現狀［J］.中國特種設備安全，2017，33（9）：43-52.

［5］ 國家質量監督檢驗檢疫總局.無損檢測 超聲導波檢測 總則：GB/T 31211—2014［S］.北京：中國標準出版社，2014.

［6］ MIAO H，LI F.Shear horizontal wave transducers for structural health monitoring and nondestructive testing：A review［J］.Ultrasonics，2021，114：106355.

［7］? ?SOPHIAN A，TIAN G，FAN M.Pulsed eddy current non-destructive testing and evaluation：A review［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2017，30（3）：500-514.

［8］ 沈功田，武新軍，王寶軒，等.基于頻域可變的大型鋼結構鋼板腐蝕電磁檢測儀器的開發［J］.機械工程學報，2021，57（6）：1-9.

［9］ 武新軍，黃琛，丁旭，等.鋼腐蝕脈沖渦流檢測系統的研制與應用［J］.無損檢測，2010，32（2）：127-130.

［10］ 張翱龍，呂馳，王俊杰，等.儲罐底板電磁超聲測厚系統研制［J］.壓力容器，2022，39（4）：75-82.

（收稿日期：2023-01-13，修回日期：2023-03-02）

Development of Composite Electro-Magnetic-Acoustic

Detection Instrument for Tank Bottom Plate

SHI Ming-cheng WANG Jun-jie SUN Ling-si HU Bin

SHEN Gong-tian WU Xin-jun

（1. School of Mechanical Science and Engineering， Huazhong University of Science and Technology；

2. China Special Equipment Inspection and Research Institute）

Abstract? ?Aiming at the difficulties in detecting storage tanks bottom plate， a composite detection instrument which boasts of testing magnetic flux leakage， electromagnetic ultrasound， guided wave and pulsed eddy current was developed and a power control scheme which combining relay and power regulator module was proposed to solve the interference introduced by multi-level and multi-frequency composition in hardware circuits related to composite sensing technology. In which， the composite instrument has a pulse counting method which based on the threshold level adopted to realize electromagnetic ultrasonic thickness measurement， and having some hardware parameters adjusted to develop a program control adjustment scheme based on the field programmable logic gate array and digital potentiometer so as to regulate the gain， threshold， time delay and other circuit parameters in real time， including to realize the electromagnetic ultrasonic thickness measurement based on the threshold level pulse counting method. Testing the system performance on the laboratory experimental platform shows that， the composite electromagnetic-magnetic-acoustic detection instrument can realize guided wave， magnetic leakage， electromagnetic ultrasonic and pulse eddy current detection， and the detection modules work normally.

Key words? ?NDT， electro-magnetic-acoustic detection， tank bottom plate， power control， programmed control