对金属磁记忆检测仪改进方法的研究

齐光峰，杨勇，杨超，韩玮，乍靖榆

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000）

1 前言

金属磁记忆技术用于埋地管道的检验，从检验效率、环境适应性、仪器小型化方面都适用于油田埋地管道管体缺陷的检测。埋地管道腐蚀与缺陷磁场检测技术基于磁法勘探手段与铁磁性金属磁记忆原理。两项成熟的技术结合起来检测埋地管道已经被证明是可行的。

目前,该设备在检测及数据处理分析中仍存在以下需求。

（1）电源模块稳定性差。电源模块负责向所有模块提供所需的能量，整个系统总共需要2种不同电压,当电源模块前端与其他电路共享电源供电时，供电电源的一些干扰影响时常导致输入电压跌落，引起模块输出不稳定，造成设备频繁死机，需检测人员重新调试，使检测效率变低。

（2）阈值法建立的缺陷类型识别模型的识别率低。描述性统计数据如最大值、最小值及均值、梯度值等，对腐蚀缺陷进行识别时存在识别率低的不足，仅能实现70%左右的识别率。在模式识别中，未考虑诸如检测信号形态的宽度、峰值等特征，也未考虑检测信号谱能量、功率谱等频域特征。此外，阈值法仅仅对两类缺陷可进行识别，无法实现多缺陷类型识别。

（3）腐蚀检测精度不足。仪器磁场强度的检测精度为0.1A/m，对于埋深较大且腐蚀面积、深度较小的腐蚀缺陷激励的磁场强度检测则精度不足。

基于以上需求，本文对于现有磁记忆检测设备从电源模块、信号调理模块和核心处理模块进行改进，适用于现场的复杂环境，同时便于上位机系统进行数据计算、曲线显示、数据存储、数据查找等功能，检测发现管道中的应力集中区域并提出维修建议，从而提高油气管道安全运行能力与完整性管理水平。

2 总体改造方案设计

2.1 电源模块

电源模块负责向所有模块提供所需的能量，整个系统总共需要2种不同电压，其中地磁场探头TMT-MD02需要用5 V电源，单片机C8051F120、信号调理放大AD芯片ADS1248以及232转换芯片MAX3232都需要3.3V电源。

整个系统使用7V高能电池供电，使用LDO芯片TLV1117-50CDCY实现了5V电源输出，TLV1117-33CDCY实现了3.3V电源输出，该产品输出噪声只有38uVrms，具有很高的输出稳定性。

2.2 信号调理模块

通过埋地管道不同方向的地磁场信息变化可以间接地反映埋地管道的腐蚀损坏情况，实现管道的无损检测。地磁场信息采集电路主要由前端传感器转换电路和后端信号调理电路组成。

（1）传感器转换电路。传感器转换电路主要是把埋地管道不同方向的地磁场信号转换为对应的电信号，选用探头采用5V电源供电，可以将X、Y、Z三个方向的地磁场信号转换为3组差分电压信号，灵敏度高，噪声低，使用非常方便。

该探头内部采用了电桥检测电路，电桥具有共模信号抑制能力，能够尽量地减少外部干扰，另外，电桥都是采用电阻元件，加入电源后就能立即得到响应输出，响应速度快，有利于及时采集到正确的数据。因此在一条直线上间隔安装3个TMT-MD02传感器探头，基本可以适应所有的管道检测。

（2）信号调理电路。直接加入电源后探头输出的电压信号比较小，直接采集的话误差很大，因此需要进行调理放大。另外，由于探头是差分信号输出，信号可正可负，而AD模块往往只能采集正信号，因此，需要考虑差分信号的变换问题。选用的芯片输入端可以提供4组双端差分输入，可以把地磁场传感器探头的3组差分电压输出信号接到对应的双端输入接口上，然后，通过多路数据选择器选择对应的差分信号进行采集，再经过低噪声可编程增益放大器灵活调节信号放大倍数，把微弱的传感器输出电压信号变为AD可以接受的电压信号，然后，进入△∑AD模块进行AD采集转换，再将转换数据进行数字滤波，最后通过SPI接口把采集转换结果传送给单片机。由此可见，该芯片提供了完整的高精度温度测量ADC解决方案，可在不影响性能的情况下减少器件数量，简化设计工艺，提高可靠性。

在差分输入端进行前端的RC滤波，进一步减小信号噪声。另外，把1个TMT-MD02传感器探头的X、Y、Z三个方向的地磁转换信号分别接到了3个ADS1248芯片的差分输入端口上，3个芯片都用同样的START信号来控制AD信号的开启采集，这样保证了X、Y、Z三个方向的地磁信号是完全同一个时刻采集到了，进一步提高了数据精度。

2.3 核心处理模块

核心处理模块是整个系统的控制和处理单元，主要负责响应上位机发送来的各种请求和命令，收集下位机发送过来的大量数据，并及时发送给上位机。该模块选用了C8051F120单片机，C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有64个数字I/O引脚（100脚TQFP封装）。

核心处理模块需要2个UART串口，一个用于接收GPS模块的定位信息，一个用于和上位机进行交互，2个UART就需要2个定时器来进行波特率产生，另外，采集到的数据需要1个定时器控制定时上传时间，计步器信息采集还需要1个计数器进行计数，所以总共需要2个UART串口和4个定时器/计数器；而要和3个ADS1248芯片进行SPI通信，也需要大量的IO口支持，当然C8051F120具有64个IO口已经足够，综上所述，针对核心处理模块的要求，C8051F120单片机完全可以胜任。

3 模块组装测试

3.1 实验室测试阶段

金属磁应力检测仪模块升级改造完成，必须对其进行细致完善的测试与分析，首先，在实验室环境中对各个模块的功能进行测试，测试完成后搭建环境模拟现场真实状况进行控制单元的整体测试。通过调整系统参数进行校准，最终达到了较好的测量精度。

首先，在实验室中通过计算机、串口调试助手软件、万用表等设备对硬件单元进行各个功能模块的测试，包含数据采集模块、GPS模块、现场通信模块、电源模块、核心处理模块。模块测试确定性能后在进行实验室整体系统测试，首先进行数据校准、数据标定、电压转换等，最后整体系统测试。

（1）现场通信模块。通过串口调试助手向核心处理模块发送开始采集和停止采集命令，核心处理模块根据串口助手发送的命令进行相应的回复，收到开始采集命令后便开始传送采集的数据，收到结束采集命令后结束采集并且回复结束命令。

（2）数据采集模块。根据TMT-MD02三维磁探头的工作原理设计了三个惠斯登电桥电路模拟探头采集的差分数据，ADS1248采集后经核心处理模块发送给上位机软件观察数据与万用表测的电桥数据相同。

（3）GPS模块。该模块为集成模块，用TTL转USB将GPS模块连接电脑通过测试软件测试GPS工作正常。与标准定位经纬度一致，精度小与2.5m（图1）。

图1 GPS模块测试信息与标准定位信息

（4）电源模块。测试需要用万用表与锂电池，将该模块用7V锂电池上电，用万用表测的经模块电路输出后的电压分别为5V与3.3V，电压稳定不跳变（图2）。

图2 电源模块输出电压

（5）核心处理模块。通过串口助手向核心处理模块发送开始采集命令，该模块返回采集数据，AD数据与万用表测得数据一致，GPS数据与测试软件数据一致。各项功能均能正常完成（图3）。

图3 上位机接收的数据与万用表测得AD数据

3.2 实验室系统测试

数据标定。硬件电路模块测试功能正常，再对整体系统进行测试，首先，要对三维磁探头和计步编码器等模块进行数据标定。三维磁探头存在直流偏移，当测量0°和180°时电压不对称，一致性较差，容易造成测量误差。要先进行一致性标定，将三维磁探头X、Y、Z方向分别进行0°和180°数据测量，将测量数据取平均，得到偏移量，再进行多次多地测量，对偏移量取平均得到较为精准的直流偏移。真实数据等于测量值减去偏移值。

磁探头采集的是电压信号，去除偏移后，需要将电压信号转换为对应的磁场信号，用标准磁力计与三维探头放在同一位置，将测量值进行比对，求出系数值。总体平均误差<5%达到技术指标要求（表1）。

表1 磁场测量精度

4 结语

基于金属磁记忆检测基础理论研究进行了仪器设备的研发，并在工程检测应用等方面取得了不少研究成果。但是，仍然在电源模块稳定性、仪器检测精度、核心处理模块等方面存在不少亟待解决的问题，通过金属磁记忆检测系统研究，进行设计改进，形成的主要成果如下。

（1）采用微功耗低压差线性稳压器（LDO芯片TLV1117-50CDCY），降低了电源输出误差，使电源输出误差控制在±1%以内，同时具有过流保护、过温保护、输出状态自检、延迟安全供电功能，提高了电源输出稳定。

（2）采用信号调理技术，对前端进行采集信号调理放大，后端进行AD转换、差分放大、滤波输出，增加了数据信噪比，提高了数据采集精度。

（3）选用C8051F120单片机，将原仪器工控机改进为单片机，降低了功耗、简化了操作、更适用于检测现场。