储罐底板电-磁-声复合检测仪器的研制

史明澄　王俊杰　孙令司　胡斌　沈功田　武新军

摘 要 針对储罐底板在役检测过程中遇到的难题，研制可以实现漏磁、电磁超声、导波和脉冲涡流4种检测方法的复合检测仪器。提出结合继电器和电源稳压模块的电源供电方案，解决复合仪器研制相关的硬件电路中多电平、多频率复合时所引入的串扰问题。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，需要对部分硬件参数进行调节，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，使增益、阈值、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。最后，在室内实验平台上对系统的检测性能进行了测试，结果表明：电-磁-声复合检测仪器可以实现导波、漏磁、电磁超声以及脉冲涡流检测，各检测模块工作正常。

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 TH878   文献标识码 A   文章编号 1000-3932（2023）04-0459-08

储罐在长期使用过程中，由于内外介质腐蚀等原因，会产生凹坑、裂纹、漏孔等缺陷，不仅会造成油品泄漏，严重时甚至可能会引起火灾等事故，储罐底板腐蚀是最为常见的安全隐患之一［1］，因此必须定期进行检测和维修。随着石化工业的迅速发展，企业对检测技术的要求也越来越高，研制高效检测设备势在必行。

当前应用于储罐底板检测的无损检测方法有超声、漏磁、导波、脉冲涡流等。其中，超声检测分为压电超声检测和电磁超声检测，压电超声检测需要耦合剂，对检测表面要求较高；电磁超声检测为非接触式检测，操作简单检测精度较高［2，3］，但电磁超声对于点状腐蚀不敏感；漏磁检测［4］也是非接触式检测，操作简单，适用于储罐底板的快速检测，但漏磁检测也存在对均匀腐蚀减薄不敏感的问题；超声导波检测［5，6］可快速进行较远距离检测，实现对缺陷的定位，但无法测量壁厚，不能量化缺陷。脉冲涡流检测［7］也是非接触式检测方式，对提离和温度变化不敏感，因此检测时无需清除储罐底板上的淤泥，但脉冲涡流检测的检测精度较低。

对于储罐底板检测，特别是为适应未来无需开罐的在油检测要求，单一的检测方式已经无法满足需要。考虑储罐的在油情况，进入储罐的检测仪器功能越多，一次性获取的信息也越多。为此，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、电磁超声和导波的复合检测系统［8］，笔者在上述工作的基础上，进一步开展集成漏磁、电磁超声、导波和脉冲涡流［9］4种检测方法的储罐底板电-磁-声复合检测仪器的研制。由于多种检测方法复合，不同检测方法的工作频率及电源电压有所区别，为解决硬件电路中多电平和多频率所引入的串扰问题，提出结合继电器和电源稳压模块的电源控制方案，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，从而得到两个回波的间隔时间，进而得到储罐底板的厚度［10］。由于不同材料的磁化特性不同，电磁超声的信号强弱也不同，因此，需要通过上位机对电磁超声的幅值、阈值和时延3个硬件参数进行调节，从而正确判断两个回波信号的间隔时间，基于此项要求，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，实现增益、阈值和时延参数的程控调节。

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。考虑到无需开罐的在油检测要求，信号传输方式选用光纤，上位机通过光端机和下位机通信。供电采用24 V直流供电，图1中的粗箭头代表供电线。24 V（DC）经电压转换模块变为5 V（DC），为光端机和主控模块供电，同时5 V（DC）电源还通过继电器组，在脉冲涡流检测时为脉冲涡流控制模块供电。

在选择不同检测模式时，上位机发送指令，选择继电器给相应检测模块供电使检测模块工作，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（Field Programmable Gate Array，FPGA）。

在导波检测时，FPGA发送指令控制D/A转换模块产生激励信号，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，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，基于洛伦兹力机理，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，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，最终激励出导波信号。接收过程为激励过程的逆过程，即试件内的超声导波在静态磁场中产生感应电流，感应电流产生感应磁场，接收线圈感应到周围磁场变化，又转换为电压信号。而接收到的电压信号幅值一般很小，需要经过导波信号预处理电路将信号放大一定倍数后，再通过A/D采集将信号转换为数字信号传输给下位机FPGA，下位机再将信号传给上位机进行显示分析。

在漏磁检测时，霍尔元件感应到磁场变化产生电压信号，电压信号在漏磁信号预处理电路进行预处理。由于漏磁信号的通道数较多，为了缓解硬件压力，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，再通过A/D将信号转换为数字信号传输给下位机FPGA，下位机再将信号传给上位机进行显示分析。

在电磁超声检测时，FPGA通过I/O口控制光耦开关，利用并联谐振电路产生高频激励信号，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，进而在线圈周围产生交变电磁场，在被测对象表面趋肤深度内形成感应涡流。在偏置磁场的作用下，试件表面会产生交变的应力或应变，进而产生振动并在试件中传播形成超声波。在接收时，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，产生感应电压信号，对信号放大滤波预处理，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信号，进而采用脉冲计数方法实现试件厚度测量。同时，为了避免噪声的影响，需要设置时延使电平信号保持一段时间，最终无需A/D转换，仅通过FPGA芯片I/O口即可获取回波信号声时信息。

在脉冲涡流检测时，脉冲涡流控制模块通过D/A产生脉冲涡流激励波形，经过功率放大模块在激励线圈中产生电流脉冲，此时在线圈周围产生的电磁场由两部分叠加而成：一部分是直接从线圈中耦合出的一次电磁场，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，在被接收线圈接收后，经过脉冲涡流前置放大电路，通过A/D采样采集到脉冲涡流控制模块中。

在设计时，为保证检测仪器的便携性，整个仪器采用直流24 V供电，经过电压转换模块转换为直流5 V，供给光端机、主控模块、继电器模块及各检测模块信号预处理单元；另一方面，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，因此，该设计需要考虑大功率信号和弱信号之间的干扰问题。从频率来看，漏磁检测信号小于1 kHz，导波信号200～300 kHz，电磁超声信号一般大于1 MHz，而脉冲涡流检测信号则是一个宽带信号。因此，需要对各个检测模块之间进行电磁隔离，避免检测信号相互之间的串扰。

在复合检测仪器研制时存在的一个难点是，为提高仪器复合效率，减少A/D采样所造成的硬件负担，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。在使用该方法测量厚度时需要对增益、阈值、时延等硬件参数进行调节，从而获取准确的电磁超声测厚信号。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。

2 检测仪器电磁兼容设计

在复合检测仪器研制过程中，由于各种检测模块电平与所使用频率不同，造成仪器内部电磁环境复杂。其中，通过地线形成传导的干扰问题尤为突出，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。如图2所示，图2a是正常的电磁超声测厚信号，回波信号主要包括阻塞区、多个脉冲回波和噪声，通过对回波信号进行声时计算可以得到试样的厚度；图2b是复合仪器直接复合得到的电磁超声信号，可以看到信号中混入了一个幅值较大且频率一定的噪声，致使仪器无法正常测厚。

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。在导波和电磁超声的激励模块中，为了保证高压稳定，存在许多大电容，在仪器切換检测模式时，这些电容会进行充/放电，致使FPGA芯片工作异常，强行进行检测甚至会导致电路板烧坏。

为解决上述两个问题，采用下述仪器供电方案：

a. 继电器控制模块。采用图3所示的继电器控制模块实现仪器不同检测模式的切换，FPGA通过I/O口控制无触点固态继电器组，从而实现漏磁、电磁超声、导波、脉冲涡流检测模块的工作

状态切换，避免不同检测模块之间的干扰，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。

DC隔离稳压电源模块，该电源模块的输出电压为5.3 V；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，同时为下一级芯片需要的压降提供电压余量；第3级采用噪声敏感型低压差稳压芯片，将输出电压稳定在5.0 V。经测试，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，并且转换效率较高，避免了一般降压稳压电路的发热问题。

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。在电路实现上，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，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。检测过程中，由于材料电磁特性、探头提离等因素，超声回波信号也有一定差异。为实现电磁超声测厚，需要对信号幅值、比较器阈值和锁存所需时延3个电路参数进行调节。同时，未来在进行无需开罐的在油检测时，无法对参数进行手动调节，因此，采用数字电位器的方式实现增益、阈值和时延的程控调节。

数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器（模拟电位器）的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。在此选用AD公司的数字电位器芯片AD5259，其调节位数为8位，共256级调节，采用I2C通信，可以通过控制两个地址引脚的高、低电平实现一对I2C总线控制4个数字电位器。电磁超声测厚包括4个通道，每个通道都分别有增益、阈值和时延3个参数需要调节，共需要12个数字电位器，也就是总共需要3对I2C总线。控制数字电位器实现电磁超声检测的流程如图5所示，数字电位器的3个引脚分别为A、B和W，W为滑动端，以通道1为例，电磁超声检测时，上位机发送指令到下位机，下位机通过I2C通信调节通道1增益控制的数字电位器，改变压控运放控制端的电压，进而改变信号放大倍数，通过调节通道1阈值控制的数字电位器改变阈值电压，使回波信号幅值大于阈值的信号变为高电平，小于阈值的信号变为低电平，通过调节通道1时延控制的数字电位器改变RC时延电路中电阻的阻值进而改变时延时间。

在电磁超声回波信号到达后，先经过压控运放电路将其放大到一定的幅值。当放大后的信号幅值大于阈值电平时，OUT电平由低变为高，而OUT电平受时延电路影响，高电平会持续一段时间，此时与门输出一直为高电平，latch端为高电平，比较器锁存。当时延时间结束后，OUT电平由高变为低，与门输出变为低电平，latch端变为低电平，比较器解除锁存，等待下一个大于阈值的电平信号。从而将电磁超声信号转换为数字脉冲信号，通过数字脉冲间隔即可得到声时值，最后根据声时值计算得到储罐底板厚度。

4 应用实例

根据上述设计思路，研制如图6所示的储罐底板电-磁-声复合检测仪器。用该仪器对厚度为10 mm/20 mm的碳钢阶梯板进行电磁声复合检测测试。

导波检测信号如图7a所示，阶梯处厚度变化产生的回波信号明显。电磁超声和漏磁检测信号如图7b所示，钢板阶梯厚度变化处漏磁信号明显，同时电磁超声传感器测得阶梯板两个厚度，由于探头空间布置原因，电磁超声测得的阶梯位置比漏磁滞后。图7c给出了在阶梯板10 mm和20 mm厚区域的脉冲涡流检测信号，区别明显。证实所研制的电-磁-声复合检测仪器可以实现导波、漏磁、电磁超声以及脉冲涡流检测，各检测模块工作正常。

5 结束语

在分析储罐底板检测需求的基础上，成功研制集导波、漏磁、电磁超声和脉冲涡流检测为一体的储罐底板电-磁-声复合检测仪器。首先介绍仪器整体结构与设计思路。其次，为解决各个检测模块之间的传导干扰和大电容引起的电源冲击问题，设计采用继电器控制实现检测模块工作切换，同时设计了适应复合仪器的三级电源转换与稳压模块。针对电磁超声无A/D采集的需求，设计基于I2C通信的多通道数字电位器硬件电路信号调节单元，实现通过上位机对硬件电路参数的程控调节，在实现电磁超声无A/D超声测厚的同时提高仪器使用工况的适应性。最后，在实验室开展了相关测试实验，在10 mm/20 mm厚阶梯钢板上信号明显。该复合检测仪器弥补了单一检测仪器的不足，能够满足更为复杂的检测对象和检测环境的检测需求，同时对如何解决复合系统的电磁兼容问题以及提高系统适应性具有一定的意义。

后续将围绕这一复合检测仪器，继续开展导波、漏磁、电磁超声和脉冲涡流检测信号的信息融合等方面的研究。

参 考 文 献

［1］ 李春树，柳曾典，王印培.常压储罐底板腐蚀安全评估［J］.压力容器，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，郭锴，等.电磁超声传感器工作原理与结构［J］.无损检测，2015，37（1）：96-100.

［4］ 沈功田，王宝轩，郭锴.漏磁检测技术的研究与发展现状［J］.中国特种设备安全，2017，33（9）：43-52.

［5］ 国家质量监督检验检疫总局.无损检测 超声导波检测 总则：GB/T 31211—2014［S］.北京：中国标准出版社，2014.

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［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，武新军，王宝轩，等.基于频域可变的大型钢结构钢板腐蚀电磁检测仪器的开发［J］.机械工程学报，2021，57（6）：1-9.

［9］ 武新军，黄琛，丁旭，等.钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用［J］.无损检测，2010，32（2）：127-130.

［10］ 张翱龙，吕驰，王俊杰，等.储罐底板电磁超声测厚系统研制［J］.压力容器，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