本发明属于磁致伸缩超声导波检测领域，涉及一种高温管道磁致伸缩导波监测系统。
背景技术：
高温管道在石油化工、煤化工、核电等领域应用普遍，由于长期处于高温高压工作环境，管道存在壁厚减薄、腐蚀开裂、穿孔泄露等失效风险。针对高温管道局部磨损失效问题，目前主要的预防措施是使用高温测厚仪定期对管道进行定点测厚，该方法虽然能够在一定程度上减少事故的发生，但无法从根本上克服管道壁厚减薄的突发性和偶然性特征。由于工作于设备现场的管道数量众多，壁厚检测一般采取按比例抽样的方式，很难保证危险部位的全覆盖。同时，应用于高温检测场景的超声波探头和高温耦合剂成本很高，对高温管道进行壁厚测量时需要近距离接触，工作条件差，危险性高。为了克服现有技术的不足，采用非人工接触的方式对高温管道进行实时在线监测具有重要意义。
磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应，利用磁致伸缩效应可以实现机械能和电磁能的转换。常用的磁致伸缩导波探头分为非接触式和接触式两种类型。接触式导波探头通过在管道表面粘贴高饱和磁致伸缩带的方式激励和接收超声导波。此类探头应用于管道检测时，必须对管道表面进行打磨处理，容易造成管道表面损伤，无法实现高温、带包覆层等表面难以处理管道的检测。非接触式探头利用铁磁性管道自身的磁致伸缩效应实现非接触式检测，适用于高温、带包覆层等表面难以处理的管道。非接触式探头通过对激励螺线管线圈通以交变电流产生动态磁场，动态磁场与永磁铁提供的偏置磁场共同作用，在被检测管件内部激励出导波。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提出了一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，在新建管道时或者现有管道检修期间，将发射探头和接收探头安装到高温管道待监测部位两端，发射探头和接收探头之间为有效监测范围，根据被监测管道条件的不同，监测范围为1-10米，长时间稳定工作温度150℃。整套系统设置完毕后，在设置于监测终端的便携式计算机上可以实时获得被监测管道壁厚、腐蚀和裂纹信息，不需要检测人员到现场进行壁厚检测，在提高管道系统安全性的同时，大大降低了劳动强度和操作风险。
为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：
一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，包括：设置于待监测高温管道一端的导波发射单元，用于将超声导波信号发送至所述待监测高温管道内；设置于待监测高温管道另一端的导波接收处理单元，用于接收经所述待监测高温管道内传播后的超声导波信号并进行处理，提取反映管道特征的参数。
进一步的，所述导波发射单元包括：fpga信号发射模块、数模转换模块、功率放大器和发射探头，所述fpga信号发射模块用于发射导波信号，所述数模转换模块与所述fpga信号发射模块相连，所述功率放大器与所述数模转换模块相连，所述发射探头的两端分别与所述功率放大器和所述待监测高温管道一端相连。
进一步的，所述导波接收处理单元包括：接收探头、放大电路、数据采集模块和便携式计算机，所述接收探头的两端分别与所述待监测高温管道另一端和所述放大电路相连，所述放大电路与所述数据采集模块相连，所述便携式计算机与所述数据采集模块相连。
进一步的，所述发射探头与接收探头的结构相同，所述发射探头包括：探头内套和探头外壳，所述探头内套套设于所述待监测高温管道上，且所述探头内套的内表面环设有螺旋线圈，用于与所述功率放大器相连；所述探头外壳套设于所述探头内套的外表面且与所述探头内套形成容纳腔，位于所述容纳腔内的所述探头内套上分别设有温度测量元件和用于为所述螺旋线圈提供偏置磁场的永磁铁。
进一步的，所述发射探头还包括：液晶屏，所述液晶屏通过支撑杆螺纹固定于所述探头外壳上，用于显示探头内套的监控温度。
进一步的，所述监测系统还包括：温度采集模块，所述温度采集模块分别与所述温度测量元件、液晶屏及便携式计算机相连。
进一步的，所述探头内套的材质为不锈钢，且内表面采用热喷涂方式喷涂zro2涂层，起隔热作用。
进一步的，所述探头外壳的材质为环氧树脂，且采用热浇注成型方式制造。
进一步的，所述管道特征包括：管道的壁厚、腐蚀和裂纹信息。
进一步的，所述监测系统的管道监测范围为1-10米。
本发明的有益效果至少包括：本发明的高温管道磁致伸缩导波监测系统，在新建管道时或者现有管道检修期间，将发射探头和接收探头安装到高温管道待监测部位两端，发射探头和接收探头之间为有效监测范围，根据被监测管道条件的不同，监测范围为1-10米，长时间稳定工作温度150℃。整套系统设置完毕后，在设置于监测终端的便携式计算机上可以实时获得被监测管道壁厚、腐蚀和裂纹信息，不需要检测人员到现场进行壁厚检测，在提高管道系统安全性的同时，大大降低了劳动强度和操作风险。
附图说明
图1为本发明监测系统结构框图。
图2为本发明fpga信号发射模块结构框图。
图3为本发明一个实施例的数模转换模块电路图。
图4为本发明发射探头和接收探头结构图。
图5为本发明一个实施例的温度采集模块电路图。
图6为本发明一个实施例的放大电路电路图。
图4中，1待监测高温管道，2探头内套，3定位螺钉，4探头外壳，5温度测量元件，6高温电缆，7螺旋线圈，8永磁铁，9液晶屏，10支撑杆，11内嵌块，12内嵌件。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
为至少解决上述背景技术中的技术问题，本发明采取的主要构思为：
本发明提供了一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，包括：fpga信号发射模块、数模转换模块、功率放大器、发射探头、接收探头、放大电路、数据采集模块、便携式计算机。
fpga信号发射模块负责发射需要的导波信号类型，经数模转换模块电路后将数字信号转换成模拟信号输出到功率放大器，功率放大器对模拟信号进行功率放大，之后将信号加载到发射探头上，发射探头发射超声导波信号，超声导波信号在高温钢管试件内部传播到接收探头，放大电路将接收探头的电压信号放大，数据采集模块负责接收超声波信号，便携式计算机上安装上位机数据处理软件，从接收到的超声波信号中提取反映管道特征的参数。更具体的，如下所述。
图1为本发明监测系统结构框图，如图1所示，本发明所述高温管道磁致伸缩导波监测系统，主要包括：设置于待监测高温管道一端的导波发射单元，用于将超声导波信号发送至所述待监测高温管道内；设置于待监测高温管道另一端的导波接收处理单元，用于接收经所述待监测高温管道内传播后的超声导波信号并进行处理，提取反映管道特征的参数，所述管道特征包括：管道的壁厚、腐蚀和裂纹等信息。
如图1所示，所述导波发射单元包括：fpga信号发射模块、数模转换模块、功率放大器和发射探头，所述fpga信号发射模块用于发射导波信号，所述数模转换模块与所述fpga信号发射模块相连，所述功率放大器与所述数模转换模块相连，所述发射探头的两端分别与所述功率放大器和所述待监测高温管道一端相连。
图2为本发明fpga信号发射模块结构框图，如图2所示，本发明所述fpga信号发射模块包括：fpga芯片、电源模块、dram、flash、eeprom、rtc及jtag接口。作为一种实施方式，本发明fpga芯片选用altera公司的ep4ce6e22c8；电源模块采用mp1482芯片，将5v的输入电压转换为3.3v、1.2v和1.8v的输出电压供相关芯片使用；dram采用高速ddr2芯片mt47h64m16hr-3it，flash选用w25q128芯片存储数据，eeprom采用at24lc04芯片，rtc接口电路采用实时时钟芯片pcf8563t和32.768khz有源晶振组成。
图3为本发明一个实施例的数模转换模块电路图，如图3所示，本发明所述数模转换模块的具体组成不受特别限制，只要能实现数信号的转换即可，作为本发明的一个实施例，所述数模转换模块主要由数模转换芯片u5，运算放大芯片u4、u6，电阻r5-r14，电容c6-c16，接头j3，电感l1-l6组成，其中u5的型号为ad9708，u4、u6的型号为ad8065，所述元件的连接方式见图3所示。
更具体的：所述数模转换模块主要包括数模转换芯片、7阶巴特沃斯低通滤波器电路、幅度调节电路和信号输出接口j3，其作用是在fpga信号发射模块的控制下将检测所需波形信号由数字信号转换为模拟信号输出，其中数模转换芯片选用ad公司的ad9708，ad9708是8位，125msps的da转换芯片，内置1.2v参考电压，差分电流输出。ad9708芯片差分输出以后，为了防止噪声干扰，电路中接入7阶巴特沃斯低通滤波器电路，带宽为40mhz。滤波器之后，使用了2片高性能145mhz带宽的运放ad8056，实现差分变单端，以及幅度调节等功能，使整个电路性能得到了最大限度的提升，使用10k的电位器实现幅度调节功能，最终的输出电压范围是10vpp。
fpga信号发射模块和数模转换模块之间通过端口db0-db7和clk连接，采用直接数字合成技术dds（directdigitalsynthesuzer）的原理实现波形信号发射，通过直接数字频率的合成来生成想要的频率值和频率可调节的发射信号。在fpga信号发射模块的eeprom存储器中存储一个周期波形信号的幅度值数据，利用fpga信号发射模块的锁相环pll修改时钟频率，生成检测所需频率值的发射信号。地址计数器在系统采样时钟的作用下，不断进行自加1操作生成对应于波形信号eeprom存储器的存储地址。fpga信号发射模块通过控制数模转换模块实现发射信号的d/a转换，完成数字到模拟的变化，再通过7阶巴特沃斯低通滤波器电路完成对高频噪声的抑制，最终输出±5v的发射信号。
功率放大器将数模转换模块的输出电压信号进行功率放大，本实施例使用西安安泰电子科技有限公司生产的ata-4014型高压功率放大器，最大输出电压160vp-p(±80v)，最大输出电流4arms，带宽（-3db）dc~1mhz。
图4为本发明发射探头和接收探头结构图，所述发射探头与接收探头的结构相同，其中，1为待监测高温管道，2为探头内套，材质为不锈钢，内表面采用热喷涂方式喷涂zro2涂层，起隔热作用，涂层厚度0.5mm。3为定位螺钉，材质为不锈钢。4为探头外壳，材质为环氧树脂，能够在150℃的高温环境中长期稳定工作，采用热浇注成型方式制造，使用定位螺钉3将探头内套2和探头外壳4固定连接。5为温度测量元件，优选为k型热电偶，与探头内套2的外表面接触，安装在探头内套2的定位孔内，用于测量探头内套2的温度。6为高温电缆，采用多股软铜导体和聚四氟乙烯绝缘外套制成。7为螺旋线圈，采用漆包线制成，将7紧密缠绕在探头内套2的内表面，漆包线的两端分别采用高温电缆6与功率放大器或者放大电路相连接。8为永磁铁，材质为汝铁硼，安装于探头内套2的定位槽内，用于为螺旋线圈7提供偏置磁场。9为液晶屏，用于显示探头内套2外表面的监控温度。10为支撑杆，材质为不锈钢，用于支撑液晶屏9。11为内嵌块，在探头外壳4浇铸成形时直接嵌入，内嵌块11的内表面加工有螺纹，与支撑杆10之间通过螺纹连接。12为内嵌件，安装于探头外壳4的两端，在探头外壳4浇注成型的时候嵌入其内部，内嵌件内表面加工有内螺纹，在安装的时候与定位螺钉3拧在一起，用于定位，内嵌件的数量根据需要设计，每端4-8个。
如图1所示，所述导波接收处理单元包括：接收探头、放大电路、数据采集模块和便携式计算机，所述接收探头的两端分别与所述待监测高温管道另一端和所述放大电路相连，所述放大电路与所述数据采集模块相连，所述便携式计算机与所述数据采集模块相连。
图5为本发明一个实施例的温度采集模块电路图，如图5所示，与图4中的热电偶5和液晶屏9配合使用。具体的：所述温度采集模块电路主要由控制芯片u2，模数转换芯片u1，通讯控制芯片u3，电阻r1-r4，电容c1-c5，晶振y1，接头j1-j2组成，其中u1的型号为max667，u2的型号为at89c2051，u3的型号为max487；u2通过端口db10-db17与液晶屏9相连接，接头j1与图4中的热电偶5相连接，将热电偶检测的温度信号进行采集后发送至液晶屏进行显示，此外，接头j2与便携式计算机连接，可以用于上传温度测量结果。可以理解的是，本发明所述温度采集模块的具体种类不受特别限制，只要能实现温度采集即可。
图6为本发明一个实施例的放大电路电路图，如图6所示，该放大电路只要能够将接收探头的电压信号放大即可，其具体组成不受特别限制，在该实施例中，其主要由放大芯片u7、u8、u9，电阻r15-r23，电容c17-c20，接头j4-j5组成，其中u7的型号为lf356n，u8的型号为opa602bp，u9的型号为lf356n。接头j4与接收探头的螺旋线圈7相连接，接头j5与数据采集模块相连接。
综上所述，本发明的高温管道磁致伸缩导波监测系统，在新建管道时或者现有管道检修期间，将发射探头和接收探头安装到高温管道待监测部位两端，发射探头和接收探头之间为有效监测范围，根据被监测管道条件的不同，监测范围为1-10米，长时间稳定工作温度150℃。整套系统设置完毕后，在设置于监测终端的便携式计算机上可以实时获得被监测管道壁厚、腐蚀和裂纹信息，不需要检测人员到现场进行壁厚检测，在提高管道系统安全性的同时，大大降低了劳动强度和操作风险。
本发明的上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施的方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以实举。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
1.一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，包括：
设置于待监测高温管道一端的导波发射单元，用于将超声导波信号发送至所述待监测高温管道内；
设置于待监测高温管道另一端的导波接收处理单元，用于接收经所述待监测高温管道内传播后的超声导波信号并进行处理，提取反映管道特征的参数。
2.根据权利要求1所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述导波发射单元包括：fpga信号发射模块、数模转换模块、功率放大器和发射探头，所述fpga信号发射模块用于发射导波信号，所述数模转换模块与所述fpga信号发射模块相连，所述功率放大器与所述数模转换模块相连，所述发射探头的两端分别与所述功率放大器和所述待监测高温管道一端相连。
3.根据权利要求2所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述导波接收处理单元包括：接收探头、放大电路、数据采集模块和便携式计算机，所述接收探头的两端分别与所述待监测高温管道另一端和所述放大电路相连，所述放大电路与所述数据采集模块相连，所述便携式计算机与所述数据采集模块相连。
4.根据权利要求3所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述发射探头与接收探头的结构相同，所述发射探头包括：探头内套和探头外壳，所述探头内套套设于所述待监测高温管道上，且所述探头内套的内表面环设有螺旋线圈，用于与所述功率放大器相连；所述探头外壳套设于所述探头内套的外表面且与所述探头内套形成容纳腔，位于所述容纳腔内的所述探头内套上分别设有温度测量元件和用于为所述螺旋线圈提供偏置磁场的永磁铁。
5.根据权利要求4所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述发射探头还包括：液晶屏，所述液晶屏通过支撑杆螺纹固定于所述探头外壳上，用于显示探头内套的监控温度。
6.根据权利要求5所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括：温度采集模块，所述温度采集模块分别与所述温度测量元件、液晶屏及便携式计算机相连。
7.根据权利要求4所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述探头内套的材质为不锈钢，且内表面采用热喷涂方式喷涂zro2涂层，起隔热作用。
8.根据权利要求4所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述探头外壳的材质为环氧树脂，且采用热浇注成型方式制造。
9.根据权利要求1所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述管道特征包括：管道的壁厚、腐蚀和裂纹信息。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种高温管道磁致伸缩导波监测系统，其特征在于，所述监测系统的管道监测范围为1-10米。
技术总结