一种油管缺陷无损检测系统的实现

摘 要:针对油管腐蚀、磨损穿孔、破裂甚至断裂等诸多问题,设计一个油管缺陷无损检测系统。利用一种新型的油管缺陷磁性检测传感器采集缺陷信号,信号经运算放大、A/D转换后上传至PC,使用C++ Builder 6.0软件制作了一个上位机界面,可以实时显示油管的各种缺陷。整个系统分为三个部分,即信号采集、信号处理和实时显示,为了提高与PC的通讯速度以达到实时显示的精确性,利用USB接口芯片CH375将信号处理部分设计成一个USB设备,实现了与PC机的USB通讯。系统主控芯片采用增强型51单片机STC12C5404AD。经现场应用证明,采用该系统可以快速准确地检测出油管的各种缺陷,而且操作简单。

关键词:磁性传感器;A/D转换;C++ Builder 6.0;USB接口芯片;51单片机

中图分类号:TP29文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)01-123-03

Implement of Non-destructive Testing System for Oil-well Tubing Defects

MAO Hongtao,WANG Hali

(College of Electricity and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin,150040,China)

Abstract:The non-destructive flaw detection system for oil well tubing is designed to solve a lot of problems in oil well tubing as corrosion,wear and tear perforation,rupture or even fracture,etc.And the new magnetic detector for inspection of defects in oil well tubing is used to acquire signals,and then the signals are magnified and transferred to PC after A/D conversion.Software C++ Builder6.0 is used to produce a host computer interface and a variety of oil well tubing defects can be displayed in real-time.The whole system is divided into three parts,namely,signal acquisition,signal processing and real-time display.In order to increase the speed of communication with the PC and to obtain accurate real-time display,a USB interface chip CH375 is used to make the signal processing part as a USB device,in this way communications with PC is built up through Universal Serial Bus.An enhanced 51 single-chip STC12C5404AD is used as a system microcontroller.Proved by the practical application on site,this system can detect various defects in the oil well tubing quickly and accurately,and it is easy to operate.

Keywords:magnetic detector;A/D conversion;C++ Builder 6.0;USB interface chip;51single -chip processor

油管长期在恶劣的环境服役,很容易发生断裂或泄露等事故,而油管的现场无损检测对于防止此类事故的发生具有重要的意义[1]。可将此系统的磁性检测传感器安装于井口,在提升或下放油管作业的同时就可实现油管缺陷的现场检测。

1 设计方案

系统总的原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

在系统中单片机通过放大电路将采集到的信号进行处理,并通过USB芯片上传至上位机,在PC机上实时显示。

2 缺陷信号的采集

对于管杆类构件的电磁检测,一般是在电磁检测传感器中采用磁敏元件来提取局部缺陷、壁厚减薄缺陷或者金属截面积损失型缺陷引起的磁场参量的变化,获得有关被检测对象的各种缺陷信息。图2所示的传感器可以实现油管局部缺陷和壁厚减薄缺陷的现场综合检测。此传感器的设计考虑到了油管现场检测工况的特殊性,而且与国内外现有的管杆类构件缺陷的电磁检测传感器相比该传感器具有三大技术特点[1]:

(1) 在此传感器的同一截面上布置M个分别包含稀土永久励磁回路的探头单元对油管轴向励磁,既保证油管均匀磁化又尽可能地增加了油管中的磁通量,达到对油管检测的近饱和或饱和磁化要求。

(2) 此传感器采用一个周向覆盖范围相互重叠的聚磁组件阵列同时感应腐蚀坑、孔等局部缺陷产生的漏磁场和壁厚减薄缺陷引起的探头单元两磁极之间的漏磁通量变化,实现局部缺陷和壁厚减薄缺陷的综合检测,简化了传感器结构,提高了检测效率。

(3) 采用基于柔性环节的随动定心技术,使得每个探头单元可以在油管径向灵活移动、自动张合,传感器相对于井口装置灵活游动,克服或减少油管的形状弯曲、晃动或不对中等情况可能对检测仪产生的干扰。

图2 油管缺陷磁性检测传感器

3 缺陷信号的处理

3.1 信号的放大

磁性检测传感器采集的信号由TLC2264芯片放大,它是德州仪器公司生产的四路运算放大器,在单电源或分裂电源的应用中具有满电源幅度输出的性能以满足较大动态范围的要求,可在电池供电应用时消耗较低的电源电流而仍然具有足够好的交流性能。TLC2264极适合压电传感器之类高阻抗的小信号源条件,能提供较大的输出动态范围,低噪声电压和低输入偏置电压。运算放大电路如图3所示[2]。

图3 信号的运算放大电路

信号输入1~4分别来自磁性检测传感器的霍尔元件,也可以再增加信号输入的个数,这样可以增大采样的精度[3];信号经两级运算放大后输出到单片机的A/D口,放大倍数为20,这4路输入作为油管局部缺陷的检测信号;图示还有1路经霍尔元件采集的信号直接传到单片机的另一个A/D口,作为油管壁厚减薄的检测信号[4]。

3.2 信号的A/D转换

采用51单片机STC12C5404AD作为整个系统的主控芯片,它具有高速、高可靠、宽电压、低功耗、超强抗干扰、价格便宜、无法解密的优点,而且还可以实现在系统可编程(ISP),方便使用。

STC12C5404AD由于集成了片内A/D所以使得整个电路的结构进一步简化,它的A/D转换口在P1口(P1.7~P1.0),有8路10位高速A/D转换器,速度可达到100 kHz。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口,用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换,不需要做A/D转换使用的可继续作为I/O口使用。需要作为A/D使用的口要先将其设置为开漏模式或高阻输入,通过设置两个特殊功能寄存器P1M0,P1M1中相应的位来实现[5]。

3.3 信号的上传

A/D转换后的信号经USB总线上传至PC。USB接口芯片采用南京沁恒公司的CH375,它是一个USB总线的通用接口芯片,支持HOST主机方式和SLAVE/DEVICE设备方式。

3.3.1 CH375的功能特点及内部结构

在本地端,CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU等控制器的系统总线上。CH375元器件简单,只需要一个晶振和两个电容,同时可支持动态切换主机和设备方式。它内置有控制传输的协议处理器,可简化常用的控制传输,其内置固件可处理海量存储设备的专用通讯协议。此外,CH375还支持5 V和3.3 V电源电压,并支持低功耗模式。

CH375芯片内具有7个物理端点,同时内部集成有PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等[6]。

3.3.2 单片机与CH375的连接电路

单片机控制CH375的电路连接示意图如图4所示。

图4 CH375与单片机的连接电路

将CH375的8位数据总线连接到单片机的P2口,在对CH375进行操作时,将其设置成内置固件模式,在这种模式下CH375自身完成设备枚举,这个过程不需要单片机干预,但必须在计算机上安装CH375的驱动程序。完成CH375的配置之后,在其ACT引脚(图中未画出)就会输出一个低电平,如果在这个引脚接一个发光二极管,将电路板通过USB数据线与计算机相连时,发光二极管会点亮,同时在计算机右下角的任务栏会弹出一个“发现新硬件”的提示。

3.3.3 单片机通过CH375上传数据的步骤

单片机将采集到的信号经A/D转换后暂存在数据缓冲区,执行WRUSBDATA命令向CH375写入要发送的数据;CH375被动地等待主机在需要时取走数据;主机取走数据后CH375首先锁定当前USB缓冲区,防止重复发送数据,然后将INT引脚设置为低电平,向单片机请求中断;单片机进入中断服务程序,首先执行GETSTATUS命令获取中断状态,该命令完成后将INT引脚恢复为高电平,取消中断请求;由于通过GETSTATUS命令获取的中断状态是“上传成功”,所以单片机执行WRUSBDATA命令向CH375写入另一组要发送的数据,如果没有后续数据要发送,那么单片机不必执行WRUSBDATA命令;然后单片机执行UNLOCKUSB命令;CH375在UNLOCKUSB命令完成后释放当前缓冲区,从而可以继续USB通讯;接着单片机退出中断服务程序,完成一次数据上传[6,7]。

4 油管缺陷的实时显示

使用Borland C++Builder 6.0来设计上位机软件,以作为油管缺陷的实时显示界面。

4.1 Borland C++Builder 6.0简介

Borland C++Builder 6.0是一款快速应用程序开发(Rapid Application Development,RAD)工具,它的编程语言是C++,这种语言是面向对象的结构化语言,是高效率的高级编程语言之一,执行速度仅次于汇编语言,但其种种优点又是汇编语言无法达到的。实际上,C++ Builder 6.0是最先进的组件技术和面向对象的高效语言C++融合的产物,由于Microsoft Windows是运用C/C++语言开发的,这使得C++ Builder 6.0可以完美地嵌入到Windows操作系统中,与Windows系统的兼容性非常好[8]。C++Builder 6.0具有功能强大的可视化集成开发环境(IDE),使程序员从繁重的代码编写中解放出来,使他们将注意力集中在算法设计和程序设计上,而不是浪费在琐碎而重复的工作中,大大减少程序的开发周期,降低投资成本。C++Builder 6.0自己开发了一种成熟的数据库链接技术――BDE数据库引擎,此外,还支持Microsoft的ADO数据库连接技术。这使得C++Builder 6.0具有强大的数据库处理功能,使程序员可以非常容易地开发出功能强大的数据库应用程序。

4.2油管缺陷实时检测系统界面

采用C++Builder 6.0设计的油管缺陷实时检测系统界面如图5所示[9]

图5 油管缺陷实时检测系统界面

图5中共有4路油管局部缺陷信号CH0~CH3和1路壁厚减薄信号BH(图中未示全),每一路可以独立显示也可以5路综合显示。

4.3 油管缺陷实时检测系统测试效果

由于南京沁恒公司本身提供CH375DLL动态链接库文件,只需要将其添加到Project中即可实现PC与下位机设备的通讯。但由于C++Builder 6.0无法直接调用,此时还必须完成以下工作:首先要用coff2omf文件在DOS下将其转换成ST格式的lib文件[10];再次在程序中加载该lib的头文件(.h);最后要在程序中载入该文件:View Project Manager 右键 Add 上该ST格式的lib文件即可编译,否则仍会出现Link Error错误。使用本系统对现场油管的检测所显示的波形图如图6所示,油管正常时信号的波形平缓,当有缺陷时波形的变化就会较大,这样就可以很快地将有缺陷的油管挑选出来。

图6 油管检测时的波形图

5 结 语

本文针对油管缺陷设计了一个无损检测系统。整个系统分为三个部分,包括缺陷信号的采集、信号的处理以及缺陷的实时显示。本文详细介绍了系统各个部分的构成及其原理以及系统的通讯过程。整个系统成本低廉、操作简单,经现场多次测试应用证明该系统可靠性高,快速准确,是用于检测油管缺陷的一套较好的设备。

参考文献

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