（检测技术与自动化装置专业论文）油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究.pdf

油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 摘要 管道缺陷内检测是在役油气管道缺陷检测的重要手段之一，对保障管道安全 运行发挥着重要的作用。漏磁检测技术是长距离油气输送管道进行在线检测的主 要方法，随着检测数据分辨率、精度和检测总旱程的提高，现有的检测设备在数 据存储速度和存储容量两方面己无法满足海量检测数据的要求，因此研究适合的 数据压缩算法并设计高速的数据采集与存储系统成为设备研制的关键。 f p g a ( f i e l d p r o 酉锄m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列) 具有高速、高集成 度和在线可编程等优点，在设计过程中具有极大的灵活性和可靠性，本文中采用 x i l i n x 公司的s p a r t a ni i 系列x s 2 s1 0 0 p q 2 0 8 。d s p ( d i 西t a ls i 呈皿a lp r o c e s s i n g 数字信号处理器) 是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理算法而设计的、 具有特殊结构的微处理器，本文中采用的是1 i 公司的t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 。 为了提高系统的性能，本文在数据采集和数据压缩方面进行了研究和改进。 整个系统分为两个部分：多通道高速数据采集单元和缺陷漏磁数据压缩单元。多 通道高速数据采集单元是以f p g a 为核心，产生控制高速模拟开关和a d 的时序 来完成对多通道信号的采集，并将采集到的数据送到缺陷漏磁数据压缩单元中。 缺陷漏磁数据压缩单元以d s p 为核心，对实际采集到的数据采用一阶嵌入式零树 编码进行压缩，该算法可以在d s p 上实现，它能够对送到d s p 中的数据进行实 时快速的处理，并且可以根据要求随时结束编码。 经过大量的实验得出，整个数据采集和压缩的过程能够满足时间的要求，压 缩后的数据能够很好地解压缩，并且能够替代原始数据进行存储，满足了设计的 要求。 关键词：数据采集；f p g a ；实时数据压缩；嵌入式零树编码；d s p ； 本论文受国家“十五8 6 3 项目( n o 。2 0 0 6 a a 0 9 2 3 2 4 ) 资助。 ar e s e a r c ho np i p e l i n em f ld a i a s a m p l 烈ga n dc o m p r e s s i o n a l g o r i t h m a b s t r a c t w i n it ：_ l ee i l l l a n c e m e l l to fo i l 锄dg a st r - 姐s p o r ts t a t u si nac o u l l 衄se c o n o m y ， m o r ea t t e n t i o nh a sb e e i lp a i do ns a f em n i l i n go fp i p e l i n e s m f li n s p e c t i o nt e c h n o l o g y i sm em a i nm e t h o do fo n l i n ei n s p e c t i n gl o n gd i s t a i l c eo i l g a st i 肌s p o r t a t i o np i p e l i n e b e c a u s eo ft 1 1 ei n c f e a s i n go fm ei l l s p e c t i o nr e s o l u t i o n ，d a t ap 赋i s i o na n dd e t e c t i o n d i s t a i l c e ， e x i s t i n gd e v i c e sc a n n o ts a t i s 母t h ed e m a i l do fa i le i l o m l o l l s 锄o u n to fm f l i i a t ai i lm ec a p a b i l i t yo fd a t as t o r a g es p e e da 1 1 dc a p a c i t y r e s e a r c h i n go nt h c a l g o r i t h m ss u i t e df o rm f ld a t ac o m p r c s s i o na 1 1 dd e s i g n i n gh i 班s p e e dm f l d a t a a c q u i s i t i o n 肌dc o m p r e s s i o ns t o r a g cs y s t e n l sh a v eb e c i d m em ek e yo fd e v e l o p i n gm e n e w g e n e r a t i o n0 fm f li n s p e c t i o nd e v i c e s f p g a ( f i e l d - p r o 孕锄m a b l eg a t ea 仃a y ) i sc h a r a c t 嘶z e db yh i 曲s p e e d ，h i 曲 i n t 9 伊a t i o nl e v e la n dp r o 聊a b l eo nl i n ec t c ，a n dh a sv e 巧h i 曲f l e x i b i l 毋a i l d s t a b i l i 够t l l i s t l l 商su s 伪t t l es p a n a i li i a r r a yx s 2 s 1o o p q 2 0 8 舶m l i n x c o 印o r a t i o n d s p ( d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n 曲i sam i c r o p r o c e s s o r 谢t 1 1s p e c i a ls 仃u c t u r c p r o v i d i n g r e a lt i m ea i l d 缸tr e a l i z a t i o no fv 碰o l l sd i 西t a ls i 印a lp r o c e s s i n ga l g o r i m m s t l l i sm e s i sa d o p t st h et m s 3 2 0 c 5 5 0 9 舶mt ic o 叩o r a t i o n h lo r d e rt 0e n h a i l c es y s t e mp 柏n i l a n c e ，t h i st h e s i sc o n d u c t ss o m er e s e a r c ho n d a t as 锄p l i n ga n dc o m p r e s s i o i lt 1 1 ed e s i 踟i sd i v i d e di n t o 觚op a n s ：1 1 i 曲s p e e d m u l t i c h a n n e ld a t ac o l l e c t i o n 锄dd a t ac o m p r e s s i o n a st h ec o r eo ft h eh i g l ls p e e d m u l t i - c h a n n e ld a t ac o l l e c t i o nu i l i t ，f p g ap r o 讥d e st i m eo r d e ft 0c 0 n t r o lh i g l ls p e c d 锄a l o g u em u l t i p l e x e r sa i l da dt os 锄p l et h em u l t id a t aw r h i c hw i l lb e 仃a n s m i t t e dt o d a t ac o m p r e s s i o nu i l i t a st h ek e n l e lo fd a t ac o m p r e s s i o nu n i t ，d s pc o i n p r e s s c st h e r e a l - t i m ed a t au s i l l go n eo r d e re l n l ) e d d e dz 啪一t r e ec o d i n g t h i sa l g o r i t h mc a i lp r o c e s s m e s ed a t ar a p i d l ma n db e 叠e a l i z e do nd s pw 嫡c hc a nb es t o p p e da ta 1 1 ym o m 姐t i i l t h r o u 曲l o t so fe x p 嘶m e n t s ，m ep r o c e s so fd a t ac o l l e c t i o na n dc o m p r e s s i o nc a n s a t i s 矽m et i m er e q u i r e m e n ta i l dd e c o m p r e s s e dd a t ac 锄r 印l a c em er a wd a t af o r s t o r a g e k e yw o r d s ：d a t a a c q u i s i t i o n ；f p g a ；r e a l - t i m ed a t ac o m p r e s s i o n ；e 1 1 l b e d d e d z e r o 一讯圮c o d i n g ；d s p ； t i l i st h e s i si ss u p p o r t e db y “8 6 3 o ft h eh i 曲1 i e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o 黟锄o fc h i n a ( n o 2 0 0 6a a 0 9 2 3 2 4 ) 青岛科技大学研究生学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 国内外油气管道运输发展现状 随着世界经济的发展，能源的消耗不断增加。石油和天然气作为重要的能源 与化工原料，对国民生活、工农业生产与国防举足轻重。石油与天然气的存储与 运输是促成石油与天然气开发与应用的重要环节。 与其他运输方式相比，油气管道运输有以下优点：1 ) 运输量大、转运换装环 节少、连续运输，且易于实现自动化管理。2 ) 占用的土地少。运输系统的建设实 践证明，运输管道埋藏于地下的部分占管道总长度的9 5 。3 ) 管道运输建设周期 短、费用低。4 ) 管道运输安全可靠、连续性强。5 ) 管道运输耗能少、成本低、效 益好。理论和实践已经证明，管道口径越大，运输距离越远，运输量越大，成本 越低【1 1 。 油气管道输送在世界上已有数百年的历史，但大规模的发展还是在二战结束 以后。据不完全统计，世界干线管道总长度约2 0 0 万公里，其中天然气管道为 1 1 3 8 7 1 0 4 k m ，占总长的5 7 ，液体管道为7 5 9 4 8 万公里，占总长的3 8 ，其 它管道为1 0 1 7 万公里，占总长的5 。从1 9 4 8 年到1 9 9 8 年的5 1 年间，全世界 共建输油管道8 0 2 l 1 0 4 k m ，输气管道1 2 0 4 9 万公里。由此可以略见世界管道发 展的速度与规模1 2 】。 我国石油天然气管道工业的发展是随着我国石油工业的创建而发展起来的， 从总体来看，还处于发展和起步阶段，到1 9 9 6 年底，我国已建成长输油气管道 3 9 5 条，总长度1 7 2 3 1 3 7 1 0 4 k m 。初步形成了东北、华北、中原、华东和西北广 大地区的地下管道运输网络。到2 0 1 0 年，我国油气输送管线总长度将达到 4 1 0 4 k m 油气输送管道的发展大大缓解了铁路运输的紧张局面，为国民经济的发 展做出了突出贡献。但由于我国管道业起步相对较晚，发展速度缓慢，管道覆盖 面、服务范围、技术装备和运量都与世界水平存在差距。截止到9 5 年，我国的 管道长度仅占世界管道总长度的1 1 2 0 ，是美国的1 6 5 ，前苏联的l l o 。我国的 原油管输量不足6 0 ，而世界上许多国家9 0 以上的油气是通过管道输送。以上 分析表明，随着我国油气田的开发、开采及先进油气管输技术的应用，我国的油 气管道必将迎来更高速发展【3 j 。 油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 1 2 油气管道运输安全问题及应对措施 管道被认为是传输能量最为安全经济的方法。然而，随着管道的大量敷设和 长期运行，像其它工程设备一样，泄漏、爆炸等事故频频发生。近年来，许多管 道发生事故引起世人关注。如：1 9 3 3 年委内瑞拉一条气管道发生泄漏，气体爆炸， 烧死5 1 人；1 9 9 4 年美国新泽西州的一条管道泄漏，造成火灾，致使1 人死亡， 5 1 人受伤。近年来，还有其他一些国家如俄罗斯、巴基斯坦、加拿大和英国等国 家发生管道事故的报道【4 】。我国的管道也曾不同程度的发生各种事故，据不完全 统计，截止1 9 9 0 年，我国输油管道在近2 0 年的时间里，共发生大小事故6 2 8 次。 四川石油管理局南干线在1 9 7 1 1 9 9 0 年的2 0 年内，发生事故1 0 8 起，每次事故 停输处理时间超过2 4 h ，经济损失达l 亿元。油气管道发生事故后果严重，轻则 导致严重的环境污染，重则给人民财产造成严重损失【5 1 。 事 故 概 率 2 0 4 06 0 8 0 图1 1 “浴盆”事故曲线 f i g 1 - l “t u b ”a c c i d e l l tc u e 大量的管道事故统计表明，工程设计遵循的“浴盆 型事故概率曲线同样适 用于管道运输工业，如图1 1 所示。在管道的整个运行年限内，都可能有事故发 生，事故的概率可分为三个阶段：初生期，稳定期，衰老期。在初生期和衰老期 的事故概率较高，而稳定期的概率较低。这是因为，初生期管道在材质、防腐层、 焊口等方面存在着未被检查发现的缺陷或由于铺管作业中造成的管体损伤，以及 由于管道周围的环境仍未达到稳定，另外，第三方破坏及操作失误也是重要的原 因，因而失效率较高。但随着时间的沿续，失效率逐渐降低。在稳定期，由于管 道周围环境趋于稳定，在初期造成事故的管道本身的一些缺陷也通过维修得到了 弥补，事故率比初生期显著降低，管道处于平稳运行期，因此，这一时期影响管 道事故率的主要因素是第三方破坏或操作失误等。在管道的衰老期，由于腐蚀、 2 青岛科技大学研究生学位论文 磨损，管道趋于老化，事故率逐渐上升【6 。8 】。 但是，从图中也可以看出，如果能对管道实施检测，对一些严重缺陷进行及 时维修就可以大量避免事故发生，也能大大延长管道寿命。每条管线，由于设计 水平、施工质量、介质腐蚀性、维护条件以及安全管理水平的差异，各自的浴盆 曲线也有所不同，但总的规律是相同的。由此可见，管道检测是保证管道安全运 行的基本方法。只有通过检测了解管道状况，才能及早采取有力措施，避免管道 事故的发生。管道检测不仅对保证管道安全是十分重要的，而且从长远观点来看， 其经济效益也是可观的。这一点可以从管道维护费用体现出来【9 】。根据管道维护 的策略不同，可以分为主动维护和被动维护。前者是指用智能检测器对管道实施 检测，在全面掌握管道状况的基础上，由专家全面考虑各方面因素对检测结果进 行综合评判，确定管道维修计划和方案，最后由管道业主依此方案对管道进行维 修，而被动维护是指当管道因腐蚀等原因发生泄漏事故之后，不得不进行的抢修。 表1 1 三种管道安全策略成本比较 7 i a b l el lt h e c o m p a r i s o no ft h r e ep i p e u n es a f e t ys t r a t e g yc o s t 采取的措施 投资成本( $ l 【m ) 更换管道1 ，0 0 0 ，0 0 0 被动维护 5 0 0 ，0 0 0 主动维护 1 2 ，6 0 0 国外有关资料介绍了更换一条管道、被动维护和主动维护三种不同的安全策 略的投资情况，见表l 一1 ，从中可以看出主动维护的重要性。 周期性管道检测和用于专家评估的投资可以从减少管道事故损失中得以补 偿。图l _ 2 给出了进行管道检测与不进行检测时管道维护经济效益比较情况，可 以看出，管道检测带来的巨大的经济效益。国外管道运输发达国家在保证管道安 全方面积累了丰富的经验，我们可以借鉴其成功经验并结合我国管道工业的实际 情况，制定保证管道安全的科学规划和措施，确保这些措施的有效贯彻实施【i o 】。 图1 2 管道检测经济效益比较 f i g 1 2p i p e l i n eh l s p e c t i o ne c o n o m i cc o m p a r i s o n 3 油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 由于管道所处的环境、建设质量、输送介质、安全维护等方面情况都不尽相 同，世界上任何国家都不可能简单的制定单一的适合所有管道的管道检测标准， 以及对管道腐蚀监测要求提出精确的量化指标。1 9 9 1 年，美国政府规定对环境敏 感和人口密集区的管道，要求管道的经营者运用智能检测器对其进行在线检测。 加拿大埃尔伯塔省规定每年进行一次外防腐情况监测，定期进行内腐蚀监测，检 测结果至少保留6 年。英国天然气公司对管道进行内检测的周期为2 1 0 年。并 规定所有管道都要进行基线检测，即对新建管道实施的检测。基线检测是新建管 道验收和未来维护的基础i l 。 我国政府对管道安全历来比较重视，1 9 9 0 年、1 9 9 4 年、1 9 9 5 年及1 9 9 6 年制 定了一系列的行业或企业标准。其中，1 9 9 6 年8 月颁布的s y 6 1 8 6 1 9 9 6 “石油天 然气管道安全规程”于1 9 9 7 年3 月1 日开始实施，这是目前为止我国制定的最 新的有关管道安全的法规。其中规定要对管道进行定期检测，要求外部检查每年 至少一次，全面检查每5 年进行一次。 1 3 管道漏磁检测装置研究发展现状 目前，用于管道检测的设备实验样机及商业化产品的种类和数量不断增加， 在1 9 6 5 年美国研制出世界上第一台漏磁型管道检测器，之后由于漏磁检测技术 带来的巨大的经济、社会和环境效益，一些发达国家先后投入巨资，开展这方面 的研究和设备的研制。 而我国在管道漏磁检测设备的应用及研制方面起步晚。1 9 9 6 年起我国才有引 进设备进行管道检测的报道【l2 1 ，但在1 9 9 8 年，中国石油天然气管道局管道技术 公司就研制成功了3 7 7 m m 管道漏磁检测装置，并于当年进行了工业现场实验。 由于该装置设计时考虑到了中国管道建设的不规范性，它的通过能力更能适应国 内的复杂的管道环境。这是可见报道的国产漏磁管道检测装置第一次进行成功的 工业现场实验( 13 ，1 4 】。这些成就标志着我国的管道漏磁检测技术在短时间内就得到 了快速的发展，中国拥有了具有自主知识产权的管道漏磁检测技术。 随着材料科学和电子技术、计算机技术的飞速发展，现在的油气管道漏磁在 线缺陷检测装置已从第一代的普通型检测器和第二代的高分辨率检测器，发展为 第三代的超高分辨率检测器，检测能力有了大幅度的提高，三代检测装置的参数 比较见表1 _ 2 。同前两代产品相比，超高分辨率检测器具有更高的检测分辨率和 更高的检测精度，而且还具有更长的检测距离，因此可以得到更加完备的漏磁信 息。在机械结构和检测原理基本没有改变的情况下，三代检测装置之间检测性能 4 青岛科技大学研究生学位论文 差距的主要原因在于数据采集系统的差异，其中传感器面积的大小和采样距离决 定了检测分辨率，模数转换的精度决定了检测数据的精度。 表1 2 三代检测装置的参数的比较 1 1 a b 1 - 2c o m p a r i s o no np a r a m e t e r so ft h r e el e v e l si n s p e c t i o nd e v i c e 仪器类型传感器宽度 数据精度测量准确度 标准 ，1 英寸以上8 位以上测量2 0 的壁厚损失时1 5 2 0 高分辨率0 5 - o 7 英寸 1 2 位以上测量l o 壁厚损失时1 0 1 5 超高分辨率o 1 5 o 3 英寸1 2 以上 小于l o 壁厚损欠时5 1 0 目前中国自己研制生产的管道漏磁检测装置多为第一代和第二代的检测器， 无论是检测分辨率、检测精度还是检测总里程都和国外最新研制的第三代超高分 辨率检测器有一定差距。如中国石油天然气管道局管道技术公司近期研制的一款 矽6 6 0 n 瑚的高分辨率检测装置，有2 0 0 个传感器，采样距离为3 5 眦，数据采集 率为9 0 k b s ，每百公里的检测数据量为8 5 2 g b 。而美国b 甜e 1 1 e 公司网站9 8 年的 材料显示，该公司生产的一款同类产品，可以携带3 0 0 个传感器，最大检测距离 8 0 0 公里，采样距离为2 m m ，一次检测的采集数据量可达1 2 0 g b 。在现代的大管 径超高分辨率管道检测装置中，传感器数量已过千，采样距离也在逐渐减小，这 样，无论是单位时间内的数据采集率，还是采集数据的总量，都是很庞大的。据 美国g e 公司网站的宣传资料，该公司生产的大管径检测装置检测一次可以采集 到的数据量已经超过了5 0 0 g b 。 第三代超高分辨率管道漏磁检测装置的研制在国内现在正在开展。其关键技 术包括传感器的小型化、集成化设计以及高速数据采集与存储系统的设计。超高 分辨率漏磁检测产生的海量检测数据对数据采集与存储系统的存储速度及存储 容量提出了极高的要求。为完成如此大流量数据的实时存储，更好地利用宝贵的 存储空间，除改进现有的数据采集系统外，必须采取适当的实时数据压缩方法。 因此研究适合的数据压缩算法并设计高速的数据采集与存储系统成为设备研制 的关键。 我国的漏磁检测技术的研究开展比较晚，在研究的深度、广度以及应用等领 域相比较于欧美、日本等发达工业国家还有较大的差距，主要的研究工作从七十 年代后期才开始。杨洗陈系统地介绍了国外漏磁场与缺陷相互作用理论的研究进 展状况；张济世采用有限元方法计算了方钢表面裂纹的漏磁场；于轮元等采用有 限元方法对表面和近表面缺陷的漏磁场进行了计算，分析了缺陷形状参数对漏磁 场的影响作用；仲维畅采用偶极子模型进行了大量计算，研究了无限长、有限长 5 油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 带偶极子的漏磁场分布，分析了漏磁场的x 分量、y 分量的等强度线，给出了偶 极子场的图像，解释了磁粉在缺陷处分命特点【1 4 16 1 。 这几年，随着无损检测技术日益受到重视，基于有限元方法的仿真研究也越 来越多。英国伯明翰大学在一些公司的支持下，通过分析管道缺陷数据的特征， 采用图像分割的方法从漏磁数据图像中识别出与缺陷相对应的重要区域。对那些 重要区域采用基于行差分值的自适应算术编码方法进行无损压缩，对非重要区域 采用基于多阈值量化小波变换编码的有损压缩方法f 1 7 】，从而在保留所有与检测相 关信息的同时，可以对数据进行大幅度的压缩，获得比较满意的压缩比。 1 4 本文的主要研究内容 本文依托国家8 6 3 计划资助项目“油气输送管线检测装黄标验及率定关键技 术研究 下开发研制一套用于海底输油管道内壁的缺陷检测装置，本课题是该项 目的一个重要组成部分 本文结构安排如下： 第一章：绪论。介绍课题的背景和漏磁检测装置研究现状。 第二章：研究了管道缺陷检测技术，并对采集到的漏磁图像进行分析，总结 出漏磁图像的特点。 第三章：为了满足现代漏磁检测系统对数据高速采集的要求，设计了基于 f p g a 的多通道高速数据采样单元。 第四章：为完成大流量数据的实时存储，必须采取适当的数据压缩方法，根 据漏磁图像的特点，研究了漏磁图像无损压缩技术，并进行了无损压缩实验。 第五章：依据实时漏磁图像压缩方案，选择了基于一阶差分的嵌入式零树编 码算法进行具体研究。 第六章：一阶差分嵌入式零编码及其d s p 的硬件实现。 总结和展望。 本课题对基于管道漏磁检测装置的数据采集和数据压缩进行了研究，为了解 决管道漏磁检测系统提高性能的问题，整个设计分为两大部分：多通道高速数据 采集单元和数据压缩单元。多通道高速数据采样单元利用f p g a 作为核心芯片来 控制d 和模拟开关进行数据采集，并将采集到的数据暂时存放到数据缓存区， 然后将数据传送到数据压缩单元。数据压缩单元以d s p 为核心，采用一阶差分嵌 入式零树编码来对采集到的数据进行实时的压缩。另外还要保证压缩后的数据能 够准确地解压缩还原。 6 青岛科技大学研究生学侮论文 第二章管道缺陷检测技术 2 1 ，管道缺陷无损检测方法综述 无损检测，是在不损伤材料和成品的条件下研究其内部和表面有无缺陷的手 段。无损检测技术的发展经历了三个阶段，即无损探伤( n d i ) ，是在不损坏产品 的前提下，发现人眼无法看到的缺陷，以满足工程设计中的强度要求。第二阶段 为无损检测( n d t ) ，在发达工业国家，该阶段始于7 0 年代，它不但检验最终产 品，而且要测量工程工艺参数，无损检测是目前国内为最流行的术语。第三阶段 称为无损评价( n d e ) ，由于电脑技术的飞跃进步，此阶段综合了多学科的科学成 果，正向着专家系统方向发展( 无损检测专家系统) 【l 引。 根据油气管道检测装置工作方式的不同，油气管道缺陷无损检测方式可分为 两种：管道缺陷外检测方式和管道缺陷内检测方式【l9 1 。 2 1 1 管道缺陷外检测方法 管道缺陷外检测方法主要包括：y 射线检测法( i 玎) 、磁粉检测法( m t ) 、涡 流检测法( e t ) 、渗透检测法( p t ) 、超声波缺陷检测法( u t ) ( 也可用于管道内部检 测) 等。上述方法各有其优缺点，但均不适于在役油气管道的缺陷检测。另外， 也可以通过对管道的阴极保护系统进行检测获得管道的缺陷状况，这类方式虽然 能够实现在不开挖、不影响正常工作的情况下对埋地管道进行检测，但属于间接 检测管道缺陷的方法，对公路、铁路、海洋等区域下的管道，无法实现对管道的 全面检测。 2 1 2 管道缺陷内检测方法 针对管道外检测技术存在的一些问题，国内外先后开发出了一系列管道缺陷 内检测技术，而超声波管道缺陷检测技术和漏磁管道缺陷检测技术应用最广泛。 i 超声波无损检测技术【2 仉2 2 】 管内超声波在役检测原理见图2 1 所示。垂直于管道壁的超声波探头对管道 7 油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 壁发出一组超声波脉冲后，探头首先接收到由管道壁内表面反射的回波( 前波) ， 随后接收到由管道壁缺陷或管道壁外表面反射的回波( 缺陷波或底波) 。 液体耦合介质壁厚 外壁 发射波 卜_ 一卜 投射距离壁厚 图2 l 超声波缺陷检测原理 f i g 2 一l1 1 l ep r i n c i p i eo f u l 缸a s o i l i cf l a wd e t e c t i o n 探头至管道壁内表面的距离a 与管道壁厚度t ，可以通过前波时间，以及前 波和缺陷波( 底波) 的时间差来确定。即： 彳= u ，f ，2r = d 。气2 ( 2 一1 ) 式中，f ，一第_ 次反射的回波( 前波) 时间 a 一第二次反射的回波( 底波或缺陷波) 时间 u ，一超声波在介质中的声速 d 。一超声波在管道中的声速 但是，仅仅根据管道壁厚度t 无法判别属管道内壁缺陷还是外壁缺陷，还必 须根据探头至管道壁内表面的距离a 曲线来判别。当外壁腐蚀减薄时，距离a 的 曲线不变；而当内壁腐蚀减薄时，距离a 曲线与壁厚t 曲线呈反对称。因此，根 青岛科技大学研究生学位论文 据距离a 和壁厚t 两条曲线，即可确定管道缺陷，并判别管道是内壁缺陷还是外 壁缺陷。 当缺陷深度小于1 m m 或壁厚小于3 4 m m 时的外壁缺陷，超声波检测结果 精度很低。因此，超声波检测装置适宜于管壁较厚管道的在役检测，检测精度高。 此项技术的缺点是对输送的介质非常敏感。对不规则缺陷而言，将出现多次反射 回波，因而对检测信号的识别要求很高。另外，为提高超声波的信噪比，常常需 要耦合剂，限制了超声波检测器的使用。 i i 漏磁通无损检测技术( m f l ) 【2 3 彩】 漏磁检测技术是从磁粉检测技术发展起来的、利用磁现象来检测铁磁性材料 工件表面及近表面缺陷的一种无损检测方法，其基本原理是：铁磁性材料在外加 磁场的作用下被磁化，若材料中无缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁性材料，此 时在材料的内部，磁力线分布均匀；若铁磁性材料表面及近表面存在裂纹等缺陷， 由于材料中缺陷的磁导率远比铁磁性材料本身的小缺陷处磁阻增大，从而使通过 该区域的磁场发生畸变，磁力线发生弯曲，一部分磁力线泄漏出材料表面，在缺 陷部位形成泄漏磁场。采用磁敏元件对缺陷漏磁场进行检测，形成电信号，对电 信号进行处理，可以得到缺陷的状况。 漏磁缺陷检测具有结构简单、信号处理方便等优点，易于实现管道缺陷的内 部检测。据此原理研制的管道缺陷检测装置不仅能检测管道内表面、近表面的缺 陷，而且能检测管道外表面缺陷，且对检测环境的要求很低，不受管道输送介质 的影响，可兼用于输油及输气管道的缺陷检测，因而是目前应用最广泛的管道在 役缺陷检测装置。 无缺陷处磁力线分布 缺陷处磁力线分布 图2 2 漏磁检测原理 f i g 2 - 2t h ep r i n c i p l eo fm f l d e t e c t i o n 9 油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 2 2 漏磁检测技术与超声波检测技术对比 漏磁检测与超声波检测都能检测出管件表面多种形状的缺陷，且能应用于管 道缺陷的在役检测。超声波检测的精度很高，但检测过程复杂，对检测环境的要 求很高。由于超声波在空气中衰减较快，为保证足够大的信噪比，超声波检测要 求探头与管壁间保持连续的耦合剂，因而在气管道上应用困难，比较适宜于水或 纯油管道的缺陷检测。对于原油输送管道，由于原油介质的密度、均匀性等差异 很大，对检测精度有较大影响。 漏磁检测技术的检测精度略低，但检测过程简单。对检测环境的要求很低， 受管壁表面粗糙度的影响较小，即使表面有少量的结蜡、油垢、锈蚀等也不会对 检测造成用影响，与输送的介质无关，可兼用于输油管道和输气管道。超声波检 测技术只能检测表面缺陷。漏磁检测的缺陷类型更多，不仅可以检测管壁的表面 裂纹，而且可以检测气孔、疤痕孔洞、缩孔、腐蚀坑、磨损槽以及管壁内表面及 近表面的缺陷。漏磁缺陷检测不足之处是：缓变的缺陷不能引起产生足够大的漏 磁信号，因而无法检测非常平缓的管壁缺陷。 2 3 管道漏磁检测技术原理 2 3 1 管道漏磁检测技术的原理 漏磁检测的基本原理是使用永磁铁产生强磁场并通过导磁介质使铁磁性管 道的管壁磁化到饱和程度，在管壁圆周上产生一个纵向磁回路场，当管壁上没有 缺陷时，则磁力线封闭于管壁之内，且磁场均匀分布；当管壁上存在异常，如缺 陷、裂缝、焊疤时，磁通路变窄，磁力线发生变形，部分磁力线将穿出管壁产生 漏磁，通过磁敏探头检测漏磁场就可以发现管道缺陷，如图2 - 3 。 图2 3 管道漏磁检测原理 f i g 2 - 3p r i n c i p l eo fm a 印e t i cf l u ) 【l e a l 【a g e l o 青岛科技人学研究生学位论文 漏磁场被位于两磁极之间、紧贴管壁的探头检测到，并产生相应的感应信号， 这些信号经滤波、放大、模数转换等处理后被记录到存储器中，再分析数据曲线 的幅值，斜率，周期等信息就可以确定管线的腐蚀程度、缺陷的类型和大小【2 5 1 。 漏磁检测器为了能够通过管道弯头，一般都采用节状结构，节与节之间采用 万向节连接。在动力节上安装着比管道内径稍大的橡胶碗，利用它阻塞管道介质 流动产生推力，进而带动整个装置前进。在测量节，沿着管壁的周向排列数十个 乃至上百个磁敏探头，每个探头内包含几个检测不同方向上漏磁场的检测通道。 探头排列越紧密，对缺陷处漏磁场的记录就越完整【2 6 1 。当漏磁检测器工作时，行 走轮由于在管壁上摩擦转动而产生触发信号。每收到一个触发信号，系统就依次 记录各个通道的数据。如果按数据块的方式组织数据，把每次触发信号下各通道 的值作为数据块的一列，把每通道各次采集的数据作为数据块的各行，由于漏磁 场具有一定的空间分布，在缺陷处相邻通道的数据和每通道相邻数据间存在较强 的空间相关性，这种相关性与图像像素间的空间相关性非常相似。因此，可以把 这种漏磁数据块作为反映漏磁场分布的图像，采用图像压缩的方法实现对漏磁检 测数据的压缩。 2 3 2 漏磁信号及漏磁图像的特点 缺陷的漏磁场是个矢量，对轴对称的管道常分解为水平切向分量( 轴向分量) 和垂直法向分量( 径向分量) ，在管道检测中这两个分量信号分别被称作轴向信号 和径向信号，并分别使用轴向和径向的霍尔传感器来测量。由于缺陷的径向漏磁 信号具有明显的正负峰值，易于观察，所以在实际检测中，采取以径向信号为主， 轴向信号为辅的检测方法，由两个信号来综合判定缺陷。 对油气管道进行漏磁检测所得到的漏磁图像中常见的特征物除缺陷外，还包 括如阀门、三通、焊缝、支撑物、补丁、套管等常见的管道特征物信息。图“ 左为数据精度为8 位的实际管道检测曲线，可以看到斜焊缝和缺陷等管道特征物 信息，图纠右为在m a t l 惦中经灰度变换处理后得到的漏磁图像。 油气骨道溅磁检删系统数据栗集与压缩技术的研究 一一一一一 罨蒌篱囊套薹 至三竺三堡至三；苎誓毒 。_ 、r c ：r ，” 童要薹苫委委墨薹星蚕 ，。- _ 。_ - _ _ _ _ ，u 、，。_ - _ - - 。- 一 孽署蠹囊董三瑟 ! 苎= 三三三乏莹曼三三曩 。1 。 一一r 一- 。1 0 ，“ ”。d 、- - 1 ”_ _ 。_ 一 薹二兰器i 童乏i ：一= = j 一= j ：_ ：= 一 ：= = _ 。= = 二；。：了一= 二。 蓥：耄三乏；n 曩乏i = 三戛三 一+ j 卜一隰 d ) 图“常见管道漏磁拴剥曲线及相压的漏磁图像 f 1 92 4 g e i m f l i n 5 肛c t i o n c d m f l i t i 】a g eo f p l p e l l n e a ) m f l lb ) m f l 2c ) m f l 3d ) m f l 4 由于漏磁检测在传感器设计、检测方法等方面的特殊性，榆测到的漏磁场图 像与我们门常所见的数字图像相比差别很大。由上述几个图像可以看出漏磁图像 青岛科技人学研究生学位论文 的几个特点： ( 1 ) 漏磁图像的分辨率较低。由于检测中使用的传感器宽度为l 英寸 ( 2 5 4 m m ) ，采样距离2 5 m m ，每个像素点面积为6 3 5 m m 2 ，所以漏磁图像的分辨 率还是比较低的，由于分辨率低，在图像上表现出来就是图像的连续性不好，像 素间的相关性差，图像所含的高频信息和纹理区域较多。 ( 2 ) 实际管道检测得到的漏磁图像的噪声较大，信噪比低。由于漏磁检测器 在管道内随介质的流动而运动，进行在线检测，传感器的抖动、被检测材料的噪 声、管道的应力变化等都可能产生噪声。所以即使在管道的健康区域，检测曲线 也是不光滑的，体现在图像上，就是椒盐噪声。 ( 3 ) 由原始漏磁数据形成的漏磁图像呈现条纹状。这是由于各传感器的基线 差异较大造成的。由于传感器对磁场极为敏感，在安装及运行过程中传感器的提 离值不同，导致各传感器的基线差异较大。 2 3 3 漏磁图像统计的特性 ( 1 ) 漏磁图像的熵 根据信息论，信源发出某一符号的信息量可以用这一符号出现的概率描写， 某一符号出现的概率越小，它的信息量就越大。信息论中将熵定义为一个信源符 号所携带的平均信息量，是在不丢失信息的前提下，描述该信息内容所需的最小 比特数，也就是数据无损压缩的下限，熵越小，可以得到的数据无损压缩比越大。 在图像处理中用每个像素所使用的比特数b p p ( b i t sp e r p i x e l ) 来表示熵。对于符号 a i c ，它的出现概率为p ( a k ) ，则信源的熵为： mm h ( u ) = p ( 口。) 凇。) = 一p ( 口。) l o g ：p ( 口i ) ( 2 2 ) 七= l七= i 漏磁图像图2 4 a 、b 、c 、d 的熵值如表2 1 所示。 表2 1 漏磁测试图像的熵 1 a b l e2 - 1e n t r o p yo fm f l1 e s t e di m a g e ( 2 ) 1 2 位漏磁图像的统计特性 上述的漏磁图像数据的精度都是8 位，分辨率也较低，而现代的超高分辨率 油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 检测装置的数据精度多在1 2 位或1 2 位以上。如图2 5 所示为一段精度为1 2 位 的漏磁检测曲线，虽然和8 位漏磁图像采用了同样的传感器，但是采样距离较小 ( 1 5 m m ) ，因而分辨率略有提高。表2 - 2 列出了图2 5 所示数据的统计特性。可 见与8 位的漏磁图像相比，1 2 位的漏磁图像数据具有更大的动态范围，其熵值较 大，不易压缩。由于分辨率稍好，而且被检测的是槽状缺陷，所以各传感器信号 比较相似，因此行自相关系数较大，这说明随着检测分辨率的提高，各传感器检 测到的漏磁场差距变小，行自相关性将有较大好转，利于通过变换等方法去除冗 余，进一步提高数据压缩比。 图2 5 精度为1 2 位的漏磁检测曲线 f i g 2 - 5 1 2b i t sm f l i i l s p e c t i o nc 1 l n 他 表2 2 精度为1 2 位的漏磁检测数据的统计特性 t h b l e2 2s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f12b i t sm f l i n s p e c t i o nd a t a c o i u m nc o r r e i a t i o nr o wc o r r e l a t i o n e n t r o p y ( b p p ) c o e 蛳c i e n tc o e 伍c i e n t 9 9 4 8 20 9 9 0 8 4o 9 8 6 8 7 综上所述，精度为8 位漏磁图像熵值较小，有利于得到较高的无损压缩比， 但相关性较弱不利于通过变换等方法去除相关性，难以得到更好的压缩比。而精 度为1 2 位漏磁图像虽然熵值较大，但随着检测分辨率的提高，相关性有较大提 高，利于通过变换等方法去除冗余，提高压缩比。 2 4 本章小结 本章首先介绍了管道缺陷检测方法，并对漏磁检测技术和超声波检测技术进 行对比，根据实际的8 位漏磁检测曲线，经灰度变换处理后能更好的反映了漏磁 图像的特点，分析了精度为8 位的漏磁检测数据与精度为1 2 位的漏磁检测数据 的统计特性，后者更能提高压缩比。 1 4 青岛科技人学卅 宄生学位论文 第三章基于f p g a 的多通道高速数据采集系统 31 现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 的特点和设计流程 311f p g a 概述 在数字化、信息化的时代，数字集成电蹄应片i 的非常广泛”。随着微电子技 术与工艺的发展，数字集成电路从电r 管、品体管、中小规模集成电路、超大规 模集成电路( v l s i c ) 逐步发展到今天的专用集成电路( a s l c ) 。a s l c 的出现降低 了产品的生产成本+ 提高了系统的可靠性减少了产品的物理尺寸，推动了社会 的数字化进程。仙足a s l c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性筹等缺陷制约 着它的应用范围。 i l i 图3 1 可编程逻辑器件( f p o aj 的结构原理图 f 1 93 1p n n c l p l eo f t h es 叽c m r e o f f l e l dp r o g 删b i 亡g m e a 仃a y ( f p g a ) 人们希望有呻 史灵活的设计方法，在实验室就能设计、更改大规模数字逻 辑，这就是可编程逻辑器件提出的基本思想。从早期的可编程只读存储器 一 下 -i=-=i|= 螂盯 ；朗珏踞暖豳黯潮帅螂讲藤辑 嚣l垂l 雒曩髂 i-_-_-_-_一lm。耶1= = ：= i = = = = 芝 一 协 。 一 一 油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究 ( p r o m ) ，到今天己经发展到可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的现 场可编程逻辑器件( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。随着工艺技术的发展 与市场的需要，新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或数字信号处理器 ( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，它可以为实现片上可编程系 统( s o c ，s y s t 锄o np r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供强大的硬件支持。f p g a 是可编程 逻辑器件，它是在p a j l 、g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l 、 g a l 等相比较，f p g a 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c j 芯片。 这样的f p g a 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设 计人员的广泛关注和普遍欢迎1 2 8 】。 f p g a 的结构由4 部分组成：输入输出模块、二维逻辑阵列模块、连线资