外文翻譯-基于WT的用于油氣管道的電磁壓力方法的研究

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)翻譯與原文題目： 基于WT的用于油氣管道的電磁壓力方法的研究 學(xué) 院： 測試與光電工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 測控技術(shù)與儀器 班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二Oxx年四月基于WT的用于油氣管道的電磁壓力方法的研究摘要：這篇論文提出了一種用于油氣管道早期診斷（應(yīng)力集中）的有效方法?；诜ɡ陔姶鸥袘?yīng)的原理，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了用于鐵磁性材料領(lǐng)域的無損檢測診斷方法，是通過對金屬材料的逆磁致伸縮效應(yīng)機(jī)制的研究而得。這種方法通過使用離散型小波分析方法去處理數(shù)據(jù)改變了鐵磁性材料內(nèi)導(dǎo)磁體的壓力對相應(yīng)電壓數(shù)組的影響程度，這種方法不僅測量精確度得到改善，而且壓力集中更加直接反映。這些實(shí)驗(yàn)證明了電磁壓力檢測方法是可行有效的。關(guān)鍵詞：石油氣管道、電磁感應(yīng)、導(dǎo)磁體、應(yīng)力集中、無損檢測1、 介紹對于我們國家的國民經(jīng)濟(jì)，室友和天然氣管道運(yùn)輸被稱作“能量血液”并扮演著重要的角色，也是五大主要運(yùn)輸工業(yè)之一。隨著工作時(shí)間的增長，石油和天然氣鐵磁性管道會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中而形成一系列疲勞損傷和缺陷，而應(yīng)力集中又是由于腐蝕、磨損、焊接和其他原因。如果沒有及時(shí)修復(fù)，最終會(huì)導(dǎo)致管道泄漏的事故。管道檢查技術(shù)可以獲得管道損傷的位置、類型、程度和其他明確的信息，以便為管道安全性評估、壽命預(yù)測和維護(hù)提供可依賴依據(jù)。盡管傳統(tǒng)的無損檢測方法（NDT）（比如超聲、電磁、渦流、漏磁和滲透）可以通過對相關(guān)裝備和零件部分百分百檢測找出已形成的巨大或微小的缺陷。最終，不可避免會(huì)發(fā)生由于修復(fù)后產(chǎn)生的疲勞損傷導(dǎo)致的突發(fā)事故。早期的隱藏的管道故障可以通過有效的應(yīng)力方法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。所以它在減少石油和天然氣管道的人工維護(hù)和經(jīng)濟(jì)損失中扮演重要的角色。目前，有許多應(yīng)力集中領(lǐng)域的檢測方法，比如盲洞法、超聲法、X射線衍射法、電子剪切散斑效應(yīng)法、金屬磁記憶法等。盲洞法采用于組件鉆取一定直徑和深度的盲洞的檢測，是使用盲洞應(yīng)力釋放點(diǎn)去獲得被檢測部分引起的相應(yīng)的位移和變形，并通過應(yīng)變和位移獲得被測量元件的應(yīng)力測量點(diǎn)。盡管檢測敏感性更高，但不僅有很多干擾因子，而且這是個(gè)有損耗的檢測方法，所以在實(shí)際應(yīng)用中這是有限制性的。超聲檢測是基于聲波彈性原理，利用超聲波在金屬材料內(nèi)部傳播時(shí)由于雙折射效應(yīng)引起的壓力進(jìn)行壓力測量。這種方法有更大的測量深度，可應(yīng)用于更多金屬材料，但是如果聲速變化的補(bǔ)償不正確，測量將產(chǎn)生巨大的錯(cuò)誤。再說超聲檢測對探頭耦合和工件表面光滑度需要高要求，這在實(shí)際應(yīng)用中是很嚴(yán)格的。X射線衍射法運(yùn)用廣泛，原理是，測量由于殘余應(yīng)力引起的晶格變形，然后通過彈性力學(xué)原理計(jì)算出參與應(yīng)力所在點(diǎn)。這種方法可以應(yīng)用于所有金屬材料和不同形狀不同大小的工件，但是對測量物件表面有個(gè)嚴(yán)格的要求，就是測量件內(nèi)部應(yīng)力必須分層，這對大工件來說是困難的，而且檢測設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，因此不適合野外應(yīng)用。電子剪切散斑干涉法適用于有缺陷或有應(yīng)力的材料檢測，他的表面會(huì)發(fā)生形變，從而干涉邊緣的圖案也會(huì)發(fā)生改變。通過測量干涉邊緣的變化可以計(jì)算出材料的壓力張力分布狀況。與X射線衍射法一樣，這種方法只可以應(yīng)用于測量材料的表面應(yīng)力狀況，并且通常更適用于實(shí)驗(yàn)室測量。金屬磁記憶法是在有磁環(huán)境中，測量由于應(yīng)力引起的磁漏信號(hào)，這種方法更易受外部因素影響，而且測量環(huán)境的要求極高，這對應(yīng)用帶來很大的限制。工程實(shí)踐證明電磁應(yīng)力檢測在應(yīng)力檢測方面是檢測管道的有效方法，被成功地應(yīng)用于檢測管道上的殘余應(yīng)力，形變應(yīng)力和焊接應(yīng)力。這為油氣管道的安全檢測打開了新篇章。2、 原理鐵磁性材料將產(chǎn)生磁化，在磁場的影響下導(dǎo)磁系數(shù)或磁阻將隨著應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化而變化。基于此現(xiàn)象的電磁應(yīng)力檢測系統(tǒng)使用磁疇模型去實(shí)現(xiàn)它。圖一是金屬材料的磁疇結(jié)構(gòu)。在沒有外部磁場時(shí)，由于由于磁疇方向的隨意性，物質(zhì)的宏觀磁現(xiàn)象沒有出現(xiàn)。對物質(zhì)M的磁化：（1）式中，表示在宏觀上小體積元素在i磁偶極子的磁偶極矩；n是磁偶極子的數(shù)量；是內(nèi)所有磁偶極子矢量和磁極矩。對于永磁體，磁化強(qiáng)度M和磁場強(qiáng)度H的關(guān)系：（2）式中，表示磁化率，但由于應(yīng)力，形變磁疇的結(jié)構(gòu)改變，也就是改變，磁化M和H也改變，通過測量H值的變化可以判斷應(yīng)力集中。3、 軟件和硬件的設(shè)計(jì)高頻率磁壓力檢測系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)，放大電路，濾波電路，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在表2中表示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的1000Hz的交流信號(hào)的頻率和振幅通過能量放大器被放大，然后信號(hào)被轉(zhuǎn)入激勵(lì)線圈傳感器以產(chǎn)生交替磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交替變化的磁場可以在檢測線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓經(jīng)濾波和放大后可以被導(dǎo)入PCI-1716數(shù)據(jù)收集芯片。最后，擬合分析后的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)將被用于判定應(yīng)力集中并且它的檢測深度是3mm。3.1應(yīng)力檢測電磁應(yīng)力監(jiān)測模塊主要由信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)組成。3.1.1信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)石油管道檢測環(huán)境是復(fù)雜的，用MUCU（微處理器）設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生電路是復(fù)雜但便于攜帶。而且使檢測限制減少。如圖3所示，作為核心的微電腦單片機(jī)89c52是用于控制DAC0832和發(fā)生不同頻率的正弦波信號(hào)。DAC0832的變換時(shí)間是1，工作電壓是+5V+15V，它主要包括2個(gè)8位暫存器和1個(gè)8為D/A轉(zhuǎn)換器。因?yàn)镈AC0832 D/A是電流輸出類型，當(dāng)輸入都為1時(shí)，電流有一個(gè)最大值，稱為Iout1輸出最值電流。輸出電流Iout1和Iout2的總和是不變的，大概是330uA。Iout1電流信號(hào)需要通過檢測系統(tǒng)被換成電壓信號(hào)。DAC0832的9號(hào)端口作為芯片內(nèi)部暫存器終端機(jī)的反饋，Iout1連接了一個(gè)15k的電阻。因此使用這個(gè)電阻作為OP07操作放大器的反饋電阻，Iout1是直接連接OP07的反向輸入，然后電流到電壓的轉(zhuǎn)換就完成了。3.1.2傳感器的設(shè)計(jì)圖4是一個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)，由兩卷鐵素體線圈一卷是作為激勵(lì)線圈，另一卷是檢測線圈，激勵(lì)線圈產(chǎn)生一定頻率和振幅的正弦信號(hào)，以致傳感器和鋼板之間形成一個(gè)磁環(huán)，磁環(huán)的總磁阻：（3）式中，是鐵磁性磁芯的磁阻，是被檢測鋼板的磁阻。當(dāng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的磁通勢，而被檢測鋼的磁阻因磁通量改變而改變，這種磁通量改變是因?yàn)槿毕莼驊?yīng)力集中產(chǎn)生的。此時(shí)，檢測線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢的變化會(huì)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，這意味著實(shí)現(xiàn)了壓力測量。3.2數(shù)據(jù)收集檢測系統(tǒng)的主要功能是轉(zhuǎn)換傳感器的輸出信號(hào)和其他模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)收集的最基本要求是采樣定理，即信號(hào)采樣率至少是最高頻率的2倍，在這種情況下降低信號(hào)時(shí)信號(hào)失真才不會(huì)發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)采樣頻率一般設(shè)為信號(hào)的最高頻率的510倍。3.2.1濾波電路的設(shè)計(jì)在實(shí)際的應(yīng)力檢測中，系統(tǒng)不可避免會(huì)受到不同干擾，包括外部信號(hào)和電路本身。因此，數(shù)據(jù)采集前要對信號(hào)濾波。圖5是一個(gè)狀態(tài)變量濾波電路，它比普通的電壓控制電壓源（VCVS）濾波電路更復(fù)雜，但是它的穩(wěn)定性得到很好的改善。補(bǔ)償電壓是0.5uV/，偏置電流是1.8nA，能源支持電壓范圍是3V22V，轉(zhuǎn)換頻率是0.17V/uS，增益帶寬乘積同0.6MHz一樣高，、和是濾波電路的編程電阻器電阻，取決于中心頻率，、同取決于Q值和濾波通帶中心增益。計(jì)算公式如下：式中，是帶通濾波器中心頻率，G是帶通濾波器通帶增益，Q是帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)，對于帶通濾波器，Q是帶寬與之比，當(dāng)f=，將電壓放大率稱為濾通帶放大率。簡單改變、值可以輕易地改變它的輸出特征值，這對使用者來說很方便，不需要牽涉一些復(fù)雜的公式和電容器的選擇。3.2.2高精度數(shù)據(jù)收集卡的使用當(dāng)鐵磁性材料在壓力或張力的狀況下，通過傳感器檢測電圈感應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢是毫伏級(jí)別，所以我們需要一個(gè)足夠準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)收集系數(shù)。PCI-1716是高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)收集卡，由愛德萬株式會(huì)社公司推出。它使用一個(gè)基于FPGA的16位A/D轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)IFO緩沖器達(dá)到1k，最快采樣率達(dá)到250ks/s。PIC-1716可以提供16個(gè)單端模擬輸入或8個(gè)多端的模擬輸入，可以是1種信號(hào)輸入也可以使二者綜合。同時(shí)，由PIC-1716提供的API功能與LABVIEW對接，實(shí)現(xiàn)編程控制。使用PIC-1716作為硬件平臺(tái)，通過33MHzPIC的32位的總線連接工業(yè)PC，在LABVIEW DAQ驅(qū)動(dòng)程序提供的接口的幫助下，使用LABVIEW繪圖的編程語言編程，從而實(shí)現(xiàn)PIC-1716硬件控制并得到高速和高精確度數(shù)據(jù)收集、傳送、儲(chǔ)存。圖6是收集卡的使用流程圖。收集卡的每個(gè)參數(shù)可以在波形收集控制頻道（AI獲得波形）被設(shè)置，如采樣頻率，采樣點(diǎn)，頻道選擇，電壓的最高值和最低極限值。然后它可以通過連接AI獲得波形的輸出和波形圖控制輸入實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)收集波形的顯示。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)收集也可以將數(shù)據(jù)傳遞給電子表格字符串控制。最后，把數(shù)據(jù)放入通用的第VI通道控制，然后分離這個(gè)通道，在通道創(chuàng)建前預(yù)先儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。4.信號(hào)處理在嚴(yán)酷的環(huán)境下的管道檢測，檢測系統(tǒng)的信號(hào)經(jīng)常包含一些額外的噪聲，由于檢測儀器本身和外部環(huán)境干擾。這些使得信號(hào)本身產(chǎn)生畸變，并為信號(hào)分辨和收集帶來很大的困難。因此選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法去有效地分離有用信號(hào)是關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的傅立葉轉(zhuǎn)換去噪方法適用于信號(hào)和噪聲的波段重疊很小或完全分離的情況，通過使用濾波的方法分離信號(hào)和噪聲，但是實(shí)際收集的壓力信號(hào)和噪聲信號(hào)的頻譜是任意重疊的。很明顯使用傅立葉方法不能取得有效的去噪。通過對比，微波轉(zhuǎn)換有良好的聚焦功能并能有效的區(qū)分有用信號(hào)和噪聲。但是通常使用的連續(xù)微波轉(zhuǎn)換，時(shí)間-頻率窗口隨著時(shí)間-頻率空間持續(xù)不斷的移動(dòng)，所以有大量信息冗余。離散化微波轉(zhuǎn)換會(huì)使比例因子或轉(zhuǎn)譯因子離散化，并可以有效地減少信息冗余去對付工程師對檢測信號(hào)處理的要求。4.1離散型微波變換原理對任何有限的能量信號(hào)，連續(xù)微波轉(zhuǎn)換是：（7）其中，a表示比例因子，b表示轉(zhuǎn)換因子。小波分析在a，b離散化之后進(jìn)行，（8）其中，j，nZ，j作為膨脹參數(shù)或尺度參數(shù)，是延著時(shí)間軸轉(zhuǎn)換的參數(shù)。公式（8）代入（7）中，（9）其中，事實(shí)上是連續(xù)小波轉(zhuǎn)換在時(shí)間刻度二維網(wǎng)絡(luò)上的取樣。例如，小波函數(shù)族的標(biāo)準(zhǔn)正交基，稱為：（10）任意可以被展開成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交基的線性組合，（11）式（9）是式（11）是展開式，通過（9）、（10）、（11）不難得出（12）4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在實(shí)驗(yàn)室，由鋼Q235組成的可拉伸鋼筋在沒有提升機(jī)器上拉彈性范圍時(shí)使他產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，然后使用電磁應(yīng)力檢測設(shè)備去應(yīng)力檢測。圖7是離散小波信號(hào)檢測的分析。在信號(hào)源處的應(yīng)力集中域的反射是不明顯的，但經(jīng)過離散小波分