管道漏磁無損檢測傳感器的研制

管道漏磁無損檢測傳感器的研制

0檢測方法的選取由于國內(nèi)外的石油和天然氣管道施工不斷錯誤，管道容易發(fā)生形狀變化，導(dǎo)致腐蝕和裂紋等錯誤和損壞，以及油氣泄漏，這將對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和損害，并造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，應(yīng)定期檢查工業(yè)管道。目前的管道檢測技術(shù)主要有漏磁檢測、超聲檢測、遠場渦流檢測、射線檢測等。超聲法測量壁厚精度較高,是一種接觸式單點檢測方法,但是檢測效率低。渦流法主要用于檢測管道表層缺陷,如要檢測管道內(nèi)部缺陷,需從管道內(nèi)部穿過,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。射線檢測對于復(fù)雜的工況環(huán)境具有不易操作性。相比較而言,漏磁檢測法有很高的檢測速度,對于金屬材料,它不僅能提供金屬材料表面缺陷的信息,還能提供材料裂紋深度的信息,且不需要耦合劑,因此該方法已被廣泛用于油氣管道、儲罐罐底的腐蝕檢測和鋼絲繩、鋼板、鋼塊等鐵磁材料的無損檢測中。國家“十五”863項目“海底管道內(nèi)爬行器及檢測技術(shù)”中,以漏磁檢測法設(shè)計了管道檢測系統(tǒng),文中將對其中的漏磁檢測傳感器的設(shè)計及其相關(guān)問題進行研究。1丟失磁體檢測傳感器的原理和設(shè)計1.1線性關(guān)系的測量漏磁檢測的原理是通過永磁體、導(dǎo)磁體及管道形成磁回路,將管道磁化到接近磁飽和狀態(tài),再檢測管道缺陷引起的漏磁通,所以磁敏元件的選擇是漏磁測量精確與否的關(guān)鍵。目前常用的磁敏器件有磁敏管、磁敏電阻、檢測線圈、霍爾元件等。相比較而言,磁敏管的靈敏度雖然高,但線性度太差;磁敏電阻溫度特性很差且有局部非線性;檢測線圈的靈敏度、溫度特性和線性度都可以,但線圈測量磁感應(yīng)時只能測量變化的磁場,當(dāng)磁場變化緩慢時,線圈很難測到,而且線圈和磁場之間運動的相對速度變化也會影響測量值的大小。霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的,將一通電導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場中,則產(chǎn)生一個和電流及磁場方向垂直的電場,亦即產(chǎn)生一電動勢,這種現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)。霍爾電動勢可以表示為:Vh=IBneb(1)Vh=ΙBneb(1)式中Vh表示霍爾電動勢,I表示施加電流,b為霍爾元件厚度,n、e與霍爾元件本身材料有關(guān),B為磁感應(yīng)強度。令Kh=(neb)-1為霍爾元件靈敏度,由式(1)則磁感應(yīng)強度B為:B=VhKhI(2)B=VhΚhΙ(2)當(dāng)施加恒定電流且霍爾元件已經(jīng)確定時,由式(2)可以看出,磁感應(yīng)強度B和霍爾電動勢Vh成線性關(guān)系。由以上介紹可以看出,霍爾元件具有良好的線性度。同時它也具有溫度特性好和高靈敏度的特點,在研究中采用砷化鎵(GaAs)霍爾元件作為磁敏元件,其參數(shù)特性如表1。1.2溫度計算器漏磁檢測傳感器電路由霍爾元件、恒流源差動放大和穩(wěn)壓電路組成,其中恒流源為霍爾元件提供控制電流,差動電路用于將霍爾電動勢放大,穩(wěn)壓電路將系統(tǒng)送來的±12V電源分別經(jīng)78L09和79L09穩(wěn)成9V的電壓,供探頭內(nèi)元件使用。圖1為漏磁傳感器的電路圖。為提高測量精確度,消除溫度對系統(tǒng)測量帶來的誤差,裝置中加入溫度檢測電路,隨時測量溫度值并記錄存儲,作為對霍爾溫度誤差的補償。溫度傳感器選用美國AD公司的器件AD590,它的溫度測量范圍是-55～+100℃。當(dāng)器件外加4～30V電壓時,能提供1μΑ/K的恒定電流。1.3永磁體檢測系統(tǒng)原理在設(shè)計傳感器時,將多片霍爾元件均勻分布在一個探頭周圍,再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換并傳送至上位機或其他芯片處理。其中所需霍爾元件的片數(shù)可由所要求能檢測到的周向最小缺陷檢測長度lc和徑向最小缺陷檢測長度lr來確定。lc=2πr/N(3)lr=MvcT/N(4)上述兩式中的r為管道半徑,M為采用的A/D轉(zhuǎn)換模塊的塊數(shù),T為A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換周期,vc為漏磁傳感器的運行速度。根據(jù)給定的要求求出式(3)和式(4)中的霍爾元件個數(shù)N,再取實際需要的霍爾元件的個數(shù)。一般說來,由于A/D轉(zhuǎn)換模塊的頻率很高并且漏磁傳感器的爬行速度每秒只有幾十毫米,所以徑向最小缺陷檢測長度lr都能滿足要求,N主要根據(jù)周向最小檢測長度lc來計算,對于一個Φ219mm的管道,當(dāng)要求其周向最小檢測長度為14mm時,其霍爾元件數(shù)至少為50片。傳感器的勵磁器件由導(dǎo)磁體和永磁體組成。導(dǎo)磁體選用工業(yè)純鐵,這種材料具有高的磁感應(yīng)強度,小的矯頑力,并且價格較低、加工性能好,能適應(yīng)檢測時的導(dǎo)磁要求。而永磁體選用新型釹鐵硼材料,該材料具有高磁能積、高矯頑力、磁性能穩(wěn)定的特點。在整個檢測系統(tǒng)回路中,總的磁通由永磁體提供,永磁體尺寸的優(yōu)化就顯得非常重要。通過有限元分析表明,在希望磁能積盡可能大而永磁體體積有限的情況下,影響永磁體性能的主要是磁鐵的長度。如圖2所示,管壁厚度為t,缺陷深度為a,Φb是管壁內(nèi)沒有缺陷處的磁通,Φd是管壁內(nèi)有缺陷處的磁通。Φa和Φc分別是管內(nèi)無缺陷和有缺陷處對應(yīng)的空氣處的漏磁通。設(shè)永磁體產(chǎn)生的總磁通為Φ,則有:Φ=Φa+Φb=Φc+Φd(5)檢測系統(tǒng)的漏磁信號大小取決于Φc,而信噪比取決于Φc/Φa的比率,定義λ=Φc/Φa。對于長為lm寬為w的永磁體,如產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為Bm,則有:Φ=Φa+Φb=Φc+Φd=Bmlmw(6)因為氣隙和管壁厚度相對于直徑來說很小,可認(rèn)為w=πd,d為管道直徑,從而可以求出滿足λ最大時的lm值,此時檢測到的信號最好。λ=ΦcΦa=Φ?ΦdΦ?Φb=Bm?lm?Bd?(t?α)Bm?lm?Bb?t(7)λ=ΦcΦa=Φ-ΦdΦ-Φb=Bm?lm-Bd?(t-α)Bm?lm-Bb?t(7)在檢測的過程中,由于受磁鐵吸力、管道摩擦力、障礙物的阻力等,漏磁傳感器在檢測時需要一定的牽引力,為了減小這個牽引力,設(shè)計了4個導(dǎo)輪。導(dǎo)輪的設(shè)計不但減小了漏磁傳感器運行時的摩擦力,還使探頭與管道之間保持一定距離,減少了磁鐵吸力,從而使運行時的阻力變小。如圖3所示,由于導(dǎo)輪的存在,在不考慮克服障礙物時計算漏磁探頭所需的牽引力可以簡化為:F牽引力=4μF支持力(8)其中μ為摩擦系數(shù),F牽引力為使漏磁傳感器平穩(wěn)運行所需要的最小動力。在實際的檢測中,為了適應(yīng)檢測不同的管徑,設(shè)計把傳感器、永磁體、導(dǎo)磁體等器件裝在一個探頭中,提高了檢測的效率及可靠性。其中每組霍爾元件和其勵磁裝置等一起組成一個檢測模塊單元,不同組之間通過鏈節(jié)鉸接而成。傳感器與其他器件組成的探頭簡化裝配示意圖如圖4所示。2漏磁傳感器檢測對于一個管道內(nèi)半徑為97.5mm、外半徑為109.5mm、壁厚為12mm的管道,對其施加0到50mT磁場,應(yīng)用筆者設(shè)計的漏磁無損檢測傳感器測得的電壓顯示結(jié)果如圖5所示,其中永磁體長56mm,厚15mm,其邊緣距離管壁4.5mm,漏磁傳感器共有50組霍爾元件組成檢測模塊。圖中縱坐標(biāo)為磁發(fā)生器產(chǎn)生的磁場,橫坐標(biāo)為對應(yīng)測量所得的電壓值,由圖5可以看出,系統(tǒng)具有非常好的線性度。對于一個長10mm,寬3mm,深1.5mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體缺陷,通過有限元計算可以得到其磁感應(yīng)曲線分布圖,圖6是實際測量的徑向磁場和計算所得的磁場的比較圖。從圖中可以看出,如果有效的去除測量結(jié)果中的噪聲