外文翻译-基于WT的用于油气管道的电磁压力方法的研究

XX大学毕业设计文献翻译与原文题目： 基于WT的用于油气管道的电磁压力方法的研究 学 院： 测试与光电工程学院 专业名称： 测控技术与仪器 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx年四月基于WT的用于油气管道的电磁压力方法的研究摘要：这篇论文提出了一种用于油气管道早期诊断（应力集中）的有效方法。基于法拉第电磁感应的原理，我们已经设计并实现了用于铁磁性材料领域的无损检测诊断方法，是通过对金属材料的逆磁致伸缩效应机制的研究而得。这种方法通过使用离散型小波分析方法去处理数据改变了铁磁性材料内导磁体的压力对相应电压数组的影响程度，这种方法不仅测量精确度得到改善，而且压力集中更加直接反映。这些实验证明了电磁压力检测方法是可行有效的。关键词：石油气管道、电磁感应、导磁体、应力集中、无损检测1、 介绍对于我们国家的国民经济，室友和天然气管道运输被称作“能量血液”并扮演着重要的角色，也是五大主要运输工业之一。随着工作时间的增长，石油和天然气铁磁性管道会因为应力集中而形成一系列疲劳损伤和缺陷，而应力集中又是由于腐蚀、磨损、焊接和其他原因。如果没有及时修复，最终会导致管道泄漏的事故。管道检查技术可以获得管道损伤的位置、类型、程度和其他明确的信息，以便为管道安全性评估、寿命预测和维护提供可依赖依据。尽管传统的无损检测方法（NDT）（比如超声、电磁、涡流、漏磁和渗透）可以通过对相关装备和零件部分百分百检测找出已形成的巨大或微小的缺陷。最终，不可避免会发生由于修复后产生的疲劳损伤导致的突发事故。早期的隐藏的管道故障可以通过有效的应力方法被及时发现。所以它在减少石油和天然气管道的人工维护和经济损失中扮演重要的角色。目前，有许多应力集中领域的检测方法，比如盲洞法、超声法、X射线衍射法、电子剪切散斑效应法、金属磁记忆法等。盲洞法采用于组件钻取一定直径和深度的盲洞的检测，是使用盲洞应力释放点去获得被检测部分引起的相应的位移和变形，并通过应变和位移获得被测量元件的应力测量点。尽管检测敏感性更高，但不仅有很多干扰因子，而且这是个有损耗的检测方法，所以在实际应用中这是有限制性的。超声检测是基于声波弹性原理，利用超声波在金属材料内部传播时由于双折射效应引起的压力进行压力测量。这种方法有更大的测量深度，可应用于更多金属材料，但是如果声速变化的补偿不正确，测量将产生巨大的错误。再说超声检测对探头耦合和工件表面光滑度需要高要求，这在实际应用中是很严格的。X射线衍射法运用广泛，原理是，测量由于残余应力引起的晶格变形，然后通过弹性力学原理计算出参与应力所在点。这种方法可以应用于所有金属材料和不同形状不同大小的工件，但是对测量物件表面有个严格的要求，就是测量件内部应力必须分层，这对大工件来说是困难的，而且检测设备构造复杂，因此不适合野外应用。电子剪切散斑干涉法适用于有缺陷或有应力的材料检测，他的表面会发生形变，从而干涉边缘的图案也会发生改变。通过测量干涉边缘的变化可以计算出材料的压力张力分布状况。与X射线衍射法一样，这种方法只可以应用于测量材料的表面应力状况，并且通常更适用于实验室测量。金属磁记忆法是在有磁环境中，测量由于应力引起的磁漏信号，这种方法更易受外部因素影响，而且测量环境的要求极高，这对应用带来很大的限制。工程实践证明电磁应力检测在应力检测方面是检测管道的有效方法，被成功地应用于检测管道上的残余应力，形变应力和焊接应力。这为油气管道的安全检测打开了新篇章。2、 原理铁磁性材料将产生磁化，在磁场的影响下导磁系数或磁阻将随着应力应变状态的变化而变化。基于此现象的电磁应力检测系统使用磁畴模型去实现它。图一是金属材料的磁畴结构。在没有外部磁场时，由于由于磁畴方向的随意性，物质的宏观磁现象没有出现。对物质M的磁化：（1）式中，表示在宏观上小体积元素在i磁偶极子的磁偶极矩；n是磁偶极子的数量；是内所有磁偶极子矢量和磁极矩。对于永磁体，磁化强度M和磁场强度H的关系：（2）式中，表示磁化率，但由于应力，形变磁畴的结构改变，也就是改变，磁化M和H也改变，通过测量H值的变化可以判断应力集中。3、 软件和硬件的设计高频率磁压力检测系统主要由信号发生系统，传感器系统，放大电路，滤波电路，数据收集系统和数据处理系统组成。系统结构在表2中表示。信号发生器产生的1000Hz的交流信号的频率和振幅通过能量放大器被放大，然后信号被转入激励线圈传感器以产生交替磁场。根据电磁感应原理，交替变化的磁场可以在检测线圈内产生感应电压，该电压经滤波和放大后可以被导入PCI-1716数据收集芯片。最后，拟合分析后的电压信号数据将被用于判定应力集中并且它的检测深度是3mm。3.1应力检测电磁应力监测模块主要由信号发生系统和传感器系统组成。3.1.1信号发生电路的设计石油管道检测环境是复杂的，用MUCU（微处理器）设计的信号发生电路是复杂但便于携带。而且使检测限制减少。如图3所示，作为核心的微电脑单片机89c52是用于控制DAC0832和发生不同频率的正弦波信号。DAC0832的变换时间是1，工作电压是+5V+15V，它主要包括2个8位暂存器和1个8为D/A转换器。因为DAC0832 D/A是电流输出类型，当输入都为1时，电流有一个最大值，称为Iout1输出最值电流。输出电流Iout1和Iout2的总和是不变的，大概是330uA。Iout1电流信号需要通过检测系统被换成电压信号。DAC0832的9号端口作为芯片内部暂存器终端机的反馈，Iout1连接了一个15k的电阻。因此使用这个电阻作为OP07操作放大器的反馈电阻，Iout1是直接连接OP07的反向输入，然后电流到电压的转换就完成了。3.1.2传感器的设计图4是一个传感器结构，由两卷铁素体线圈一卷是作为激励线圈，另一卷是检测线圈，激励线圈产生一定频率和振幅的正弦信号，以致传感器和钢板之间形成一个磁环，磁环的总磁阻：（3）式中，是铁磁性磁芯的磁阻，是被检测钢板的磁阻。当激励线圈产生稳定的磁通势，而被检测钢的磁阻因磁通量改变而改变，这种磁通量改变是因为缺陷或应力集中产生的。此时，检测线圈的感应电动势的变化会转换成电压信号输出，这意味着实现了压力测量。3.2数据收集检测系统的主要功能是转换传感器的输出信号和其他模拟信号变成数字信号。数据收集的最基本要求是采样定理，即信号采样率至少是最高频率的2倍，在这种情况下降低信号时信号失真才不会发生。在实际应用中，信号采样频率一般设为信号的最高频率的510倍。3.2.1滤波电路的设计在实际的应力检测中，系统不可避免会受到不同干扰，包括外部信号和电路本身。因此，数据采集前要对信号滤波。图5是一个状态变量滤波电路，它比普通的电压控制电压源（VCVS）滤波电路更复杂，但是它的稳定性得到很好的改善。补偿电压是0.5uV/，偏置电流是1.8nA，能源支持电压范围是3V22V，转换频率是0.17V/uS，增益带宽乘积同0.6MHz一样高，、和是滤波电路的编程电阻器电阻，取决于中心频率，、同取决于Q值和滤波通带中心增益。计算公式如下：式中，是带通滤波器中心频率，G是带通滤波器通带增益，Q是带通滤波器的品质因数，对于带通滤波器，Q是带宽与之比，当f=，将电压放大率称为滤通带放大率。简单改变、值可以轻易地改变它的输出特征值，这对使用者来说很方便，不需要牵涉一些复杂的公式和电容器的选择。3.2.2高精度数据收集卡的使用当铁磁性材料在压力或张力的状况下，通过传感器检测电圈感应的感应电动势是毫伏级别，所以我们需要一个足够准确度的数据收集系数。PCI-1716是高分辨率多功能PCI数据收集卡，由爱德万株式会社公司推出。它使用一个基于FPGA的16位A/D转换器，FIFO缓冲器达到1k，最快采样率达到250ks/s。PIC-1716可以提供16个单端模拟输入或8个多端的模拟输入，可以是1种信号输入也可以使二者综合。同时，由PIC-1716提供的API功能与LABVIEW对接，实现编程控制。使用PIC-1716作为硬件平台，通过33MHzPIC的32位的总线连接工业PC，在LABVIEW DAQ驱动程序提供的接口的帮助下，使用LABVIEW绘图的编程语言编程，从而实现PIC-1716硬件控制并得到高速和高精确度数据收集、传送、储存。图6是收集卡的使用流程图。收集卡的每个参数可以在波形收集控制频道（AI获得波形）被设置，如采样频率，采样点，频道选择，电压的最高值和最低极限值。然后它可以通过连接AI获得波形的输出和波形图控制输入实现实时收集波形的显示。为了实现实时显示，数据收集也可以将数据传递给电子表格字符串控制。最后，把数据放入通用的第VI通道控制，然后分离这个通道，在通道创建前预先储存数据。4.信号处理在严酷的环境下的管道检测，检测系统的信号经常包含一些额外的噪声，由于检测仪器本身和外部环境干扰。这些使得信号本身产生畸变，并为信号分辨和收集带来很大的困难。因此选择适当的信号处理方法去有效地分离有用信号是关键步骤。传统的傅立叶转换去噪方法适用于信号和噪声的波段重叠很小或完全分离的情况，通过使用滤波的方法分离信号和噪声，但是实际收集的压力信号和噪声信号的频谱是任意重叠的。很明显使用傅立叶方法不能取得有效的去噪。通过对比，微波转换有良好的聚焦功能并能有效的区分有用信号和噪声。但是通常使用的连续微波转换，时间-频率窗口随着时间-频率空间持续不断的移动，所以有大量信息冗余。离散化微波转换会使比例因子或转译因子离散化，并可以有效地减少信息冗余去对付工程师对检测信号处理的要求。4.1离散型微波变换原理对任何有限的能量信号，连续微波转换是：（7）其中，a表示比例因子，b表示转换因子。小波分析在a，b离散化之后进行，（8）其中，j，nZ，j作为膨胀参数或尺度参数，是延着时间轴转换的参数。公式（8）代入（7）中，（9）其中，事实上是连续小波转换在时间刻度二维网络上的取样。例如，小波函数族的标准正交基，称为：（10）任意可以被展开成一个标准正交基的线性组合，（11）式（9）是式（11）是展开式，通过（9）、（10）、（11）不难得出（12）4.2实验结果分析在实验室，由钢Q235组成的可拉伸钢筋在没有提升机器上拉弹性范围时使他产生应力集中区域，然后使用电磁应力检测设备去应力检测。图7是离散小波信号检测的分析。在信号源处的应力集中域的反射是不明显的，但经过离散小波分