管道漏磁无损检测传感器的设计与实现.doc

管道漏磁无损检测传感器的设计与实现 摘 要：针对管道陷检测的现状，研制了一种适用于输油、输气管道的漏磁无损检测传感器，该传感器由磁敏器件、励磁模块、导轮等部分组成，具有灵敏度高、可用性强的特点，能满足不同管径和工况的管道缺陷检测，内容涉及漏磁检测、磁敏器件的选择、永磁体的优化以及导轮的设计等。 关键词：漏磁检测；磁敏器件；励磁模块；导轮 引言 输油、输气管道在长期使用中，由于表层地基不稳定、介质腐蚀、意外事故等原因，管道易发生位貌变化，并产生腐蚀与裂纹等缺陷和损伤，发生油气泄漏现象，将对环境造成极大的污染和危害，并带来经济和人身安全上的巨大损失，所以必须对工业管道进行定期无损检测。 目前的管道检测技术主要有漏磁检测、超声检测、远场涡流检测、射线检测等。超声法测量壁厚精度较高，是一种接触式单点检测方法，但是检测效率低。涡流法主要用于检测管道表层缺陷，如要检测管道内部缺陷，需从管道内部穿过，结构复杂。射线检测对于复杂的工况环境具有不易操作性。相比较而言，漏磁检测法有很高的检测速度，对于金属材料，它不仅能提供金属材料表面缺陷的信息，还能提供材料裂纹深度的信息，且不需要耦合剂，因此该方法已被广泛用于油气管道、储罐罐底的腐蚀检测和钢丝绳、钢板、钢块等铁磁材料的无损检测中1，2。国家“十五”863项目“海底管道内爬行器及检测技术”中，以漏磁检测法设计了管道检测系统，文中将对其中的漏磁检测传感器的设计及其相关问题进行研究。 1 漏磁检测传感器的原理及设计 1.1 磁敏器件的选择 漏磁检测的原理是通过永磁体、导磁体及管道形成磁回路，将管道磁化到接近磁饱和状态，再检测管道缺陷引起的漏磁通，所以磁敏元件的选择是漏磁测量精确与否的关键。目前常用的磁敏器件有磁敏管、磁敏电阻、检测线圈、霍尔元件等3。 相比较而言，磁敏管的灵敏度虽然高，但线性度太差；磁敏电阻温度性很差且有局部非线性；检测线圈的灵敏度、温度特性和线性度都可以，但线圈测量磁感应时只能测量变化的磁场，当磁场变化缓慢时，线圈很难测到，而且线圈和磁场之间运动的相对速度变化也会影响测量值的大小。 霍尔元件是根据霍尔效应制成的，将一通电导体或半导体薄片置于磁场中，则产生一个和电流及磁场方向垂直的电场，亦即产生一电动势，这种现象叫霍尔效应。霍尔电动势可以表示为： 式中Vh表示霍尔电动势，I表示施加电流，b为霍尔元件厚度，n、e与霍尔元件本身材料有关，B为磁感应强度。令Kh(neb)1为霍尔元件灵敏度，由式(1)则磁感应强度B为： 当施加恒定电流且霍尔元件已经确定时，由式(2)可以看出，磁感应强度B和霍尔电动势Vh成线性关系。 由以上介绍可以看出，霍尔元件具有良好的线性度。同时它也具有温度特性好和高灵敏度的特点，在研究中采用砷化镓(GaAs)霍尔元件作为磁敏元件，其参数特性如表1。 1.2 漏磁检测传感器电路构成 漏磁检测传感器电路由霍尔元件、恒流源差动放大和稳压电路组成，其中恒流源为霍尔元件提供控制电流，差动电路用于将霍尔电动势放大，稳压电路将系统送来的12V电源分别经78L09和79L09稳成9V的电压，供探头内元件使用。图1为漏磁传感器的电路图。 为提高测量精确度，消除温度对系统测量带来 的误差，装置中加入温度检测电路，随时测量温度值并记录存储，作为对霍尔温度误差的补偿。温度传感器选用美国AD公司的器件AD590，它的温度测量范围是55100。当器件外加430V电压时，能提供1/K的恒定电流。 1.3 漏磁传感器结构设计 在设计传感器时，将多片霍尔元件均匀分布在一个探头周围，再通过A/D转换模块转换并传送至上位机或其他芯片处理。其中所需霍尔元件的片数可由所要求能检测到的周向最小缺陷检测长度lc和径向最小缺陷检测长度lr来确定。 上述两式中的r为管道半径，M为采用的A/D转换模块的块数，T为A/D转换模块的转换周期，vc为漏磁传感器的运行速度。根据给定的要求求出式(3)和式(4)中的霍尔元件个数N，再取实际需要的霍尔元件的个数。 一般说来，由于A/D转换模块的频率很高并且漏磁传感器的爬行速度每秒只有几十毫米，所以径向最小缺陷检测长度lr都能满足要求，N主要根据周向最小检测长度lc来计算，对于一个219mm的管道，当要求其周向最小检测长度为14mm时，其霍尔元件数至少为50片。 传感器的励磁器件由导磁体和永磁体组成。导磁体选用工业纯铁，这种材料具有高的磁感应强度，小的矫顽力，并且价格较低、加工性能好，能适应检测时的导磁要求。而永磁体选用新型钕铁硼材料，该材料具有高磁能积、高矫顽力、磁性能稳定的特点。 在整个检测系统回路中，总的磁通由永磁体提供，永磁体尺寸的优化就显得非常重要。通过有限元分析表明，在希望磁能积尽可能大而永磁体体积有限的情况下，影响永磁体性能的主要是磁铁的长度4。如图2所示，管壁厚度为t，缺陷深度为a，b是管壁内没有缺陷处的磁通，d是管壁内有缺陷处的磁通。a和c分别是管内无缺陷和有缺陷处对应的空气处的漏磁通。设永磁体产生的总磁通为，则有： 检测系统的漏磁信号大小取决于c，而信噪比取决于c/a的比率，定义c/a。 对于长为lm宽为w的永磁体，如产生的磁感应强度为Bm，则有： 因为气隙和管壁厚度相对于直径来说很小，可认为wd，d为管道直径，从而可以求出满足 最大时的lm值，此时检测到的信号最好。 在检测的过程中，由于受磁铁吸力、管道摩擦力、障碍物的阻力等，漏磁传感器在检测时需要一定的牵引力，为了减小这个牵引力，设计了4个导轮。导轮的设计不但减小了漏磁传感器运行时的摩擦力，还使探头与管道之间保持一定距离，减少了磁铁吸力，从而使运行时的阻力变小。如图3所示，由于导轮的存在，在不考虑克服障碍物时计算漏磁探头所需的牵引力可以简化为： 其中 为摩擦系数，F牵引力为使漏磁传感器平稳运行所需要的最小动力。 在实际的检测中，为了适应检测不同的管径，设计把传感器、永磁体、导磁体等器件装在一个探头中，提高了检测的效率及可靠性。其中每组霍尔元件和其励磁装置等一起组成一个检测模块单元，不同组之间通过链节铰接而成。传感器与其他器件组成的探头简化装配示意图如图4所示。 2 传感器性能及实验结果 对于一个管道内半径为97.5mm、外半径为109.5mm、壁厚为12mm的管道，对其施加0到50mT磁场，应用笔者设计的漏磁无损检测传感器测得的电压显示结果如图5所示，其中永磁体长56mm，厚15mm，其边缘距离管壁4.5mm，漏磁传感器共有 50组霍尔元件组成检测模块。 图中纵坐标为磁发生器产生的磁场，横坐标为对应测量所得的电压值，由图5可以看出，系统具有非常好的线性度。 对于一个长10mm，宽3mm，深1.5mm的标准立方体缺陷，通过有限元计算可以得到其磁感应曲线分布图5，图6是实际测量的径向磁场和计算所得的磁场的比较图。从图中可以看出，如果有效的去除测量结果中的噪声，则测量结果和计算结果是非常接近的，从而说明了该漏磁传感器具有很高的准确度。 3 结论 该文设计的漏磁无损检测传感器，实验室条件下其壁厚测量误差小于0.5mm，最小裂缝检测长度8mm，具有良好的线性度和准确度。但是实际的工业管道测试中还存在着一些不确定因素，它需要做出进一步的深入研究。参考文献1Jens Haueisen，Ralf Unger，Thomas Beuker.Evaluation of Inverse Algorithms in the Analysis of Magnetic Flux Leakage DataJ.IEEE Transactions on Magnetics，2002，(38)：14811488.2S.Mandayan，L.Udpa，S.S.Udpa，andW.Lord.Invariance Transformation for Magnetic Flux Leakage SignalsJ.IEEE Transactions On Magnetics，1996，(32)：15771580.3金建华，康宜华，武新军，等.用集成霍尔元件定量检测缺陷漏磁场的特点J