脉冲涡流检测信号影响因素分析

脉冲涡流检测信号影响因素分析

测量压力容器、管道、电压炉和其他设备的壁厚，是安全运行的重要因素。然而,由于大部分压力容器和压力管道都带有包覆层,按照常规方法测厚时,必须去除设备外附的保温结构或防腐结构,检测成本高、效率低。20世纪70年代出现的脉冲涡流检测技术,由于可实现带包覆层的壁厚检测,近年来被广泛应用于金属设备的腐蚀和壁厚测量。脉冲涡流传感器通过接收其在试件中激发的瞬变涡流衰减产生的二次电磁场信号,获得被测试件的信息,因而检测信号受到激励参数和被测试件电磁参数的影响。已有的激励参数和试件电磁参数对检测信号的分析主要采用信号的特征量,如峰值、峰值时间和过零时间等,检测对象多为铝或铜等非铁磁性材料及金属包层、涂层等薄壁(几微米至几毫米)铁磁性材料。而目前工业管道、压力容器等构件多为碳钢类铁磁性材料制作,且壁厚一般较大,涡流在金属壁中扩散的时间长,需要研究检测信号全波形特征来判别被测试件的壁厚和腐蚀状况。脉冲涡流检测中采用的激励方式为具有一定占空比的方波。在一个周期内,方波由低电平上升至高电平或由高电平下降至低电平时,都会在被测试件中激发瞬态涡流。试件中涡流的大小、分布情况和扩散时间不仅与激励参数有关,还与试件的磁导率和电导率有关。针对试件的电磁参数所选择的激励参数将影响脉冲涡流检测的效率和准确性,因此,有必要研究各参数对脉冲涡流检测的影响。为避免物理实验方法巨大的工作量,笔者采用基于AN-SYS的有限元模拟的方法进行研究。首先建立了脉冲涡流检测有限元模型,并用试验证了模型的正确性,从而为仿真分析奠定基础。然后通过分析脉冲涡流激励信号的特征,研究了重复频率、占空比及边沿斜率对检测信号的影响,为实际检测中激励参数的选择提供参考。最后,在确定的激励条件下,研究了材料磁导率、电导率及其组合对检测的影响,为脉冲涡流检测应用中的信号解释、干扰去除等提供依据。上述研究将为推进脉冲涡流检测在工程中的进一步应用奠定基础。1检测波的特性分析根据脉冲涡流检测理论分析可知,铁磁性构件的脉冲涡流检测信号波形由满足逆幂率和指数衰减特性的两部分曲线构成。在双对数坐标系下具有上述特性的信号波形如图1所示:Ⅰ对应逆幂率段(直线段),Ⅱ对应指数衰减段。对于不同厚度的构件,其检测信号的直线段重合在一起,差别主要体现在指数衰减段。指数衰减段按厚度大小分离,厚度越大,衰减越慢,要求的检测时间越长,信号越微弱,容易受背景噪声干扰,因而增加了检测难度。2d磁场分析单元的空气建模为消除电路等仪器特性对脉冲涡流检测的影响,从理论上获取影响脉冲涡流检测信号的各种因素,采用有限元方法研究脉冲涡流检测信号。根据脉冲涡流原理建立的仿真模型如图2所示,包括传感器、被测试件及周围空气。为简化模型,取长宽相等的钢板作为被测试件,并将传感器置于平板中央位置。整个模型关于传感器轴线成中心对称,因此可以简化为二维轴对称模型。选取2D磁场分析单元PLANE53单元给传感器、被测试件、内层空气建模,并用INFIN110单元给远场空气建模。传感器由两个同轴的空心圆柱线圈组成,激励线圈在外,接收线圈在内。其中激励线圈内径为40mm,外径为80mm,高度为40mm,匝数800匝;接收线圈内径为10mm,外径为30mm,高度为15mm,匝数1200匝。传感器轴线垂直于被测钢板,为模拟包覆层的厚度,将传感器下端面至钢板的距离设为18mm。被测钢板长度和宽度均为400mm,厚度为20mm,材料为Q235钢,相对磁导率μr,取为250,电导率取7.14×106S/m。在钢板厚度分别为15,20和25mm的情况下,利用ANSYS10.0软件对图2的仿真模型进行了有限元分析。提取激励方波低电平段的各个计算步长结束时刻接收线圈中的电动势降(即感应电压)值,在双对数坐标下绘出的感应电压随时间变化曲线如图3中的虚曲线所示。为验证仿真模型的正确性,使用自研制的脉冲涡流测厚仪对15,20和25mm厚钢板进行了实际测量,实测的感应电压-时间曲线如图3中的实曲线所示。排除仪器的噪声干扰,仿真和试验曲线吻合良好,表明该仿真模型是正确的。3率f的确定图4为仿真模型激励线圈中所施加的方波电流,T为方波周期,幅值I0=6A,重复频率f=1/THz,占空比为t1/T×100%,边沿斜率用t2(ms)表示。保持模型的其他参数不变,依次改变与激励线圈耦合的CIRCU124单元独立电流源的实常数:周期、脉宽和上升/下降时间,研究方波重复频率、占空比和边沿斜率对检测信号的影响。3.1最高检测频率的确定方波的占空比为50%,边沿斜率为1ms时,分别在重复频率为0.625,1和2.5Hz下进行仿真,得到了三种频率下的脉冲涡流检测信号,见图5。从图5可以看出,0.625Hz时的检测信号包含直线段和曲线段,且曲线段较长;1Hz时的检测信号重叠在0.625Hz时的检测信号中,也包含直线段和曲线段,曲线段较短;2.5Hz时的检测信号也重叠在0.625Hz时的检测信号中,只有直线段,曲线段消失。比较三条曲线可得:频率越低,曲线段越长;随着频率的升高,曲线段缩短直至消失。因此,对某一厚度的被测试件,其存在最高检测频率。实际检测中一般根据试件的公称厚度预选一个频率,再综合考虑检测效率进行调整,选择合适的方波重复频率。3.2流检测信号的时间保持方波的重复频率为1Hz,边沿斜率为1ms不变,分别在方波占空比为20%,50%和80%下进行仿真试验,得到了三种占空比下的脉冲涡流检测信号,见图6。前面已提及,文中提取脉冲涡流检测信号的时间为激励方波的低电平段。方波的占空比分别为20%,50%和80%时,检测时间依次为0.8,0.5和0.2s。当检测时间小于涡流扩散至试件下底面所需的时间时,检测信号将只包含直线段,因而不能反映试件的厚度信息。图6中占空比为80%的检测信号即为这种情况。占空比为20%和50%的检测信号都包含曲线段,且20%时的曲线段较长。从这方面来讲,占空比越小越好;但另一方面,实际检测中,方波高电平持续时间不能小于在试件中建立稳定磁场需要的时间,否则检测信号将不稳定。因此,在方波周期确定后,占空比不能过小,实际检测中通常选择50%占空比的方波。3.3脉冲涡流检测信号分析保持方波的重复频率为1Hz,占空比50%不变,分别在方波边沿斜率为1,5和10ms下进行仿真试验,得到了三种边沿斜率下的脉冲涡流检测信号(图7)。从图7可以看出,三种边沿斜率下的检测信号的曲线段重合,直线段随着斜率的增加有变陡变短的趋势。具体表现为:斜率为5ms时的直线段较1ms的直线段上扬,斜率为10ms时的直线段开始处明显上翘。可以预见,当边沿斜率增加至检测信号的直线段消失时,检测信号的特征将发生改变。因此,实际检测中,为使脉冲涡流检测信号的曲线特征明显,方波的边沿斜率应尽可能小。4铁磁性材料导磁性与导电磁性的综合效应脉冲涡流检测以电磁感应原理为基础,被测试件的电磁特性必然会对检测信号产生影响。由于脉冲涡流的响应是对铁磁性材料导电性与导磁性的综合效应,既包含了材料磁导率作用的贡献,也包含了材料电导率的贡献。为分析试件的磁导率和电导率对脉冲涡流检测的电磁作用的大小,保持激励方波参数不变,仅改变仿真模型中被测钢板的磁导率、电导率,研究了两者单独变化及乘积相等时检测信号的变化规律。4.1相对磁导率的影响保持被测钢板厚度为20mm,电导率为7.14×106S/m不变,通过仿真得到其相对磁导率分别为400,250和100时的脉冲/涡流检测信号(图8)。可见,相对磁导率为100时,检测信号的曲线段最长,直线段最短;相对磁导率为400时,检测信号的曲线段最短,直线段最长;相对磁导率为250时,检测信号的直线段和曲线段长度居中。这说明对于磁导率大的被测试件,为保证检测信号的完整性,需降低激励方波重复频率。图中放大的区域显示三个检测信号的直线段互相分开,且相对磁导率越大,直线段的幅值越大。这是因为在相同的磁化条件下,磁导率越大,在被检测材料表面激励产生的涡流密度就越大,接收线圈拾取的感应信号也越强。4.2检测信号直线段长度的变化为分析电导率对脉冲涡流响应的贡献,保持被测钢板的相对磁导率为250不变,通过仿真得到了其电导率分别为17.85×106,7.14×l06和4.462×106S/m时的脉冲涡流检测信号,见图9。与磁导率的贡献相似,检测信号直线段的长度也随着电导率的增大而增大,曲线段长度随电导率的增大而减小,感应电压的幅值也随电导率的增大而增大。对于电导率大的被测试件,为保证检测信号的完整性,需降低激励方波重复频率。所不同的是图9中三条曲线的直线段区分得更为明显,即感应电压的幅值随电导率增长得更快。如电导率增大1.5倍(由7.14×106S/m增至17.85×106S/m)时,直线段的幅值增长了约0.54倍;而相对磁导率增大1.5倍(由100增至250)时,直线段的幅值增长约0.12倍。这说明电导率较磁导率对感应电压幅值增长的贡献大。4.3脉冲涡流检测前面谈到脉冲涡流响应是对铁磁性材料导电性与导磁性的综合效应,因此当两种铁磁性材料的电导率δ1,和σ2、磁导率μ1,和μ2之间均存在明显差异,而它们的电导率与磁导率的乘积相等时,即σ1μ1=σ2μ2的情况下,两者对脉冲涡流检测仪的电磁作用大小应该相等。图10仿真了三种电磁特性不同而厚度相同的钢板的脉冲涡流响应,它们的电导率与磁导率的乘积σμ=2.24×103m-2·S。从图中可以看出,三个检测信号的形态一致,它们的直线段和曲线段长度相等。这说明电、磁特性不同而厚度相同的被测试件,只要它们的电导率和磁导率乘积相等,则脉冲涡流检测信号的特征一致,仅有幅值上的差别。实际脉冲涡流检测中,通常将试件某一待测点的检测曲线作为参考曲线,然后对试件其他待测点依次进行检测并与参考曲线比较,最终获取整个试件的厚度信息。这里的参考曲线的作用相当于获取被测试件的电导率和磁导率的乘积,使得不同待测点的检测信号只与厚度相关。5脉冲涡流检测的最佳工艺参数确定运用有限元研究和分析了激励参数和试件电磁参数对脉冲涡流检测信号的影响,得出如下结论:(1)激励方波的重复频率直接影响脉冲涡流的厚度检测范围。重复频率越低,可检测的试件厚度越大。(2)在重复频率一定的条件下,激励方波的占空比越小,可检测的试件厚度越大,但受到在试件中建立稳定磁场所需要的时间的限制,占空比不能过小,实际检测中占空比取50%为宜。(3)激励方波的边沿斜率影响脉冲涡流检