基于電磁感應測量管道腐蝕量的傳感器設計

基于電磁感應測量管道腐蝕量的傳感器設計劉曉青張濤（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，西安710300）摘要：針對瞬變電磁檢測技術探頭開展研究。首先介紹瞬變電磁技術原理，分析目前幾種聚焦探頭的優(yōu)缺點，然后根據(jù)設計要求提出一種新型瞬變電磁聚焦探頭結構，解決瞬變電磁探頭不聚焦，能量小及設備笨重等缺點，最后通過有限元仿真驗證新型聚焦探頭的聚焦效果，結果表明新型聚焦探頭使磁場的主要能量聚焦在半徑小于0.3m。為瞬變電磁技術探頭優(yōu)化設計及精確測量金屬管道腐蝕量提供了有效的參考價值。關鍵字：研究，探頭，聚焦，設計，參考價值DesignofsensorformeasuringpipelinecorrosionbasedonelectromagneticinductionLiuXiaoqingZhangTao（ShaanxiInstituteofTechnology，Xi'an,710300,China）Abstract:Researchonprobesfortransientelectromagneticdetectiontechnology.Firstly,theprincipleoftransientelectromagnetictechnologyisintroduced,andtheadvantagesanddisadvantagesofseveralkindsoffocusingprobesareanalyzed.Then,anewtypeoftransientelectromagneticfocusingprobestructureisproposedaccordingtothedesignrequirements,whichsolvestheshortcomingsoftransientelectromagneticprobes,suchasnon-focusing,lowenergyandheavyequipment.Finally,Thefocusingeffectofthenewfocusingprobewasverifiedbyfiniteelementsimulation.Theresultsshowthatthenewfocusingprobefocusesthemainenergyofthemagneticfieldataradiusoflessthan0.3m.Itprovidesaneffectivereferencevalueforoptimizingthedesignoftransientelectromagnetictechnologyprobesandaccuratelymeasuringthecorrosionamountofmetalpipes.Keywords:research,probe,focus,design,referencevalue1.前言目前管道運輸方式逐漸成為重要的運輸方式，金屬材質的管道隨著服役年限的增加會暴露出各種各樣的安全隱患[1]。對于長期處于潮濕環(huán)境的埋地金屬運輸管道會加快腐蝕導致管壁變薄，進而造成管內(nèi)介質外泄遇到明火時發(fā)生安全事故[2]。傳統(tǒng)的瞬變電磁探頭主要是通過單線圈或者多個線圈組合向地下激發(fā)電磁場。傳統(tǒng)瞬變電磁探頭設計具有以下缺點[3-4]。（1）激發(fā)的電磁場能量小，由金屬管道本身存在歐姆消耗，造成磁場擴散到埋地金屬表面時形成的渦流效應響應太小，使接收信號信噪比低且容易失真。（2）激發(fā)的電磁場不聚焦，致使磁場在空間太分散，當擴散到埋地金屬管道表面時覆蓋范圍過大，進而對管道孔狀或者點蝕缺陷檢測靈敏度不高。（3）激發(fā)的電磁場頻率單一，體積較大，檢測成本較高。2.瞬變電磁技術原理瞬變電磁技術又稱時域電磁法（簡稱TEM）。通過給發(fā)射線圈施加階躍型電流信號在空間產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場，然后瞬間關斷電流信號，在地下管道的表面上形成渦流，由于管體本身和周圍介質的歐姆損耗，渦流隨著時間慢慢衰減形成二次磁場，二次磁場信息被地面上的接收線圈接收且以電壓變化的形式表示出來[5]。二次磁場的變化攜帶著地下管道本身的特征信息，且與管道材質，壁厚，提離高度有著密切關系[6]。3.幾種瞬變電磁聚焦探頭通過調研了解到目前瞬變電磁聚焦探頭主要由一定結構的多個線圈組成，線圈通電后對周圍電磁場進行矢量疊加，實現(xiàn)對空間帶電粒子進行聚焦和約束。聚焦結構根據(jù)形狀可分為半球型陣列、圓環(huán)型陣列、上（下）塔型陣列及矩形面陣列見圖1。通過ansysmaxwell有限元仿真軟件對每一種聚焦探頭進行模擬得到距離探頭正下方1m處的磁場分布情況見下表1[7]。圖1幾種聚焦探頭結構表１五種聚焦線圈參數(shù)對比探頭結構磁感應強度/T聚焦效果互感強度加工難易程度半球型1.6648×10-5較好一般較難圓環(huán)型1.9347×10-5最好最大最難上塔型1.2684×10-5一般較小容易下塔型1.3365×10-5一般較小容易矩形面陣列型1.4498×10-5較好一般容易通過對比5種線圈都有很好的聚焦效果，其中圓環(huán)型聚焦效果最好，但是加工最難且互感強度最大；半球型和矩形面陣列型聚焦效果較好，但是半球型加工也較難；上、下塔型聚焦效果一般也容易加工[8]。以上聚焦探頭共同點在于都是通過若干個線圈組合而成，在實際應用中比較笨重，需要搭配支撐架來完成檢測，這就對支撐架的結構和材料有很高的要求，進而帶來的檢測成本增加，因此本文提出一種新型聚焦探頭，解決瞬變電磁探頭不聚焦，能量小及設備笨重等缺點。4.瞬變電磁探頭設計4.1瞬變電磁探頭結構設計瞬變電磁探頭主要目的是聚焦磁場能量，提高磁場能力及局部缺陷的檢出率。其設計要求要達到磁場聚焦在半徑小于0.4m的圓形區(qū)域內(nèi)，磁感應強度達到1.2×10-5T以上。設計原則是穩(wěn)定性高，互感效應小，電路穩(wěn)定及設備輕便等。如下圖2為探頭總體結構頭，圖3為截面圖。圖2探頭總體結構圖圖3探頭橫截面圖瞬變電磁探頭結構包括外層圓柱管骨架，外層圓柱管骨架的表面纏繞發(fā)射線圈，發(fā)射線圈安裝有信號線1；外層圓柱管骨架內(nèi)設置有內(nèi)層圓柱管骨架，內(nèi)層圓柱管骨架的外表面纏繞接收線圈，接收線圈安裝有第二信號線2；外層圓柱管骨架與內(nèi)層圓柱管骨架之間設置有磁芯，磁芯內(nèi)外表面用四氟布包裹緊密安裝在外圓柱管骨架和內(nèi)圓柱管骨架之間。磁芯由四個1/4圓環(huán)型磁芯柱裝配而成，且四個圓環(huán)型磁芯柱采用不同的磁性材料，并緊密地連接在一起形成磁芯圓筒。磁芯主要的功能是使激發(fā)的電磁場能量大，頻率成分多且空間聚焦。4.2瞬變電磁探頭工作原理首先外接電路連接發(fā)射線圈上的信號線，通過磁芯在空間激發(fā)出磁場能量大，頻率成分多且聚焦的電磁場在地下擴散，當遇到地下金屬管體時會在管體表面形成渦流效應產(chǎn)生二次磁場，二次磁場被接收線圈接收進行分析，提取有效參數(shù)計算金屬管道壁厚損失量。該探頭結構能夠提高點狀腐蝕、孔狀腐蝕和并行管道腐蝕位置的檢測靈敏度。4.3有限元仿真驗證通過ansysmaxwell有限元仿真軟件建立探頭模型，設置合適的網(wǎng)格大小及求解器，計算出該聚焦探頭在正下方1m處的磁場分布和二維梯形圖，如下圖4，圖5[9]。從圖中可以看到磁場聚焦范圍為R=300mm，磁感應強度B=1.4998×10-5。從而驗證該瞬變電磁聚焦探頭滿足設計要求，進一步說明該聚焦結構的合理性。圖4磁場分布云圖圖5磁感應強度梯形圖5總結為了解決傳統(tǒng)聚焦線圈的缺點，根據(jù)設計要求提出一種新型的瞬變電磁聚焦探頭結構，主要由發(fā)射線圈、接收線圈、四氟布、內(nèi)外層骨架及磁芯組成。通過有限元仿真對其聚焦效果進行模擬仿真，結果表明：磁場聚焦范圍在R=300mm內(nèi)，磁感應強度為B=1.4998×10-5，達到設計要求。該探頭能夠有效地提高金屬管道點狀腐蝕和孔狀腐蝕量的檢測靈敏度，為以后在現(xiàn)場應用提供參考價值。參考文獻[1]吳信民,張振坤,徐劍波.瞬變電磁法理論的探測深度問題[J].地球物理學進展,2015,30(03):1333-1336.[2]薛國強,于景邨.瞬變電磁法在煤炭領域的研究與應用新進展[J].地球物理學進展,2017,32(01):319-326.[3]BowlerJ,JohnsonM.Plusededdy-currentresp-onsetoaconductinghalf-space[J].IEEETrans-actionsonMagnetics,1997,33(3)：2258-2264.[4]薛國強,武欣,李海,底青云.多道瞬變電磁法(MTEM)國外研究進展[J].地球物理學進展,2016,31(05):2187-2191.[5]馬炳鎮(zhèn).瞬變電磁法回線源形態(tài)對一次場畸變特征研究[J].煤田地質與勘探,2017,45(06):154-158.[6]蒙超.大回線瞬變電磁法淺層探測研究[D].煤炭科學研究總院,2017.[7]張維景,胡博,于潤