管道漏磁無(wú)損檢測(cè)傳感器的研制

管道漏磁無(wú)損檢測(cè)傳感器的研制

0檢測(cè)方法的選取由于國(guó)內(nèi)外的石油和天然氣管道施工不斷錯(cuò)誤，管道容易發(fā)生形狀變化，導(dǎo)致腐蝕和裂紋等錯(cuò)誤和損壞，以及油氣泄漏，這將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和損害，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)定期檢查工業(yè)管道。目前的管道檢測(cè)技術(shù)主要有漏磁檢測(cè)、超聲檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)等。超聲法測(cè)量壁厚精度較高,是一種接觸式單點(diǎn)檢測(cè)方法,但是檢測(cè)效率低。渦流法主要用于檢測(cè)管道表層缺陷,如要檢測(cè)管道內(nèi)部缺陷,需從管道內(nèi)部穿過(guò),結(jié)構(gòu)復(fù)雜。射線檢測(cè)對(duì)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(cè)法有很高的檢測(cè)速度,對(duì)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(chǔ)罐罐底的腐蝕檢測(cè)和鋼絲繩、鋼板、鋼塊等鐵磁材料的無(wú)損檢測(cè)中。國(guó)家“十五”863項(xiàng)目“海底管道內(nèi)爬行器及檢測(cè)技術(shù)”中,以漏磁檢測(cè)法設(shè)計(jì)了管道檢測(cè)系統(tǒng),文中將對(duì)其中的漏磁檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)及其相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。1丟失磁體檢測(cè)傳感器的原理和設(shè)計(jì)1.1線性關(guān)系的測(cè)量漏磁檢測(cè)的原理是通過(guò)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(cè)管道缺陷引起的漏磁通,所以磁敏元件的選擇是漏磁測(cè)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(cè)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(cè)線圈的靈敏度、溫度特性和線性度都可以,但線圈測(cè)量磁感應(yīng)時(shí)只能測(cè)量變化的磁場(chǎng),當(dāng)磁場(chǎng)變化緩慢時(shí),線圈很難測(cè)到,而且線圈和磁場(chǎng)之間運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度變化也會(huì)影響測(cè)量值的大小?；魻栐歉鶕?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(chǎng)中,則產(chǎn)生一個(gè)和電流及磁場(chǎng)方向垂直的電場(chǎng),亦即產(chǎn)生一電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)?；魻栯妱?dòng)勢(shì)可以表示為:Vh=IBneb(1)Vh=ΙBneb(1)式中Vh表示霍爾電動(dòng)勢(shì),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(qiáng)度。令Kh=(neb)-1為霍爾元件靈敏度,由式(1)則磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí),由式(2)可以看出,磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾電動(dòng)勢(shì)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(shí)它也具有溫度特性好和高靈敏度的特點(diǎn),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(jì)算器漏磁檢測(cè)傳感器電路由霍爾元件、恒流源差動(dòng)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(dòng)電路用于將霍爾電動(dòng)勢(shì)放大,穩(wěn)壓電路將系統(tǒng)送來(lái)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(cè)量精確度,消除溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量帶來(lái)的誤差,裝置中加入溫度檢測(cè)電路,隨時(shí)測(cè)量溫度值并記錄存儲(chǔ),作為對(duì)霍爾溫度誤差的補(bǔ)償。溫度傳感器選用美國(guó)AD公司的器件AD590,它的溫度測(cè)量范圍是-55～+100℃。當(dāng)器件外加4～30V電壓時(shí),能提供1μΑ/K的恒定電流。1.3永磁體檢測(cè)系統(tǒng)原理在設(shè)計(jì)傳感器時(shí),將多片霍爾元件均勻分布在一個(gè)探頭周?chē)?再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換并傳送至上位機(jī)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(cè)到的周向最小缺陷檢測(cè)長(zhǎng)度lc和徑向最小缺陷檢測(cè)長(zhǎng)度lr來(lái)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(yùn)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(gè)數(shù)N,再取實(shí)際需要的霍爾元件的個(gè)數(shù)。一般說(shuō)來(lái),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(cè)長(zhǎng)度lr都能滿足要求,N主要根據(jù)周向最小檢測(cè)長(zhǎng)度lc來(lái)計(jì)算,對(duì)于一個(gè)Φ219mm的管道,當(dāng)要求其周向最小檢測(cè)長(zhǎng)度為14mm時(shí),其霍爾元件數(shù)至少為50片。傳感器的勵(lì)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(qiáng)度,小的矯頑力,并且價(jià)格較低、加工性能好,能適應(yīng)檢測(cè)時(shí)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(diǎn)。在整個(gè)檢測(cè)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(guò)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(zhǎng)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(méi)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(wú)缺陷和有缺陷處對(duì)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(cè)系統(tǒng)的漏磁信號(hào)大小取決于Φc,而信噪比取決于Φc/Φa的比率,定義λ=Φc/Φa。對(duì)于長(zhǎng)為lm寬為w的永磁體,如產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm,則有:Φ=Φa+Φb=Φc+Φd=Bmlmw(6)因?yàn)闅庀逗凸鼙诤穸认鄬?duì)于直徑來(lái)說(shuō)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(shí)的lm值,此時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)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(cè)的過(guò)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(cè)時(shí)需要一定的牽引力,為了減小這個(gè)牽引力,設(shè)計(jì)了4個(gè)導(dǎo)輪。導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)不但減小了漏磁傳感器運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(shí)計(jì)算漏磁探頭所需的牽引力可以簡(jiǎn)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(yùn)行所需要的最小動(dòng)力。在實(shí)際的檢測(cè)中,為了適應(yīng)檢測(cè)不同的管徑,設(shè)計(jì)把傳感器、永磁體、導(dǎo)磁體等器件裝在一個(gè)探頭中,提高了檢測(cè)的效率及可靠性。其中每組霍爾元件和其勵(lì)磁裝置等一起組成一個(gè)檢測(cè)模塊單元,不同組之間通過(guò)鏈節(jié)鉸接而成。傳感器與其他器件組成的探頭簡(jiǎn)化裝配示意圖如圖4所示。2漏磁傳感器檢測(cè)對(duì)于一個(gè)管道內(nèi)半徑為97.5mm、外半徑為109.5mm、壁厚為12mm的管道,對(duì)其施加0到50mT磁場(chǎng),應(yīng)用筆者設(shè)計(jì)的漏磁無(wú)損檢測(cè)傳感器測(cè)得的電壓顯示結(jié)果如圖5所示,其中永磁體長(zhǎng)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(cè)模塊。圖中縱坐標(biāo)為磁發(fā)生器產(chǎn)生的磁場(chǎng),橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)測(cè)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(duì)于一個(gè)長(zhǎng)10mm,寬3mm,深1.5mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體缺陷,通過(guò)有限元計(jì)算可以得到其磁感應(yīng)曲線分布圖,圖6是實(shí)際測(cè)量的徑向磁場(chǎng)和計(jì)算所得的磁場(chǎng)的比較圖。從圖中可以看出,如果有效的去除測(cè)量結(jié)果中的噪聲