專利名稱：高信噪比的磁性無損檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種奧氏體不銹鋼管內(nèi)部氧化物的磁性無 損檢測裝置，用于無損檢測奧氏體不銹鋼管道內(nèi)氧化物。本發(fā)明的磁性無損檢測探頭的背 底噪聲信號低、信噪比高，特別適用于對檢測信號較弱的厚壁管道等進行檢測。
背景技術(shù)：
電廠鍋爐中的奧氏體不銹鋼管道在運行過程中內(nèi)壁發(fā)生氧化，達到一定厚度時會熱應(yīng) 力作用而剝落，沉積在管道下彎頭附近而影響鍋爐的安全運行，需要通過無損檢測的方法 進行檢測。
ZL03 1 09490.2中給出了一種磁性無損檢測方法及檢測裝置。該檢測方法中，檢測探 頭中的永磁體建立的穩(wěn)恒磁場在鋼管外部對氧化物磁化，磁場敏感元件從管道外部檢測氧 化物產(chǎn)生的雜散磁場信號，借助于該檢測信號判斷管道內(nèi)氧化物的存在與否。所提供的檢 測裝置采用線性霍爾元件作為磁場敏感元件。該磁場敏感元件對于檢測管道周圍環(huán)境中背 底磁場的感應(yīng)信號形成了檢測裝置的一種背底噪音，它與受檢管道內(nèi)的氧化物無關(guān)。具體 表現(xiàn)為檢測裝置的空間方位變化造成檢測信號波動，下面將其稱作空間方位噪音。安置著 單個磁場敏感元件的探頭，對于地磁場自身的相應(yīng)所造成的這種空間方位噪聲一般情況下 可以達到土0.6mV (未經(jīng)過信號放大處理的原始信號強度，下同)。這樣，在雙磁極方式的 檢測裝置中，檢測探頭與參比探頭的獨立空間方位變化可能導(dǎo)致的檢測信號波動最大可達 2mV左右。再考慮其他來源的磁場的影響，或者在鍋爐內(nèi)部大量金屬管道在地磁場中磁化 而使背底磁場加強，影響還會更大。
現(xiàn)有技術(shù)中的磁性無損檢測裝置，其檢測信號隨著受檢管道壁厚的增大呈指數(shù)規(guī)律降 低。故此，當(dāng)管道的壁厚增大時，檢測信號的強度會降低到只有幾個mV的水平。此時， 現(xiàn)有的檢測裝置信噪比過低，在檢測厚壁管道內(nèi)可能存在的強磁性的氧化物時遇到困難。
另外，不銹鋼管道內(nèi)氧化物剝落是導(dǎo)致管道事故的直接原因，其根源則在于管道自身 發(fā)生的氧化。實際已經(jīng)證實，現(xiàn)有的磁性無損檢測方法和裝置能夠?qū)艿辣谏先匀桓街?氧化物產(chǎn)生足夠強的感應(yīng)信號，正常管道的該檢測信號通常不高于8mV，并且大多在2 5mV之間。如果利用該信號來定量化分析管道上附著的氧化皮的厚度情況，從而^f于管道 的氧化情況進行評估，也必須要去除地磁場等因素對于檢測裝置的輸出信號的干擾，消除 檢測裝置的空間方位噪音，提高信噪比。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標是提供一種高信噪比的磁性無損檢測裝置，消除探頭檢測信號的空間方 位噪音，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對于厚管壁的奧氏體不銹鋼管道內(nèi)氧化物以及管道內(nèi)壁仍附著的氧 化物薄層進行準確檢測。
本發(fā)明的磁性無損檢測裝置包括探頭和檢測儀表，探頭內(nèi)安置有永磁體來建立穩(wěn)恒磁 場、磁化受檢管內(nèi)強磁性的氧化物，安置有磁場敏感元件檢測氧化物建立的雜散磁場并將 其轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號，探頭的輸出電壓信號通過導(dǎo)線連接輸送給檢測儀表。其中，在探 頭1內(nèi)安置有降噪用磁場敏感元件4,磁場敏感元件4與檢測用磁場敏感元件3為具有相 同磁場靈敏度的線性霍爾元件，兩者同極性地平行安置；檢測用磁場敏感元件3位于探頭 1工作狀態(tài)下貼近受檢管7的管壁一側(cè)，而降噪用磁場敏感元件4處于探頭1中遠離受檢 管7 —側(cè)；由檢測用磁場敏感元件3和降噪用磁場敏感元件4的輸出信號通過差動方式輸 出探頭1的檢測信號，輸送到檢測儀表。
在本發(fā)明的一種組成結(jié)構(gòu)中，所述探頭1采用雙磁極方式時，為降噪用磁場敏感元件 4配置一個平衡永磁體，如條形永磁體5。通過調(diào)節(jié)該條形永磁鐵5與降噪用磁場敏感元 件4的相對位置，減小探頭l的背底信號，最好使背底信號減小到零。所述配置的條形永 磁體5為降噪用磁場敏感元件4提供一個平衡磁場，當(dāng)該平衡磁場在降噪用磁場敏感元件 4的檢測方向上的分量與探頭1中永磁體2在檢測用磁場敏感元件3的檢測方向上的分量 相同時，可以消除掉霍爾元件的基本輸出信號的影響，使探頭1的背底信號減小到零。由 此，降噪用磁場敏感元件4及配置的條形永磁體5還同時具備了現(xiàn)有技術(shù)中由檢測探頭和 參比探頭組成的組合探頭的補償功能，從而使檢測裝置無需另裝備參比探頭。
在本發(fā)明的另一種組成結(jié)構(gòu)中，所述探頭1采用單磁極方式時，通過調(diào)整同極性平行 安置的檢測用磁場敏感元3和降噪用磁場敏感元件4在建立穩(wěn)恒磁場的條形永磁體6的兩 個磁極附近的位置，減小探頭1的背底信號，最好使背底信號減小到零。這里，用來對受 檢管7內(nèi)可能存在的氧化物8進行磁化的條狀永磁體6，兼?zhèn)淞松厦嫠鼋M成結(jié)構(gòu)中專門 配置的平衡永磁體提供平衡磁場的幼能，從而使探頭1結(jié)構(gòu)更加簡單。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1)本發(fā)明的檢測裝置，通過探頭中同極性地平行于檢測用磁場敏感元件安置一個降噪 用磁場敏感元件，探頭檢測信號，由它們的差動輸出形成，其中不再隨著探頭的空間方位 變化而改變，克服了地磁場以及其他來源的、在空間位置上變化比較緩慢的磁場的影響， 消除掉了檢測信號中的一個主要背底噪音，大幅度提高了信噪比，提高了檢測信號較弱的情況下檢測的可靠性。
(2) 本發(fā)明的檢測裝置中，通過在雙磁極磁化方式的探頭內(nèi)為降噪用磁場敏感元件配 置平衡永磁體，或者利用單磁極磁化方式的探頭中建立穩(wěn)恒磁場的條形永磁體自身，使檢 測用和降噪用磁場敏感元件在它們的檢測方向上的磁場分量平衡，從而減小了探頭的背底 信號，甚至使探頭的基本輸出信號達到零，同時具備了消除背底信號的功能。這樣，本發(fā) 明的檢測裝置較現(xiàn)有技術(shù)的裝置不但沒有額外增加組成單元，在使用雙磁極方式探頭的檢 測裝置中，探頭自身與現(xiàn)有技術(shù)中的檢測探頭外形、尺寸都非常接近，保持其緊湊、輕巧 的特點，而檢測裝置中無需再配置參比探頭。
(3) 利用本發(fā)明的檢測裝置，能夠?qū)窆鼙趭W氏體不銹鋼管道內(nèi)氧化物的堆積、以及仍 然附著于管壁上的氧化物薄層的進行準確檢測。
此外，本發(fā)明的檢測裝置，不僅可以用來對奧氏體不銹鋼管道中的磁性內(nèi)氧化物進行 檢測，也可以檢測其它來源的磁性異物，它還適用于對無磁容器中的任何磁性物質(zhì)進行無 損檢測，尤其適用于探測那些壁厚不很大的容器中處于比較靠近內(nèi)壁位置上、在不很強的 磁場下就會被磁化而顯示比較高的磁化強度的物質(zhì)的存在與否。
圖l現(xiàn)有技術(shù)中的雙磁極方式檢測探頭的原理結(jié)構(gòu)示意圖。其中，l為檢測探頭，2 為建立穩(wěn)恒磁場的U形永磁體，3為檢測用磁場敏感元件。(對比例)
圖2圖1所示的檢測探頭在北京地區(qū)的水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周時，檢測裝置的lr出信號 的變化曲線。(對比例)
圖3本發(fā)明的檢測裝置中，具有降噪功能的雙磁極方式探頭的一種組成結(jié)構(gòu)方式的 原理結(jié)構(gòu)示意圖。其中，l為探頭，2為建立穩(wěn)恒磁場的U形永磁體，3為檢測用磁場敏感 元件，4為降噪用磁場敏感元件，5為磁場敏感元件4配置的條形永磁體。探頭1的輸出 信號為兩個磁場敏感元件3和4的差動輸出信號。圖中還給出了受檢管7和其中可能存在 的氧化物8，說明檢測裝置工作時探頭的工作位置。
圖4使用圖3所示探頭的本發(fā)明的檢測裝置實施例，其檢測信號隨著探頭1在氷平 面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周過程中的變化曲線。
圖5本發(fā)明的檢測裝置中，具有降噪功能的單磁極方式探頭的一種組成結(jié)構(gòu)方式的原 理結(jié)構(gòu)示意圖。其中，6為永磁體，它建立穩(wěn)恒磁場，并同時為檢測用磁場敏感元件3和 降噪用磁場敏感元件4提供平衡磁場。
具體實施例方式
以下通過檢測裝置的實施例對本發(fā)明予以進一步說明。作為對比，給出了現(xiàn)有技術(shù)的 檢測裝置的一個實施例進行檢測時的工作狀況。
圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中的雙磁極式檢測探頭1，其中的檢測用磁場敏感元件3檢測它 所處位置上的磁場沿著其檢測方向上分量。由于固定于檢測探頭l內(nèi)，檢測用磁場敏感元 件3所檢測的磁場分量方向會隨著檢測探頭1的方向變化而改變。當(dāng)檢測探頭1在水平面 內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周時，其中的磁場敏感元件3也繞著垂線方向同步旋轉(zhuǎn)一周。
如圖2所示，檢測裝置的檢測探頭l自身在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周過程中，而保持檢測裝 置中的參比探頭不動，檢測裝置的檢測信號隨著角度e大致呈現(xiàn)正弦曲線變化，最大值 max與最小值min之間的差別、也就是檢測信號的變化幅度為1.2mV。因此，現(xiàn)有技術(shù)的 檢測裝置檢測信號隨著檢測探頭1的空間方位變化而改變，具有空間方位噪音。這種檢測 信號的空間方向噪音，在檢測探頭l固定不動，移動檢測儀表、從而改變參比探頭的空間 方位時也會表現(xiàn)出來。
圖2所示是圖1中的檢測探頭1對于北京地區(qū)的地磁場響應(yīng)信號的變化曲線。地磁場 的強度大約為0.6 Oe，檢測裝置采用的檢測用磁場敏感元件3的靈敏度大約為1.3 mV/Oe。 在本實施例中，檢測探頭1在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，檢測信號對應(yīng)的是地磁場在水平面內(nèi)360 度的各個方向上的分量。故此，地磁場在檢測用磁場敏感元件3的檢測方向上的分量按照 正弦關(guān)系變化，并且最大相對變化是地磁場在水平方佝上分量的最大值的2倍，大約為0.8 Oe。由此可以確認，地磁場就是圖2所示的檢測裝置的空間方位噪音的來源。
鍋爐現(xiàn)場檢測過程中，檢測探頭1為了能始終緊貼于受檢管7外壁上，其空間位向需 要隨機改變；安置于檢測儀表內(nèi)的參比探頭也會隨意變化空間方位，由此導(dǎo)致其中的檢測 用磁場敏感元件3的檢測方向幾乎隨意變化，包括180度的調(diào)轉(zhuǎn)方向。這就使得每個霍爾 元件的輸出信號產(chǎn)生波動，從而導(dǎo)致檢測裝置的檢測信號具有空間方位敏感的波動背底。 地磁場自身對于檢測探頭1和參比磁場的輸出信號的影響分別都可以達到lmV的量級。 這樣，在雙磁極方式的檢測裝置中'檢測探頭1與參比探頭完全分離、獨立地改變各'自的 空間方位，檢測裝置的檢測信號——也就是來自這兩個探頭中的霍爾元件的差動輸出信 號，僅地磁場的影響在同一位置上就可能產(chǎn)生最大為大約2mV的波動。再考慮其他來源 的磁場的影響，或者在鍋爐內(nèi)部受到大量的金屬管道的影響，地磁場可能導(dǎo)致金屬磁化而 得到加強，影響還會更大。
由于各鍋爐內(nèi)部活動空間相對狹窄，要想保持檢測探頭1在工作時保持地理方位的方向固定不變是不現(xiàn)實的；而且各鍋爐的地理方位、位置不同，地磁場也存在強度差別。這 樣，將不同鍋爐、鍋爐內(nèi)的不同管道、以及同一個管子的不同時間的檢測結(jié)果進行對比時， 這種地磁場及與其有關(guān)的背景磁場的影響具有隨機性，就成為檢測信號的背底噪音。
圖3給出了本發(fā)明的檢測裝置中，具有降噪功能的雙磁極方式探頭1的一種實施例的 原理結(jié)構(gòu)示意圖。與圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的檢測探頭1中相同功能的元件采用相同的數(shù)字 符號標記，它們同樣可以按照現(xiàn)有技術(shù)中雙磁極方式檢測探頭1的方式安置。
本發(fā)明的探頭1中，與檢測用磁場敏感元件3同極性地平行安置一個降噪用磁場敏感 元件4。檢測用和降噪用磁場敏感元件3、 4都是線性的，并且具有相同的磁場靈敏度。圖 示中兩個磁場敏感元件3、 4為垂直紙面的片狀霍爾元件，它們檢測與自身片狀平面垂直 方向上的磁場分量。故此，檢測用和降噪用磁場敏感元件3、 4的平行安置通過它們的片 狀平面平行或者它們的片狀平面的垂直方向平行來實現(xiàn)。片狀霍爾元件片狀平面的垂直方 向就是檢測用和降噪用磁場敏感元件3、 4的檢測方向。檢測用和降噪用磁場敏感元件3、 4的安置位置，使得探頭1在進行檢測時，檢測用磁場敏感元件3貼近受檢管道7的外壁， 而降噪用磁場敏感元件4盡量遠離受檢管道7。
本發(fā)明的檢測裝置中，探頭1中同極性地平行安置著檢測用和降噪用磁場敏感元件3、 4，它們各自的輸出電壓與它們的共同檢測方向上的磁場強度成線性正比關(guān)系，并且二者 之間的比例系數(shù)相同。這樣，檢測點周圍環(huán)境中的地磁場，由于隨著位置的變化非常緩慢， 在檢測用和降噪用磁場敏感.元件3與4所處的位置上變化非常小.，因而對兩者的輸出電壓 的影響幾乎相同。這樣，由它們差動輸出所形成的檢測裝置的檢測信號中互相抵消，從而 消除了地磁場對探頭l的檢測信號的影響。同樣的原理，檢測地點周圍的其他磁性物質(zhì)產(chǎn) 生的磁場，只要是隨著空間位置的變化緩慢地改變，它們的影響都能夠在本發(fā)明的檢測裝 置中得到消除。相對于這些隨著空間位置緩慢變化的磁場來說，由受檢管7內(nèi)部氧化物8 磁化產(chǎn)生的磁場，在其管道外部、特別是管壁附近的空間區(qū)域中，隨著垂直管壁方向上的 距離的增大呈指數(shù)規(guī)律迅速衰減。故此，只要保證探頭1中的檢測用和降噪用磁場敏感元 件3、 4與受檢管7的管壁垂直跑離有較大的不同，就能保證檢測信號足夠強。
圖4中給出了采用圖3所示的本發(fā)明探頭1,檢測裝置的檢測信號隨著探頭1在水平 面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周過程中的變化曲線。這里，檢測信號的波動幅度為土0.1mV，非常顯著地低 于現(xiàn)有技術(shù)的檢測探頭1的波動幅度(圖1和2)，而且這種波動呈現(xiàn)隨機性，不再是正弦 形的變化規(guī)律。這表明本發(fā)明的探頭l有效地消除了空間方位噪音。同時，檢測信號的 波動幅度的顯著降低，使得本發(fā)明的檢測裝置的信噪比大幅度提高，可以確保檢測信號降低到幾個mV的量級、甚至低于lmV時的可靠性。
本發(fā)明的探頭l中，為降噪用磁場敏感元件4配置了一個條形永磁體5作為平衡永磁 體。這里，所配置的條形永磁體5為降噪用磁場敏感元件4提供一個平衡磁場。通過適當(dāng) 選擇這兩者之間的相對位置，可以使該平衡磁場在降噪用磁場敏感元件4的檢測方向上的 分量，與探頭1中建立穩(wěn)恒磁場的U形永磁體2在檢測用磁場敏感元件3的檢測方向上的 磁場分量互相接近，消除掉檢測用和降噪用磁場敏感元件3、 4的基本輸出信號的影響， 減小探頭1的背底信號，當(dāng)這兩個磁場分量達到平衡時，可以使該背底信號達到零。這樣， 降噪用磁場敏感元件4及配置的條形永磁體5還同時具備了現(xiàn)有技術(shù)中由檢測探頭和參比 探頭組成的組合探頭的補償功能，從而使檢測裝置無需另裝備參比探頭。
圖5中示意性給出了本發(fā)明中具有降噪功能的單磁極方式探頭的一種實施方式的原理 結(jié)構(gòu)。在單磁極方式的探頭l中，在建立穩(wěn)恒磁場用的條形永磁體6的兩個異號磁極附近 區(qū)域中，分別安置的檢測用磁場敏感元3和降噪用磁場敏感元件4，它們要同極性地互相 平行安置，從而具備消除地磁場等漸變性的背底磁場造成的空間方位噪音。同時，適當(dāng)調(diào) 節(jié)互相平行的檢測用磁場敏感元3和降噪用磁場敏感元件4所組成的"元件對"在永磁體 6的兩個磁極附近的位置，使得永磁體6在它們的檢測方向上的磁場分量互相接近，就可 以減小探頭1的背底信號，當(dāng)完全達到平衡時，可以使該背底信號減小為零。這里，用來 對受檢管7內(nèi)可能存在的氧化物8進行磁化的條狀永磁體6,兼?zhèn)淞松厦嫠鰧嵤├袑?門配置的平衡永磁體的提供平衡磁場的功能，從而是探頭結(jié)構(gòu)更加簡單。. -
本發(fā)明的檢測裝置不局限于上述實施例。探頭具備消除檢測信號中檢測環(huán)境的背底磁 場所產(chǎn)生的空間方位噪音功能是本發(fā)明的關(guān)鍵。為此，可以考慮在雙磁極式探頭中采用與 建立穩(wěn)恒磁場的U形永磁體2等尺寸、反向開口的U形永磁體，或者用較小尺寸的U形 永磁體，或者其他任意形狀的永磁體做為平衡永磁體，由它們?yōu)榻翟胗么艌雒舾性?提 供磁場來平衡檢測用磁場敏感元件3所處位置上的磁場，消除背底信號使得探頭的基本輸 出達到零；也可以在單磁極式探頭中采用變橫截面的條形永磁體或其他橫截面形狀的永磁 體，也可以另外安置永磁體、甚至使用其他的強磁性材料來為降噪用磁場敏感元件'4提供 平衡磁場，等等。類似的實施變例都屬于本發(fā)明的范疇。
另外，本發(fā)明的說明書中提供的檢測信號數(shù)值，都是采用商業(yè)的霍爾元件得到的"原 始"數(shù)值，并且會隨著霍爾元件的供電電壓的數(shù)值變化而相應(yīng)地增大或減??；而探頭的檢 測信號則可以通過電子電路進行處理。因此，檢測信號的絕對數(shù)值大小，不能夠作為是否 超越本發(fā)明范圍的判據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種高信噪比的磁性無損檢測裝置，包括探頭和檢測儀表，探頭內(nèi)安置有建立穩(wěn)恒磁場的永磁體來磁化受檢管內(nèi)強磁性的氧化物，安置有磁場敏感元件檢測氧化物建立的雜散磁場并將其轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號，探頭的輸出電壓信號通過導(dǎo)線連接輸送給檢測儀表，其特征在于，探頭(1)內(nèi)安置有降噪用磁場敏感元件(4)，降噪用磁場敏感元件(4)與檢測用磁場敏感元件(3)具有相同磁場靈敏度的線性霍爾元件，兩者同極性地平行安置；檢測用磁場敏感元件(3)位于探頭(1)工作狀態(tài)下貼近受檢管(7)的管壁一側(cè)，而降噪用磁場敏感元件(4)處于探頭(1)中遠離受檢管(7)一側(cè)；由檢測用磁場敏感元件(3)和降噪用磁場敏感元件(4)的輸出信號通過差動方式輸出探頭(1)的檢測信號，輸送到檢測儀表。
2、 如權(quán)利要求1所述的高信噪比的磁性無損檢測裝置，其特征在于，本發(fā)明一種的 組成結(jié)構(gòu)中，所述探頭O)采用雙磁極方式時，為降噪用磁場敏感元件(4)配置一個條 形永磁體(5)，通過調(diào)節(jié)條形永磁體(5)與降噪用磁場敏感元件(4)的相對位置，減小探頭(1)的背底信號，使該背底信號減小到零。
3、 如權(quán)利要求1所述的高信噪比的磁性無損檢測裝置，其特征在于，本發(fā)明的另一 種組成結(jié)構(gòu)中，所述探頭(1)采用單磁極方式時，通過調(diào)整同極性平行安置的檢測用磁 場敏感元(3)和降噪用磁場敏感元件(4)在條形的永磁體(6)的兩個磁極附近的位置， 減小探頭(1)的背底信號，使背底信號減小為零。
全文摘要
一種高信噪比的磁性無損檢測裝置，涉及磁性無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明探頭內(nèi)安置有建立穩(wěn)恒磁場的永磁體，來磁化受檢管內(nèi)強磁性的氧化物，安置有磁場敏感元件檢測氧化物建立的雜散磁場并將其轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號，安置有降噪用磁場敏感元件，它是與檢測用磁場敏感元件具有相同磁場靈敏度的線性霍爾元件，兩者同極性地平行安置；檢測用磁場敏感元件位于探頭工作狀態(tài)下貼近受檢管的管壁一側(cè)，而降噪用磁場敏感元件處于探頭中遠離受檢管一側(cè)；由檢測用磁場敏感元件和降噪用磁場敏感元件的輸出信號通過差動方式輸出探頭的檢測信號，輸送到檢測儀表。本發(fā)明的磁性無損檢測探頭的背底噪聲信號低、信噪比高，特別適用于對檢測信號較弱的厚壁管道等進行檢測。
文檔編號G01N27/82GK101526498SQ20091008192
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者愛 任, 強文江, 強文章, 束國剛, 趙彥芬 申請人:蘇州熱工研究院有限公司;北京科技大學(xué)