一種檢測管道變形的渦流探頭陣列的制作方法
【專利摘要】本發明名稱為“一種檢測管道變形的渦流探頭陣列”，所屬技術領域為管道無損檢測技術領域。將渦流測距原理應用于管道膨脹和凹陷等管道大變形的檢測中去。整個渦流測距探頭傳感器包括激勵電路、線圈、信號接收與調理、數據采集與存儲等功能模塊。通過搭載了陣列式渦流測距探頭的檢測器在油氣管道內部的掃查，將探頭在管道壁上感應出的交變磁場對激勵線圈等效阻抗的影響轉化為電壓、電流信號的變化，利用這些電信號的變化，量化渦流探頭距離管道的垂直距離D的變化，即可獲得管道膨脹和凹陷的幾何參數。本發明能對管道膨脹、凹陷等損傷進行非接觸式連續測量，檢測探頭周向全覆蓋，具有能測量較大膨脹，靈敏度高，頻率響應寬，可最大程度的避免漏檢等特點。
【專利說明】
一種檢測管道變形的渦流探頭陣列
技術領域
[0001]本發明屬于管道無損檢測技術領域，涉及一種渦流測距探頭及檢測方法，用來檢測油氣管道膨脹及凹陷。
【背景技術】
[0002]管道無損檢測技術是檢測在役長輸管道是否有變形、腐蝕、裂紋等安全隱患的技術。油氣管道檢測為系列化過程，分多個階段進行。首先投放管道清管設備，而后投放變形檢測設備，檢測管道變形大小、變形位置，同時識別管道特征，如焊縫(螺旋焊縫、環焊縫、直焊縫)、三通、閥門、彎頭、走向，以判別后續腐蝕與裂紋等檢測設備的通過能力，是開展后續檢測工作的關鍵環節。管道變形檢測器將變形檢測探頭搭載在機械載體上，利用探頭與管壁變形部位在接觸時產生的位移信號來判別變形量大小并記錄位置。普通變形檢測探頭多數為接觸式探頭，對于管道大范圍的膨脹無法檢測。渦流測距探頭是一種非接觸的線性化計量工具，基于電磁感應原理，可高線性度、高分辨力地測量并量化被測管道距探頭表面的距離，從而實現管道膨脹和凹陷等大變形的檢測。
[0003]根據法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現象稱為電渦流效應。激勵線圈中的交變電流產生了交變磁場作用于被測金屬導體，當被測金屬體靠近這一磁場，在金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流產生一個方向與激勵線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使激勵線圈高頻電流的幅度和相位得到改變，即線圈的等效阻抗的變化。線圈有效阻抗可用Z = F( 6，ξ，τ，D，I，ω)函數來表示，6為金屬導體的電導率、ξ為磁導率、τ為尺寸因子、D為激勵線圈與金屬導體表面的距離、I為電流強度和ω為頻率，若控制τ，ξ，6，I，ω這幾個參數保持不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數，也就是說渦流引起了激勵線圈等效阻抗的變化，利用這一變化即可計算出線圈與導體之間的距離。
【發明內容】
[0004]本發明將渦流測距方法應用于管道膨脹和凹陷檢測中，提供一種針對大變形管道的管道缺陷檢測方法，解決了普通變形檢測接觸式擺臂探頭檢測量程有限，無法測量較大膨脹的難題。
[0005]渦流測距探頭在檢測的過程中，通過渦電流對線圈等效阻抗的變化影響來計算和判斷管道的變形情況。每個渦流探頭的激勵線圈產生的磁場垂直于管道內外表面，探頭周向、軸向布置于檢測器機械載體中，實現檢測探頭周向全覆蓋，避免漏檢。
[0006]本發明中，激勵線圈搭載在檢測器上，隨檢測器在管道中運行的同時，激勵線圈在金屬管道中產生的電渦流所得交變磁場方向與激勵線圈中的原始磁場方向相反，會削弱原始磁場的強度，疊加的磁場強度設為Φ，線圈等效阻抗設為Ζ。若管道口徑正常，則Φ和Z穩定不變。若遇管道膨脹，線圈與金屬管道的垂直距離D增加，Φ減弱；若遇凹陷情況，則D減小，Φ加強。
[0007]通過檢測器內部電子線路的處理，將線圈阻抗Z的變化，即激勵線圈與金屬管道的垂直距離D的變化轉化成電壓或電流的變化。即將垂直距離D通過輸出信號的幅值、等效值等參數的大小來判定。渦流測距探頭就是根據這一原理實現對金屬管道膨脹和凹陷等大變形的測量。
[0008]整個渦流測距探頭模塊包括激勵信號發生電路、線圈、信號接收與調理、數據采集與存儲等功能模塊。將傳感器線圈的電壓、電流信號進行處理后，通過模數轉換變為數字信號并存儲。
[0009]本發明所涉及的油氣管道檢測器的渦流測距探頭優點是能對管道膨脹、凹陷等損傷進行非接觸式連續測量，另外區別于以往變形檢測器，還具有能測量較大膨脹，靈敏度高，頻率響應寬等特點。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明檢測油氣管道膨脹和凹陷缺陷的渦流測距檢測器結構示意圖
[0011]圖2是本發明渦流測距探頭檢測管道變形的工作原理示意圖
[0012]圖3是本發明探頭在油氣管道內部掃查膨脹和凹陷的示意圖
[0013]圖4是本發明的渦流測距探頭傳感器的電路結構示意圖
【具體實施方式】
[0014]本發明采用以下方式進行渦流測距探頭的設計及使用:
[0015]管道無損檢測過程中，變形檢測技術用來檢測管道的幾何特征。以往變形檢測器的擺臂式探頭為接觸式探頭，其通道數決定了其檢測質量。本發明所述渦流測距式變形檢測探頭為非接觸式探頭，對管道內表面不存在任何損傷，渦流傳感器線圈周向布置緊湊，磁路覆蓋范圍廣，漏檢概率非常低。
[0016]在渦流測距傳感器中，最主要的元件為線圈，它的形狀和尺寸關系到渦流測距探頭傳感器的靈敏度和測量范圍。首先確定單個渦流測距探頭的性能參數，以空心線圈為模型，通過有限元分析來確定線圈的內外徑之差、厚度和等效半徑等參數，為檢測線圈的參數確定提供理論依據。
[0017]確定參數特征后，即確定了渦流測距探頭的具體尺寸。對應于不同口徑的管道所設計的變形檢測器機械載體，選擇最合適和最優化的渦流探頭模塊，將其搭載在檢測器骨架之上，要求探頭周向陣列，可采用多組周向探頭相互交錯的排布方式，使探頭檢測范圍周向覆蓋率最大，如圖1所示，其中圖1A為軸向視圖，圖1B為等距視圖，標注為探頭號。
[0018]圖2是本發明探頭利用電磁場變化檢測管道變形的示意圖。本發明中渦流測距探頭的工作過程是:當搭載渦流測距探頭的變形檢測器I在管道2內運行時，每組渦流探頭因通有交變電流，會產生一交變磁場E1，該交變磁場在與其垂直的管道壁上感應出交變電渦流II，而Il所產生的另一交變磁場Ε2反作用于探頭激勵線圈上，即El和Ε2疊加。Ε2的方向與El方向相反，在一定程度上削減了 El的強度，磁場疊加后的強度用ΔΕ表示。在正常管道內運行時，AE基本保持不變，因此探頭線圈Z值基本不變，證明管道與探頭之間的垂直距離D不變，管道口徑正常。當渦流探頭經過管道膨脹或者凹陷部位時，由于垂直距離D的增大或減小，ΔΕ也會相應的減小或增大，此時，探頭中線圈的Z值也發生變化，Z值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經過信號處理轉化成一個數字量變化，最終完成將管道與探頭之間的垂直距離D的檢測這一過程。
[0019]當管道發生膨脹，檢測器運行至此處時，探頭與管道距離Dl增大，渦流產生的交變磁場Ε2對原始磁場El的削減作用減弱，疊加后的磁場強度增大，振蕩電壓增強，經過電路處理轉化的電壓、電流幅值會增加，將該電壓電流幅值的變化與垂直距離D的關系做量化處理，即可獲得管道膨脹的幾何參數；當檢測器運行至管道凹陷處時同理可獲得管道凹陷的幾何參數。如圖3所示。
[0020]管道變形的渦流測距系統結構中激勵電路、信號接收與調理、數據采集與存儲等功能模塊通過ARM處理器進行控制；為了節省系統的能耗，線圈的驅動通過MOS全橋開關電路實現，由ARM對全橋電路的開關頻率等參數進行調節；線圈部分采用LC并聯諧振的結構以輸出較大電壓，便于后續測量。電子系統結構如圖4所示。
【主權項】
1.一種應用于油氣管道膨脹和凹陷檢測的渦流測距探頭陣列，其特征在于:渦流探頭激勵線圈通過感應產生的渦電流對線圈等效阻抗的影響來計算和判斷管道的變形情況。2.如權利要求1所述的渦流測距探頭陣列，其激勵線圈產生的磁場垂直于管道內外表面，探頭周向陣列、多排布置于檢測器機械載體上，實現檢測探頭周向全覆蓋，避免漏檢。3.如權利要求1及權利要求2所述的管道變形檢測器渦流測距探頭陣列，其激勵線圈搭載在檢測器上，隨檢測器在管道中運行的同時，利用激勵線圈等效阻抗的變化，來判定渦流探頭與金屬管道的垂直距離的大小，通過信號處理將距離值量化，進而獲得管道變形的特征參數。4.如權利要求3所述的渦流測距方法，其實現方式為:通過檢測器內部信號接收與調理、數據采集與存儲等功能模塊等對信號的處理，將線圈阻抗Z的變化，即激勵線圈與金屬管道的垂直距離的變化轉化成電壓或電流的變化，即將垂直距離通過輸出信號的幅值、有效值等參數的大小來判定。5.渦流測距系統中激勵電路、信號接收與調理、數據采集與存儲等功能，通過ARM處理器進行控制。為了節省系統的能耗，線圈的驅動通過MOS全橋開關電路實現，由ARM對全橋電路的開關頻率等參數進行調節。線圈部分采用LC并聯諧振的結構以輸出較大電壓，便于后續測量。
【文檔編號】G01N27/90GK105891323SQ201410669996
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月21日
【發明人】常廣, 胡鐵華, 劉銳, 李陽, 王夢瑤, 張志文, 歐陽熙
【申請人】中機生產力促進中心