管道漏磁無損檢測傳感器的研制

0檢測方法的選取由于國內外的石油和天然氣管道施工不斷錯誤，管道容易發生形狀變化，導致腐蝕和裂紋等錯誤和損壞，以及油氣泄漏，這將對環境造成嚴重的污染和損害，并造成巨大的經濟損失。因此，應定期檢查工業管道。目前的管道檢測技術主要有漏磁檢測、超聲檢測、遠場渦流檢測、射線檢測等。超聲法測量壁厚精度較高,是一種接觸式單點檢測方法,但是檢測效率低。渦流法主要用于檢測管道表層缺陷,如要檢測管道內部缺陷,需從管道內部穿過,結構復雜。射線檢測對于復雜的工況環境具有不易操作性。相比較而言,漏磁檢測法有很高的檢測速度,對于金屬材料,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、儲罐罐底的腐蝕檢測和鋼絲繩、鋼板、鋼塊等鐵磁材料的無損檢測中。國家“十五”863項目“海底管道內爬行器及檢測技術”中,以漏磁檢測法設計了管道檢測系統,文中將對其中的漏磁檢測傳感器的設計及其相關問題進行研究。1丟失磁體檢測傳感器的原理和設計1.1線性關系的測量漏磁檢測的原理是通過永磁體、導磁體及管道形成磁回路,將管道磁化到接近磁飽和狀態,再檢測管道缺陷引起的漏磁通,所以磁敏元件的選擇是漏磁測量精確與否的關鍵。目前常用的磁敏器件有磁敏管、磁敏電阻、檢測線圈、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;檢測線圈的靈敏度、溫度特性和線性度都可以,但線圈測量磁感應時只能測量變化的磁場,當磁場變化緩慢時,線圈很難測到,而且線圈和磁場之間運動的相對速度變化也會影響測量值的大小。霍爾元件是根據霍爾效應制成的,將一通電導體或半導體薄片置于磁場中,則產生一個和電流及磁場方向垂直的電場,亦即產生一電動勢,這種現象叫霍爾效應。霍爾電動勢可以表示為:Vh=IBneb(1)Vh=ΙBneb(1)式中Vh表示霍爾電動勢,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,B為磁感應強度。令Kh=(neb)-1為霍爾元件靈敏度,由式(1)則磁感應強度B為:B=VhKhI(2)B=VhΚhΙ(2)當施加恒定電流且霍爾元件已經確定時,由式(2)可以看出,磁感應強度B和霍爾電動勢Vh成線性關系。由以上介紹可以看出,霍爾元件具有良好的線性度。同時它也具有溫度特性好和高靈敏度的特點,在研究中采用砷化鎵(GaAs)霍爾元件作為磁敏元件,其參數特性如表1。1.2溫度計算器漏磁檢測傳感器電路由霍爾元件、恒流源差動放大和穩壓電路組成,其中恒流源為霍爾元件提供控制電流,差動電路用于將霍爾電動勢放大,穩壓電路將系統送來的±12V電源分別經78L09和79L09穩成9V的電壓,供探頭內元件使用。圖1為漏磁傳感器的電路圖。為提高測量精確度,消除溫度對系統測量帶來的誤差,裝置中加入溫度檢測電路,隨時測量溫度值并記錄存儲,作為對霍爾溫度誤差的補償。溫度傳感器選用美國AD公司的器件AD590,它的溫度測量范圍是-55～+100℃。當器件外加4～30V電壓時,能提供1μΑ/K的恒定電流。1.3永磁體檢測系統原理在設計傳感器時,將多片霍爾元件均勻分布在一個探頭周圍,再通過A/D轉換模塊轉換并傳送至上位機或其他芯片處理。其中所需霍爾元件的片數可由所要求能檢測到的周向最小缺陷檢測長度lc和徑向最小缺陷檢測長度lr來確定。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轉換模塊的塊數,T為A/D轉換模塊的轉換周期,vc為漏磁傳感器的運行速度。根據給定的要求求出式(3)和式(4)中的霍爾元件個數N,再取實際需要的霍爾元件的個數。一般說來,由于A/D轉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長度lr都能滿足要求,N主要根據周向最小檢測長度lc來計算,對于一個Φ219mm的管道,當要求其周向最小檢測長度為14mm時,其霍爾元件數至少為50片。傳感器的勵磁器件由導磁體和永磁體組成。導磁體選用工業純鐵,這種材料具有高的磁感應強度,小的矯頑力,并且價格較低、加工性能好,能適應檢測時的導磁要求。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、磁性能穩定的特點。在整個檢測系統回路中,總的磁通由永磁體提供,永磁體尺寸的優化就顯得非常重要。通過有限元分析表明,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度。如圖2所示,管壁厚度為t,缺陷深度為a,Φb是管壁內沒有缺陷處的磁通,Φd是管壁內有缺陷處的磁通。Φa和Φc分別是管內無缺陷和有缺陷處對應的空氣處的漏磁通。設永磁體產生的總磁通為Φ,則有:Φ=Φa+Φb=Φc+Φd(5)檢測系統的漏磁信號大小取決于Φc,而信噪比取決于Φc/Φa的比率,定義λ=Φc/Φa。對于長為lm寬為w的永磁體,如產生的磁感應強度為Bm,則有:Φ=Φa+Φb=Φc+Φd=Bmlmw(6)因為氣隙和管壁厚度相對于直徑來說很小,可認為w=πd,d為管道直徑,從而可以求出滿足λ最大時的lm值,此時檢測到的信號最好。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)在檢測的過程中,由于受磁鐵吸力、管道摩擦力、障礙物的阻力等,漏磁傳感器在檢測時需要一定的牽引力,為了減小這個牽引力,設計了4個導輪。導輪的設計不但減小了漏磁傳感器運行時的摩擦力,還使探頭與管道之間保持一定距離,減少了磁鐵吸力,從而使運行時的阻力變小。如圖3所示,由于導輪的存在,在不考慮克服障礙物時計算漏磁探頭所需的牽引力可以簡化為:F牽引力=4μF支持力(8)其中μ為摩擦系數,F牽引力為使漏磁傳感器平穩運行所需要的最小動力。在實際的檢測中,為了適應檢測不同的管徑,設計把傳感器、永磁體、導磁體等器件裝在一個探頭中,提高了檢測的效率及可靠性。其中每組霍爾元件和其勵磁裝置等一起組成一個檢測模塊單元,不同組之間通過鏈節鉸接而成。傳感器與其他器件組成的探頭簡化裝配示意圖如圖4所示。2漏磁傳感器檢測對于一個管道內半徑為97.5mm、外半徑為109.5mm、壁厚為12mm的管道,對其施加0到50mT磁場,應用筆者設計的漏磁無損檢測傳感器測得的電壓顯示結果如圖5所示,其中永磁體長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模塊。圖中縱坐標為磁發生器產生的磁場,橫坐標為對應測量所得的電壓值,由圖5可以看出,系統具有非常好的線性度。對于一個長10mm,寬3mm,深1.5mm的標準立方體缺陷,通過有限元計算可以得到其磁感應曲線分布圖,圖6是實際測量的徑向磁場和計算所得的磁場的比較圖。從圖中可以看出,如果有效的去除測量結果中的噪聲