专利名称：高信噪比的磁性无损检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性无损检测技术领域，提供了一种奥氏体不锈钢管内部氧化物的磁性无 损检测装置，用于无损检测奥氏体不锈钢管道内氧化物。本发明的磁性无损检测探头的背 底噪声信号低、信噪比高，特别适用于对检测信号较弱的厚壁管道等进行检测。
背景技术：
电厂锅炉中的奥氏体不锈钢管道在运行过程中内壁发生氧化，达到一定厚度时会热应 力作用而剥落，沉积在管道下弯头附近而影响锅炉的安全运行，需要通过无损检测的方法 进行检测。
ZL03 1 09490.2中给出了一种磁性无损检测方法及检测装置。该检测方法中，检测探 头中的永磁体建立的稳恒磁场在钢管外部对氧化物磁化，磁场敏感元件从管道外部检测氧 化物产生的杂散磁场信号，借助于该检测信号判断管道内氧化物的存在与否。所提供的检 测装置采用线性霍尔元件作为磁场敏感元件。该磁场敏感元件对于检测管道周围环境中背 底磁场的感应信号形成了检测装置的一种背底噪音，它与受检管道内的氧化物无关。具体 表现为检测装置的空间方位变化造成检测信号波动，下面将其称作空间方位噪音。安置着 单个磁场敏感元件的探头，对于地磁场自身的相应所造成的这种空间方位噪声一般情况下 可以达到土0.6mV (未经过信号放大处理的原始信号强度，下同)。这样，在双磁极方式的 检测装置中，检测探头与参比探头的独立空间方位变化可能导致的检测信号波动最大可达 2mV左右。再考虑其他来源的磁场的影响，或者在锅炉内部大量金属管道在地磁场中磁化 而使背底磁场加强，影响还会更大。
现有技术中的磁性无损检测装置，其检测信号随着受检管道壁厚的增大呈指数规律降 低。故此，当管道的壁厚增大时，检测信号的强度会降低到只有几个mV的水平。此时， 现有的检测装置信噪比过低，在检测厚壁管道内可能存在的强磁性的氧化物时遇到困难。
另外，不锈钢管道内氧化物剥落是导致管道事故的直接原因，其根源则在于管道自身 发生的氧化。实际已经证实，现有的磁性无损检测方法和装置能够对管道壁上仍然附着的 氧化物产生足够强的感应信号，正常管道的该检测信号通常不高于8mV，并且大多在2 5mV之间。如果利用该信号来定量化分析管道上附着的氧化皮的厚度情况，从而^f于管道 的氧化情况进行评估，也必须要去除地磁场等因素对于检测装置的输出信号的干扰，消除 检测装置的空间方位噪音，提高信噪比。
发明内容
本发明的目标是提供一种高信噪比的磁性无损检测装置，消除探头检测信号的空间方 位噪音，从而能够实现对于厚管壁的奥氏体不锈钢管道内氧化物以及管道内壁仍附着的氧 化物薄层进行准确检测。
本发明的磁性无损检测装置包括探头和检测仪表，探头内安置有永磁体来建立稳恒磁 场、磁化受检管内强磁性的氧化物，安置有磁场敏感元件检测氧化物建立的杂散磁场并将 其转化为输出电压信号，探头的输出电压信号通过导线连接输送给检测仪表。其中，在探 头1内安置有降噪用磁场敏感元件4,磁场敏感元件4与检测用磁场敏感元件3为具有相 同磁场灵敏度的线性霍尔元件，两者同极性地平行安置；检测用磁场敏感元件3位于探头 1工作状态下贴近受检管7的管壁一侧，而降噪用磁场敏感元件4处于探头1中远离受检 管7 —侧；由检测用磁场敏感元件3和降噪用磁场敏感元件4的输出信号通过差动方式输 出探头1的检测信号，输送到检测仪表。
在本发明的一种组成结构中，所述探头1采用双磁极方式时，为降噪用磁场敏感元件 4配置一个平衡永磁体，如条形永磁体5。通过调节该条形永磁铁5与降噪用磁场敏感元 件4的相对位置，减小探头l的背底信号，最好使背底信号减小到零。所述配置的条形永 磁体5为降噪用磁场敏感元件4提供一个平衡磁场，当该平衡磁场在降噪用磁场敏感元件 4的检测方向上的分量与探头1中永磁体2在检测用磁场敏感元件3的检测方向上的分量 相同时，可以消除掉霍尔元件的基本输出信号的影响，使探头1的背底信号减小到零。由 此，降噪用磁场敏感元件4及配置的条形永磁体5还同时具备了现有技术中由检测探头和 参比探头组成的组合探头的补偿功能，从而使检测装置无需另装备参比探头。
在本发明的另一种组成结构中，所述探头1采用单磁极方式时，通过调整同极性平行 安置的检测用磁场敏感元3和降噪用磁场敏感元件4在建立稳恒磁场的条形永磁体6的两 个磁极附近的位置，减小探头1的背底信号，最好使背底信号减小到零。这里，用来对受 检管7内可能存在的氧化物8进行磁化的条状永磁体6，兼备了上面所述组成结构中专门 配置的平衡永磁体提供平衡磁场的幼能，从而使探头1结构更加简单。
本发明的优点在于
(1)本发明的检测装置，通过探头中同极性地平行于检测用磁场敏感元件安置一个降噪 用磁场敏感元件，探头检测信号，由它们的差动输出形成，其中不再随着探头的空间方位 变化而改变，克服了地磁场以及其他来源的、在空间位置上变化比较缓慢的磁场的影响， 消除掉了检测信号中的一个主要背底噪音，大幅度提高了信噪比，提高了检测信号较弱的情况下检测的可靠性。
(2) 本发明的检测装置中，通过在双磁极磁化方式的探头内为降噪用磁场敏感元件配 置平衡永磁体，或者利用单磁极磁化方式的探头中建立稳恒磁场的条形永磁体自身，使检 测用和降噪用磁场敏感元件在它们的检测方向上的磁场分量平衡，从而减小了探头的背底 信号，甚至使探头的基本输出信号达到零，同时具备了消除背底信号的功能。这样，本发 明的检测装置较现有技术的装置不但没有额外增加组成单元，在使用双磁极方式探头的检 测装置中，探头自身与现有技术中的检测探头外形、尺寸都非常接近，保持其紧凑、轻巧 的特点，而检测装置中无需再配置参比探头。
(3) 利用本发明的检测装置，能够对厚管壁奥氏体不锈钢管道内氧化物的堆积、以及仍 然附着于管壁上的氧化物薄层的进行准确检测。
此外，本发明的检测装置，不仅可以用来对奥氏体不锈钢管道中的磁性内氧化物进行 检测，也可以检测其它来源的磁性异物，它还适用于对无磁容器中的任何磁性物质进行无 损检测，尤其适用于探测那些壁厚不很大的容器中处于比较靠近内壁位置上、在不很强的 磁场下就会被磁化而显示比较高的磁化强度的物质的存在与否。
图l现有技术中的双磁极方式检测探头的原理结构示意图。其中，l为检测探头，2 为建立稳恒磁场的U形永磁体，3为检测用磁场敏感元件。(对比例)
图2图1所示的检测探头在北京地区的水平面内旋转一周时，检测装置的lr出信号 的变化曲线。(对比例)
图3本发明的检测装置中，具有降噪功能的双磁极方式探头的一种组成结构方式的 原理结构示意图。其中，l为探头，2为建立稳恒磁场的U形永磁体，3为检测用磁场敏感 元件，4为降噪用磁场敏感元件，5为磁场敏感元件4配置的条形永磁体。探头1的输出 信号为两个磁场敏感元件3和4的差动输出信号。图中还给出了受检管7和其中可能存在 的氧化物8，说明检测装置工作时探头的工作位置。
图4使用图3所示探头的本发明的检测装置实施例，其检测信号随着探头1在氷平 面内旋转一周过程中的变化曲线。
图5本发明的检测装置中，具有降噪功能的单磁极方式探头的一种组成结构方式的原 理结构示意图。其中，6为永磁体，它建立稳恒磁场，并同时为检测用磁场敏感元件3和 降噪用磁场敏感元件4提供平衡磁场。
具体实施例方式
以下通过检测装置的实施例对本发明予以进一步说明。作为对比，给出了现有技术的 检测装置的一个实施例进行检测时的工作状况。
图1所示的现有技术中的双磁极式检测探头1，其中的检测用磁场敏感元件3检测它 所处位置上的磁场沿着其检测方向上分量。由于固定于检测探头l内，检测用磁场敏感元 件3所检测的磁场分量方向会随着检测探头1的方向变化而改变。当检测探头1在水平面 内旋转一周时，其中的磁场敏感元件3也绕着垂线方向同步旋转一周。
如图2所示，检测装置的检测探头l自身在水平面内旋转一周过程中，而保持检测装 置中的参比探头不动，检测装置的检测信号随着角度e大致呈现正弦曲线变化，最大值 max与最小值min之间的差别、也就是检测信号的变化幅度为1.2mV。因此，现有技术的 检测装置检测信号随着检测探头1的空间方位变化而改变，具有空间方位噪音。这种检测 信号的空间方向噪音，在检测探头l固定不动，移动检测仪表、从而改变参比探头的空间 方位时也会表现出来。
图2所示是图1中的检测探头1对于北京地区的地磁场响应信号的变化曲线。地磁场 的强度大约为0.6 Oe，检测装置采用的检测用磁场敏感元件3的灵敏度大约为1.3 mV/Oe。 在本实施例中，检测探头1在水平面内旋转时，检测信号对应的是地磁场在水平面内360 度的各个方向上的分量。故此，地磁场在检测用磁场敏感元件3的检测方向上的分量按照 正弦关系变化，并且最大相对变化是地磁场在水平方佝上分量的最大值的2倍，大约为0.8 Oe。由此可以确认，地磁场就是图2所示的检测装置的空间方位噪音的来源。
锅炉现场检测过程中，检测探头1为了能始终紧贴于受检管7外壁上，其空间位向需 要随机改变；安置于检测仪表内的参比探头也会随意变化空间方位，由此导致其中的检测 用磁场敏感元件3的检测方向几乎随意变化，包括180度的调转方向。这就使得每个霍尔 元件的输出信号产生波动，从而导致检测装置的检测信号具有空间方位敏感的波动背底。 地磁场自身对于检测探头1和参比磁场的输出信号的影响分别都可以达到lmV的量级。 这样，在双磁极方式的检测装置中'检测探头1与参比探头完全分离、独立地改变各'自的 空间方位，检测装置的检测信号——也就是来自这两个探头中的霍尔元件的差动输出信 号，仅地磁场的影响在同一位置上就可能产生最大为大约2mV的波动。再考虑其他来源 的磁场的影响，或者在锅炉内部受到大量的金属管道的影响，地磁场可能导致金属磁化而 得到加强，影响还会更大。
由于各锅炉内部活动空间相对狭窄，要想保持检测探头1在工作时保持地理方位的方向固定不变是不现实的；而且各锅炉的地理方位、位置不同，地磁场也存在强度差别。这 样，将不同锅炉、锅炉内的不同管道、以及同一个管子的不同时间的检测结果进行对比时， 这种地磁场及与其有关的背景磁场的影响具有随机性，就成为检测信号的背底噪音。
图3给出了本发明的检测装置中，具有降噪功能的双磁极方式探头1的一种实施例的 原理结构示意图。与图1所示的现有技术的检测探头1中相同功能的元件采用相同的数字 符号标记，它们同样可以按照现有技术中双磁极方式检测探头1的方式安置。
本发明的探头1中，与检测用磁场敏感元件3同极性地平行安置一个降噪用磁场敏感 元件4。检测用和降噪用磁场敏感元件3、 4都是线性的，并且具有相同的磁场灵敏度。图 示中两个磁场敏感元件3、 4为垂直纸面的片状霍尔元件，它们检测与自身片状平面垂直 方向上的磁场分量。故此，检测用和降噪用磁场敏感元件3、 4的平行安置通过它们的片 状平面平行或者它们的片状平面的垂直方向平行来实现。片状霍尔元件片状平面的垂直方 向就是检测用和降噪用磁场敏感元件3、 4的检测方向。检测用和降噪用磁场敏感元件3、 4的安置位置，使得探头1在进行检测时，检测用磁场敏感元件3贴近受检管道7的外壁， 而降噪用磁场敏感元件4尽量远离受检管道7。
本发明的检测装置中，探头1中同极性地平行安置着检测用和降噪用磁场敏感元件3、 4，它们各自的输出电压与它们的共同检测方向上的磁场强度成线性正比关系，并且二者 之间的比例系数相同。这样，检测点周围环境中的地磁场，由于随着位置的变化非常缓慢， 在检测用和降噪用磁场敏感.元件3与4所处的位置上变化非常小.，因而对两者的输出电压 的影响几乎相同。这样，由它们差动输出所形成的检测装置的检测信号中互相抵消，从而 消除了地磁场对探头l的检测信号的影响。同样的原理，检测地点周围的其他磁性物质产 生的磁场，只要是随着空间位置的变化缓慢地改变，它们的影响都能够在本发明的检测装 置中得到消除。相对于这些随着空间位置缓慢变化的磁场来说，由受检管7内部氧化物8 磁化产生的磁场，在其管道外部、特别是管壁附近的空间区域中，随着垂直管壁方向上的 距离的增大呈指数规律迅速衰减。故此，只要保证探头1中的检测用和降噪用磁场敏感元 件3、 4与受检管7的管壁垂直跑离有较大的不同，就能保证检测信号足够强。
图4中给出了采用图3所示的本发明探头1,检测装置的检测信号随着探头1在水平 面内旋转一周过程中的变化曲线。这里，检测信号的波动幅度为土0.1mV，非常显著地低 于现有技术的检测探头1的波动幅度(图1和2)，而且这种波动呈现随机性，不再是正弦 形的变化规律。这表明本发明的探头l有效地消除了空间方位噪音。同时，检测信号的 波动幅度的显著降低，使得本发明的检测装置的信噪比大幅度提高，可以确保检测信号降低到几个mV的量级、甚至低于lmV时的可靠性。
本发明的探头l中，为降噪用磁场敏感元件4配置了一个条形永磁体5作为平衡永磁 体。这里，所配置的条形永磁体5为降噪用磁场敏感元件4提供一个平衡磁场。通过适当 选择这两者之间的相对位置，可以使该平衡磁场在降噪用磁场敏感元件4的检测方向上的 分量，与探头1中建立稳恒磁场的U形永磁体2在检测用磁场敏感元件3的检测方向上的 磁场分量互相接近，消除掉检测用和降噪用磁场敏感元件3、 4的基本输出信号的影响， 减小探头1的背底信号，当这两个磁场分量达到平衡时，可以使该背底信号达到零。这样， 降噪用磁场敏感元件4及配置的条形永磁体5还同时具备了现有技术中由检测探头和参比 探头组成的组合探头的补偿功能，从而使检测装置无需另装备参比探头。
图5中示意性给出了本发明中具有降噪功能的单磁极方式探头的一种实施方式的原理 结构。在单磁极方式的探头l中，在建立稳恒磁场用的条形永磁体6的两个异号磁极附近 区域中，分别安置的检测用磁场敏感元3和降噪用磁场敏感元件4，它们要同极性地互相 平行安置，从而具备消除地磁场等渐变性的背底磁场造成的空间方位噪音。同时，适当调 节互相平行的检测用磁场敏感元3和降噪用磁场敏感元件4所组成的"元件对"在永磁体 6的两个磁极附近的位置，使得永磁体6在它们的检测方向上的磁场分量互相接近，就可 以减小探头1的背底信号，当完全达到平衡时，可以使该背底信号减小为零。这里，用来 对受检管7内可能存在的氧化物8进行磁化的条状永磁体6,兼备了上面所述实施例中专 门配置的平衡永磁体的提供平衡磁场的功能，从而是探头结构更加简单。. -
本发明的检测装置不局限于上述实施例。探头具备消除检测信号中检测环境的背底磁 场所产生的空间方位噪音功能是本发明的关键。为此，可以考虑在双磁极式探头中采用与 建立稳恒磁场的U形永磁体2等尺寸、反向开口的U形永磁体，或者用较小尺寸的U形 永磁体，或者其他任意形状的永磁体做为平衡永磁体，由它们为降噪用磁场敏感元件4提 供磁场来平衡检测用磁场敏感元件3所处位置上的磁场，消除背底信号使得探头的基本输 出达到零；也可以在单磁极式探头中采用变横截面的条形永磁体或其他横截面形状的永磁 体，也可以另外安置永磁体、甚至使用其他的强磁性材料来为降噪用磁场敏感元件'4提供 平衡磁场，等等。类似的实施变例都属于本发明的范畴。
另外，本发明的说明书中提供的检测信号数值，都是采用商业的霍尔元件得到的"原 始"数值，并且会随着霍尔元件的供电电压的数值变化而相应地增大或减小；而探头的检 测信号则可以通过电子电路进行处理。因此，检测信号的绝对数值大小，不能够作为是否 超越本发明范围的判据。
权利要求
1、一种高信噪比的磁性无损检测装置，包括探头和检测仪表，探头内安置有建立稳恒磁场的永磁体来磁化受检管内强磁性的氧化物，安置有磁场敏感元件检测氧化物建立的杂散磁场并将其转化为输出电压信号，探头的输出电压信号通过导线连接输送给检测仪表，其特征在于，探头(1)内安置有降噪用磁场敏感元件(4)，降噪用磁场敏感元件(4)与检测用磁场敏感元件(3)具有相同磁场灵敏度的线性霍尔元件，两者同极性地平行安置；检测用磁场敏感元件(3)位于探头(1)工作状态下贴近受检管(7)的管壁一侧，而降噪用磁场敏感元件(4)处于探头(1)中远离受检管(7)一侧；由检测用磁场敏感元件(3)和降噪用磁场敏感元件(4)的输出信号通过差动方式输出探头(1)的检测信号，输送到检测仪表。
2、 如权利要求1所述的高信噪比的磁性无损检测装置，其特征在于，本发明一种的 组成结构中，所述探头O)采用双磁极方式时，为降噪用磁场敏感元件(4)配置一个条 形永磁体(5)，通过调节条形永磁体(5)与降噪用磁场敏感元件(4)的相对位置，减小探头(1)的背底信号，使该背底信号减小到零。
3、 如权利要求1所述的高信噪比的磁性无损检测装置，其特征在于，本发明的另一 种组成结构中，所述探头(1)采用单磁极方式时，通过调整同极性平行安置的检测用磁 场敏感元(3)和降噪用磁场敏感元件(4)在条形的永磁体(6)的两个磁极附近的位置， 减小探头(1)的背底信号，使背底信号减小为零。
全文摘要
一种高信噪比的磁性无损检测装置，涉及磁性无损检测技术领域。本发明探头内安置有建立稳恒磁场的永磁体，来磁化受检管内强磁性的氧化物，安置有磁场敏感元件检测氧化物建立的杂散磁场并将其转化为输出电压信号，安置有降噪用磁场敏感元件，它是与检测用磁场敏感元件具有相同磁场灵敏度的线性霍尔元件，两者同极性地平行安置；检测用磁场敏感元件位于探头工作状态下贴近受检管的管壁一侧，而降噪用磁场敏感元件处于探头中远离受检管一侧；由检测用磁场敏感元件和降噪用磁场敏感元件的输出信号通过差动方式输出探头的检测信号，输送到检测仪表。本发明的磁性无损检测探头的背底噪声信号低、信噪比高，特别适用于对检测信号较弱的厚壁管道等进行检测。
文档编号G01N27/82GK101526498SQ20091008192
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者爱 任, 强文江, 强文章, 束国刚, 赵彦芬 申请人:苏州热工研究院有限公司;北京科技大学