一种检测管道变形的涡流探头阵列的制作方法
【专利摘要】本发明名称为“一种检测管道变形的涡流探头阵列”，所属技术领域为管道无损检测技术领域。将涡流测距原理应用于管道膨胀和凹陷等管道大变形的检测中去。整个涡流测距探头传感器包括激励电路、线圈、信号接收与调理、数据采集与存储等功能模块。通过搭载了阵列式涡流测距探头的检测器在油气管道内部的扫查，将探头在管道壁上感应出的交变磁场对激励线圈等效阻抗的影响转化为电压、电流信号的变化，利用这些电信号的变化，量化涡流探头距离管道的垂直距离D的变化，即可获得管道膨胀和凹陷的几何参数。本发明能对管道膨胀、凹陷等损伤进行非接触式连续测量，检测探头周向全覆盖，具有能测量较大膨胀，灵敏度高，频率响应宽，可最大程度的避免漏检等特点。
【专利说明】
一种检测管道变形的涡流探头阵列
技术领域
[0001]本发明属于管道无损检测技术领域，涉及一种涡流测距探头及检测方法，用来检测油气管道膨胀及凹陷。
【背景技术】
[0002]管道无损检测技术是检测在役长输管道是否有变形、腐蚀、裂纹等安全隐患的技术。油气管道检测为系列化过程，分多个阶段进行。首先投放管道清管设备，而后投放变形检测设备，检测管道变形大小、变形位置，同时识别管道特征，如焊缝(螺旋焊缝、环焊缝、直焊缝)、三通、阀门、弯头、走向，以判别后续腐蚀与裂纹等检测设备的通过能力，是开展后续检测工作的关键环节。管道变形检测器将变形检测探头搭载在机械载体上，利用探头与管壁变形部位在接触时产生的位移信号来判别变形量大小并记录位置。普通变形检测探头多数为接触式探头，对于管道大范围的膨胀无法检测。涡流测距探头是一种非接触的线性化计量工具，基于电磁感应原理，可高线性度、高分辨力地测量并量化被测管道距探头表面的距离，从而实现管道膨胀和凹陷等大变形的检测。
[0003]根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。激励线圈中的交变电流产生了交变磁场作用于被测金属导体，当被测金属体靠近这一磁场，在金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流产生一个方向与激励线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使激励线圈高频电流的幅度和相位得到改变，即线圈的等效阻抗的变化。线圈有效阻抗可用Z = F( 6，ξ，τ，D，I，ω)函数来表示，6为金属导体的电导率、ξ为磁导率、τ为尺寸因子、D为激励线圈与金属导体表面的距离、I为电流强度和ω为频率，若控制τ，ξ，6，I，ω这几个参数保持不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，也就是说涡流引起了激励线圈等效阻抗的变化，利用这一变化即可计算出线圈与导体之间的距离。
【发明内容】
[0004]本发明将涡流测距方法应用于管道膨胀和凹陷检测中，提供一种针对大变形管道的管道缺陷检测方法，解决了普通变形检测接触式摆臂探头检测量程有限，无法测量较大膨胀的难题。
[0005]涡流测距探头在检测的过程中，通过涡电流对线圈等效阻抗的变化影响来计算和判断管道的变形情况。每个涡流探头的激励线圈产生的磁场垂直于管道内外表面，探头周向、轴向布置于检测器机械载体中，实现检测探头周向全覆盖，避免漏检。
[0006]本发明中，激励线圈搭载在检测器上，随检测器在管道中运行的同时，激励线圈在金属管道中产生的电涡流所得交变磁场方向与激励线圈中的原始磁场方向相反，会削弱原始磁场的强度，叠加的磁场强度设为Φ，线圈等效阻抗设为Ζ。若管道口径正常，则Φ和Z稳定不变。若遇管道膨胀，线圈与金属管道的垂直距离D增加，Φ减弱；若遇凹陷情况，则D减小，Φ加强。
[0007]通过检测器内部电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即激励线圈与金属管道的垂直距离D的变化转化成电压或电流的变化。即将垂直距离D通过输出信号的幅值、等效值等参数的大小来判定。涡流测距探头就是根据这一原理实现对金属管道膨胀和凹陷等大变形的测量。
[0008]整个涡流测距探头模块包括激励信号发生电路、线圈、信号接收与调理、数据采集与存储等功能模块。将传感器线圈的电压、电流信号进行处理后，通过模数转换变为数字信号并存储。
[0009]本发明所涉及的油气管道检测器的涡流测距探头优点是能对管道膨胀、凹陷等损伤进行非接触式连续测量，另外区别于以往变形检测器，还具有能测量较大膨胀，灵敏度高，频率响应宽等特点。
【附图说明】
[0010]图1是本发明检测油气管道膨胀和凹陷缺陷的涡流测距检测器结构示意图
[0011]图2是本发明涡流测距探头检测管道变形的工作原理示意图
[0012]图3是本发明探头在油气管道内部扫查膨胀和凹陷的示意图
[0013]图4是本发明的涡流测距探头传感器的电路结构示意图
【具体实施方式】
[0014]本发明采用以下方式进行涡流测距探头的设计及使用:
[0015]管道无损检测过程中，变形检测技术用来检测管道的几何特征。以往变形检测器的摆臂式探头为接触式探头，其通道数决定了其检测质量。本发明所述涡流测距式变形检测探头为非接触式探头，对管道内表面不存在任何损伤，涡流传感器线圈周向布置紧凑，磁路覆盖范围广，漏检概率非常低。
[0016]在涡流测距传感器中，最主要的元件为线圈，它的形状和尺寸关系到涡流测距探头传感器的灵敏度和测量范围。首先确定单个涡流测距探头的性能参数，以空心线圈为模型，通过有限元分析来确定线圈的内外径之差、厚度和等效半径等参数，为检测线圈的参数确定提供理论依据。
[0017]确定参数特征后，即确定了涡流测距探头的具体尺寸。对应于不同口径的管道所设计的变形检测器机械载体，选择最合适和最优化的涡流探头模块，将其搭载在检测器骨架之上，要求探头周向阵列，可采用多组周向探头相互交错的排布方式，使探头检测范围周向覆盖率最大，如图1所示，其中图1A为轴向视图，图1B为等距视图，标注为探头号。
[0018]图2是本发明探头利用电磁场变化检测管道变形的示意图。本发明中涡流测距探头的工作过程是:当搭载涡流测距探头的变形检测器I在管道2内运行时，每组涡流探头因通有交变电流，会产生一交变磁场E1，该交变磁场在与其垂直的管道壁上感应出交变电涡流II，而Il所产生的另一交变磁场Ε2反作用于探头激励线圈上，即El和Ε2叠加。Ε2的方向与El方向相反，在一定程度上削减了 El的强度，磁场叠加后的强度用ΔΕ表示。在正常管道内运行时，AE基本保持不变，因此探头线圈Z值基本不变，证明管道与探头之间的垂直距离D不变，管道口径正常。当涡流探头经过管道膨胀或者凹陷部位时，由于垂直距离D的增大或减小，ΔΕ也会相应的减小或增大，此时，探头中线圈的Z值也发生变化，Z值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过信号处理转化成一个数字量变化，最终完成将管道与探头之间的垂直距离D的检测这一过程。
[0019]当管道发生膨胀，检测器运行至此处时，探头与管道距离Dl增大，涡流产生的交变磁场Ε2对原始磁场El的削减作用减弱，叠加后的磁场强度增大，振荡电压增强，经过电路处理转化的电压、电流幅值会增加，将该电压电流幅值的变化与垂直距离D的关系做量化处理，即可获得管道膨胀的几何参数；当检测器运行至管道凹陷处时同理可获得管道凹陷的几何参数。如图3所示。
[0020]管道变形的涡流测距系统结构中激励电路、信号接收与调理、数据采集与存储等功能模块通过ARM处理器进行控制；为了节省系统的能耗，线圈的驱动通过MOS全桥开关电路实现，由ARM对全桥电路的开关频率等参数进行调节；线圈部分采用LC并联谐振的结构以输出较大电压，便于后续测量。电子系统结构如图4所示。
【主权项】
1.一种应用于油气管道膨胀和凹陷检测的涡流测距探头阵列，其特征在于:涡流探头激励线圈通过感应产生的涡电流对线圈等效阻抗的影响来计算和判断管道的变形情况。2.如权利要求1所述的涡流测距探头阵列，其激励线圈产生的磁场垂直于管道内外表面，探头周向阵列、多排布置于检测器机械载体上，实现检测探头周向全覆盖，避免漏检。3.如权利要求1及权利要求2所述的管道变形检测器涡流测距探头阵列，其激励线圈搭载在检测器上，随检测器在管道中运行的同时，利用激励线圈等效阻抗的变化，来判定涡流探头与金属管道的垂直距离的大小，通过信号处理将距离值量化，进而获得管道变形的特征参数。4.如权利要求3所述的涡流测距方法，其实现方式为:通过检测器内部信号接收与调理、数据采集与存储等功能模块等对信号的处理，将线圈阻抗Z的变化，即激励线圈与金属管道的垂直距离的变化转化成电压或电流的变化，即将垂直距离通过输出信号的幅值、有效值等参数的大小来判定。5.涡流测距系统中激励电路、信号接收与调理、数据采集与存储等功能，通过ARM处理器进行控制。为了节省系统的能耗，线圈的驱动通过MOS全桥开关电路实现，由ARM对全桥电路的开关频率等参数进行调节。线圈部分采用LC并联谐振的结构以输出较大电压，便于后续测量。
【文档编号】G01N27/90GK105891323SQ201410669996
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月21日
【发明人】常广, 胡铁华, 刘锐, 李阳, 王梦瑶, 张志文, 欧阳熙
【申请人】中机生产力促进中心