管道漏磁無損檢測傳感器的設計與實現(xiàn)

1、管道漏磁無損檢測傳感器的設計與實現(xiàn) 摘 要：針對管道陷檢測的現(xiàn)狀，研制了一種適用于輸油、輸氣管道的漏磁無損檢測傳感器，該傳感器由磁敏器件、勵磁模塊、導輪等部分組成，具有靈敏度高、可用性強的特點，能滿足不同管徑和工況的管道缺陷檢測，內(nèi)容涉及漏磁檢測、磁敏器件的選擇、永磁體的優(yōu)化以及導輪的設計等。 關(guān)鍵詞：漏磁檢測；磁敏器件；勵磁模塊；導輪 引言 輸油、輸氣管道在長期使用中，由于表層地基不穩(wěn)定、介質(zhì)腐蝕、意外事故等原因，管道易發(fā)生位貌變化，并產(chǎn)生腐蝕與裂紋等缺陷和損傷，發(fā)生油氣泄漏現(xiàn)象，將對環(huán)境造成極大的污染和危害，并帶來經(jīng)濟和人身安全上的巨大損失，所以必須對工業(yè)管道進行定期無損檢測。 目前的管道

2、檢測技術(shù)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(nèi)部缺陷，需從管道內(nèi)部穿過，結(jié)構(gòu)復雜。射線檢測對于復雜的工況環(huán)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1，2。國家“十五”863項目“海底管道內(nèi)爬行器及檢測技術(shù)”中，以漏磁檢測法設計了管道檢測系統(tǒng)，文中將對其中的漏磁檢測傳感器

3、的設計及其相關(guān)問題進行研究。 1 漏磁檢測傳感器的原理及設計 1.1 磁敏器件的選擇 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(tài)，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(guān)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3。 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(jù)霍爾效應制成的，將一通電導體或

4、半導體薄片置于磁場中，則產(chǎn)生一個和電流及磁場方向垂直的電場，亦即產(chǎn)生一電動勢，這種現(xiàn)象叫霍爾效應。霍爾電動勢可以表示為： 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(guān)，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： 當施加恒定電流且霍爾元件已經(jīng)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(guān)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(shù)特性如表1。 1.2 漏磁檢測傳感器電路構(gòu)成 漏磁檢測傳感器電路由

5、霍爾元件、恒流源差動放大和穩(wěn)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(wěn)壓電路將系統(tǒng)送來的12V電源分別經(jīng)78L09和79L09穩(wěn)成9V的電壓，供探頭內(nèi)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(tǒng)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55100。當器件外加430V電壓時，能提供1/K的恒定電流。 1.3 漏磁傳感器結(jié)構(gòu)設計 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(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換并傳送至上位機或其

6、他芯片處理。其中所需霍爾元件的片數(shù)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。 上述兩式中的r為管道半徑，M為采用的A/D轉(zhuǎn)換模塊的塊數(shù)，T為A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換周期，vc為漏磁傳感器的運行速度。根據(jù)給定的要求求出式(3)和式(4)中的霍爾元件個數(shù)N，再取實際需要的霍爾元件的個數(shù)。 一般說來，由于A/D轉(zhuǎn)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(jù)周向最小檢測長度lc來計算，對于一個219mm的管道，當要求其周向最小檢測長度為14mm時，其霍爾元件數(shù)至少為50片。 傳感器的勵磁器件由導磁體和永磁

7、體組成。導磁體選用工業(yè)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(wěn)定的特點。 在整個檢測系統(tǒng)回路中，總的磁通由永磁體提供，永磁體尺寸的優(yōu)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4。如圖2所示，管壁厚度為t，缺陷深度為a，b是管壁內(nèi)沒有缺陷處的磁通，d是管壁內(nèi)有缺陷處的磁通。a和c分別是管內(nèi)無缺陷和有缺陷處對應的空氣處的漏磁通。設永磁體產(chǎn)生的總磁通為，則有： 檢測系統(tǒng)的漏磁信號大小取決于c，而信噪比取決于

8、c/a的比率，定義c/a。 對于長為lm寬為w的永磁體，如產(chǎn)生的磁感應強度為Bm，則有： 因為氣隙和管壁厚度相對于直徑來說很小，可認為wd，d為管道直徑，從而可以求出滿足 最大時的lm值，此時檢測到的信號最好。 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： 其中 為摩擦系數(shù)，F(xiàn)牽引力為使漏磁傳感器平穩(wěn)運行所需

9、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(jié)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 傳感器性能及實驗結(jié)果 對于一個管道內(nèi)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(jié)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(fā)生器產(chǎn)生的磁場

10、，橫坐標為對應測量所得的電壓值，由圖5可以看出，系統(tǒng)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5，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(jié)果中的噪聲，則測量結(jié)果和計算結(jié)果是非常接近的，從而說明了該漏磁傳感器具有很高的準確度。 3 結(jié)論 該文設計的漏磁無損檢測傳感器，實驗室條件下其壁厚測量誤差小于0.5mm，最小裂縫檢測長度8mm，具有良好的線性度和準確度。但是實際的工業(yè)管道測試中還存在著一些不確定因素，它需要做出進一步的深入研究。參考文獻1Jens Haueisen，R

11、alf Unger，Thomas Beuker.Evaluation of Inverse Algorithms in the Analysis of Magnetic Flux Leakage DataJ.IEEE Transactions on Magnetics，2002，(38)：14811488.2S.Mandayan，L.Udpa，S.S.Udpa，andW.Lord.Invariance Transformation for Magnetic Flux Leakage SignalsJ.IEEE Transactions On Magnetics，1996，(32)：15771580.3金建華，康宜華，武新軍，等.用集成霍爾元件定量檢測缺陷漏磁場的特點J