钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用..docVIP

钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用发表于 2012-1-6 13:50:27 |只看该作者 |倒序浏览 摘　要：为解决带包覆层钢腐蚀检测的技术难题，根据脉冲涡流检测原理，研制出一套脉冲涡流钢腐蚀检测仪。详细论述了传感器、主机和检测软件等检测系统的组成。实验室和现场试验表明，该系统能够穿透铝和不锈钢等常见管道保护层材料，检测出１２０ｍｍ 包覆层厚度下１０％的钢腐蚀变化。钢腐蚀脉冲涡流检测技术为在线检测提供了新的手段。 关键词：钢腐蚀；脉冲涡流检测；包覆层 ? ?? ? 腐蚀是各种钢结构在使用过程中不可避免的问题。相关调查的数据表明，腐蚀造成的损失平均约占国民生产总值的３％，对于石油与石化行业尤其严重，约占产值的６％。为适应现代工业高温、高压、高效率的发展，越来越多的钢结构如管道、压力容器等被包覆层覆盖。其目前的检测方法要求先去掉包覆层，从而需要停止设备的运行，不仅费用高且耗时长。如何在不去除包覆层的情况下完成金属腐蚀检测，是无损检测中需要解决的一个难题。目前，常用的不去除包覆层实现钢腐蚀检测的方法是射线检测，该方法对防护要求比较高，不便于现场应用。国外已研制出基于脉冲涡流技术的钢腐蚀检测设备，能够实现在线连续检测，但由于技术垄断，该设备价格极为昂贵。打破国外技术垄断，开发自主知识产权的检测设备，是唯一的出路。国内已研制出基于阻抗分析方法的ＥＥＣ８３型脉冲涡流检测仪器。笔者根据脉冲涡流检测原理，通过研究检测信号的时域波形特征，研制出钢腐蚀脉冲涡流检测系统，并进行了实验室和现场验证。 １　基本原理 脉冲涡流钢腐蚀检测的基本原理如图１所示。将一直流电通入线圈，在一定时间内可在构件内产生一稳定的磁场。当断开该直流电时，在线圈周围产生的电磁场由两部分叠加而成：一部分是直接从线圈中耦合出的一次电磁场，另一部分是试件中感应出的涡流场所产生的二次电磁场。而后者包含了构件本身的厚度或者缺陷等信息。采取合适的检测元件和方法，对二次场进行测量，并对该测量信号进行分析，可得到被测构件信息。 ２　检测系统构成 根据前述检测原理，研制的钢腐蚀脉冲涡流检测系统如图２所示。其主要由主机、电池箱、传感器、前置放大器和便携计算机组成。 该系统的主要性能技术指标如下： 被检材料：铁磁性材料。 最大包覆层（石棉、水泥等）厚度：１２０ ｍｍ。 保护层外壳材质：铝或不锈钢薄层。 最小检测灵敏度：壁厚减薄１０％ （最小为０．５ｍｍ）。 壁厚测量范围：６～３０ｍｍ。 能测量的最小管径：１５９ｍｍ。 ２．１　主机 检测系统主机是系统的核心，各个模块都有自身特殊的要求。其中激励信号源要求频率成分稳定，精度高，波形上升和下跳沿陡峭。功率放大电路要求转换速率高，实现各种频率成分的无失真放大，从而实现方波信号的无失真输出。传感器要求温漂小，测量可重复性好，能够穿透一定厚度的铁磁性材料。微弱信号放大电路要求至少能将电压衰减段的曲线无失真放大到数据采集卡能分辨的程度。 脉冲激励信号源要求能够产生频率和占空比可调的正负方波。在信号源的具体实现中，设计制作了基于ＤＤＳ技术的脉冲激励信号源。对ＤＤＳ芯片的控制则采用常用的５１单片机，该单片机主要完成ＤＤＳ芯片和上位ＰＣ机的接口工作。两路ＤＤＳ芯片分别产生两路幅值和频率相等、相位相差１８０°的正弦波。这两路正弦波分别进入电压比较器后转化为频率相等、相位相差１８０°的方波。两路方波进入减法器相减，可得到正负方波信号。功率放大电路用以放大正负方波信号，在激励线圈中产生幅值达±３Ａ 的电流脉冲，其频率可调范围为０．１ Ｈｚ～２００ｋＨｚ，满足脉冲涡流检测对激励电路的要求。通常，脉冲涡流系统采集到的信号中有很大噪声。为了最大程度地提高信噪比，一是需要合适的电路布局，避免模拟／数字混合干扰；二是选用共模抑制比足够高的仪表放大器，作为前置放大器，放大微弱信号；三是用合适的滤波电路滤除高频噪声；四是选用良好的电源给仪表运放供电，因为开关电源有不可消除的开关噪声。在此采用精密线性电源，并且加入电池供电模块，满足工业现场的需要。脉冲涡流信号需要重复采样，取得平均值，以最大限度地消除噪声影响。采集触发模块能够同步每次采集的脉冲涡流信号，使一组脉冲涡流信号具有严格相同的起始时间和结束时间，并且能够根据信号分析需要调节欲采集的信号时段，区分激励信号的上跳和下跳沿，截取感兴趣的波形，便于采集和分析处理。 为适应检测系统便携性的要求，采用ＵＳＢ 接口，实现数据采集和传输。 ２．２　传感器 由检测原理可知，传感器由激励线圈和检测元件两部分构成，其中激励线圈的大小、匝数、形状以及个数都会对传感器覆盖区域的大小造成影响。实际绕制激励线圈时，如果匝数很多，则线圈电感量很大，可以产生较大的磁场，提供较大的穿透深度，但其对方波信号的跳变响应会变慢，激励线圈内电流的变化缓慢，