CN101561466B - 一种涡流电导率测量方法 - Google Patents

Abstract

一种涡流电导率测量方法，采用计算机控制测量，测量元件包括信号发生器1、检测电路2、交流频率变送器3、交流电压变送器4、数据采集卡5，具体控制过程为：通过信号发生器产生的激励信号，采用交流频率变送器3和数据采集卡5将检测电路的f、U_O、U_R、U_Z传输至计算机中，通过软件计算得出检测线圈的感生电动势ε₀，并实时监测；当样品的电导率发生变化时，线圈的感生电动势随即发生变化，通过计算机控制并改变激励信号的频率，将线圈的感生电动势调整回变化前的数值，并根据信号频率的改变量，计算出电导率的变化。本发明提供的涡流电导率测量方法具有电路简单，参数少，数据处理容易等优点，可以很方便对样品电导率进行自动连续测量。

Description

一种涡流电导率测量方法

技术领域

本发明涉及一种涡流检测技术，是一种通过调频的方式，采用计算机控制，实现自动连续测量样品电导率的方法。

背景技术

涡流检测适用于导电材料，处于交变磁场中的导体，内部会感生出交变的涡流，涡流又产生感生电磁场。感生电磁场的大小取决于外加磁场、导体电磁性能、导体几何尺寸及磁场和导体间的耦合。通过检测线圈，提取感生电磁场的变化信息，可以测量出导体本身的变化。

阻抗分析法是目前涡流检测中应用最广泛的一种方法，它是以分析检测线圈阻抗模和相位的变化为基础，通过当量比较，鉴别样品与标块间的差别。这种方法的最大缺点是电路复杂，测量结果影响因素多，参数容易漂移，需要经常进行校准，不能实现对电导率自动连续地测量。

频率补偿法是不同于阻抗分析法的一种涡流检测方法。其原理是，当样品的电导率改变时，检测线圈的感生电动势将发生变化，这时调整激励信号的频率对感生电动势进行补偿，通过测量补偿频率的大小得出样品性质的变化。频率补偿式涡流电导率测量具有电路简单，参数少，数据处理容易等优点，很方便对样品电导率进行自动连续测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡流电导率测量方法。

本发明提供一种涡流电导率测量方法，采用计算机控制测量，测量元件包括信号发生器1、检测电路2、交流频率变送器3、交流电压变送器4、数据采集卡5，具体控制过程为：

通过信号发生器产生的激励信号，采用交流频率变送器3和数据采集卡5将检测电路的f、U₀、U_R、U_Z传输至计算机中，通过软件计算得出检测线圈的感生电动势ε₀，并实时监测；当样品的电导率发生变化时，线圈的感生电动势随即发生变化，通过计算机控制并改变激励信号的频率，将线圈的感生电动势调整回变化前的数值，并根据信号频率的改变量，计算出电导率的变化。

本发明提供的涡流电导率测量方法，信号发生器1为可外部控制恒流源，检测电路2为检测线圈与参比电阻的串联电路。交流频率变送器对检测电路的频率进行变换，交流电压变送器将检测电路中的电压变换成采集卡输入电压范围，数据采集卡将模拟信号转换成数字信号并向计算机中传输数据，计算机对数据进行分析、处理、存储和显示并控制信号发生器的频率。

本发明的原理如下：通过改变激励信号的频率，补偿由样品的电导率变化所导致的检测线圈的感生电动势的变化，并根据信号频率的改变量即补偿频率计算出电导率的变化，具体为：

1、测量的等效电路见图2，其中测量电流为I₀，R为参比电阻，r为检测线圈的阻性部分，L为检测线圈的感性部分。检测线圈的感生电动势为：

${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{\sqrt{({2U}_0^2{U}_R^2+{2U}_R^2{U}_Z^2+{2U}_Z^2{U}_0^2)-(U_0^4+U_R^4+U_Z^4)}}{{2U}_R}---\left(1\right)$

2、感生电动势与激励磁场和样品性质间的关系

根据图3，有：

ε₀＝2n²π²a²μ₀I₀f[1-η+ημ_rμ_e(fσμ_rct)]        (2)

3、根据补偿的频率计算变化后的电导率

根据式(2)，外径为b，壁厚为t，内径为c，电导率为σ₁，相对磁导率为μ_r的管材，被放入半径为a，长度为L₀的检测线圈中时，在频率为f的信号激励下，产生感生电动势的模为：

ε₁₀＝2n²π²a²L₀μ₀[1-η+ημ_rμ_e(f₁σ₁μ_rct)]I₁₀f₁  (3)

整理得：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{10}}{f_1}={2n}^2{\mathrm{\π}}^2{a}^2{L}_0{\mathrm{\μ}}_0[1-\mathrm{\η}+{\mathrm{\η\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_e\left(f_1{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{ct}\right)]I_{10}---\left(4\right)$

当样品管材电导率发生变化时，调整激励信号的频率补偿这一变化，即：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{20}}{f_2}={2n}^2{\mathrm{\π}}^2{a}^2{L}_0{\mathrm{\μ}}_0[1-\mathrm{\η}+{\mathrm{\η\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_e\left(f_2{\mathrm{\σ}}_2{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{ct}\right)]I_{20}---\left(5\right)$

由于使用的是恒流源，因此I₁₀＝I₂₀

当f₁σ₁＝f₂σ₂，即 $f_2=\frac{f_1{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_2}$ 时，有：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{10}}{f_1}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{20}}{f_2}---\left(25\right)$

在频率调整过程中，测量U₀、U_R、U_z，并计算感生电动势ε₀，当调整的频率值正好使

等于

时，关系式f₁σ₁＝f₂σ₂成立，由此计算出变化后的管材电导率 ${\mathrm{\σ}}_2=\frac{f_1{\mathrm{\σ}}_1}{f_2}.$

本发明提供的涡流电导率测量方法具有电路简单，参数少，数据处理容易等优点，可以很方便对样品电导率进行自动连续测量。

附图说明

图1  测量装置图，其中包括信号发生器1、检测电路2、交流频率变送器3、交流电压变送器4、数据采集卡5和计算机6。

图2  检测电路等效电路图

图3  检测线圈与样品管材位置图

具体实施方式

1、测量装置

按照图1所示的原理图搭建测量电路，其中信号发生器使用型号为EGC3233全数字函数信号发生器，频率范围为0.1Hz～3MHz，最小频率分辨力为0.01Hz；频率变送器的型号是BPLG-R4aD13；交流电压变送器的型号是BDYD-J4aD24；数据采集卡为SC601快速并口型高速A-D采集器；计算机的型号是DELL optiplex755；控制程序由Visual C++语言编制；电阻使用标准的碳膜电阻；检测线圈采用直径为0.35mm的漆包线绕制(漆包线的电导率为43.5MS/m)，线圈长度30mm，直径42.35mm，线圈总匝数85匝。

2、样品制备

选用时效态7475A1管材作为样品，尺寸为φ40mm×2.5mm×400mm。对管材的外表面进行抛磨，去除外表面缺陷，并使表面粗糙度达到Ra0.8。然后将管材横向切断，分别编号为1#和2#，并将2#样品管进行退火处理，退火制度是415℃，保温1小时，炉冷。

3、用标准仪器测量样品的电导率

为了验证理论分析的正确性，首先用标准仪器对1#、2#样品管材的电导率进行测量，测量方法满足GB/T12966-1991标准规定，测量使用的仪器是由De Hua Materials Testing Co.，Ltd生产的AS3000DL涡流式电导率测量仪，测量的误差为±0.2％IACS。每个样品沿周向测量6个点，舍去最大值和最小值后，取其余数据的算术平均值作为该样品的电导率值。1#样品的电导率为40.0％IACS，2#样品的电导率为46.3％IACS

4、测量结果

根据f₁σ₁＝f₂σ₂关系，用不同频率的激励信号检测1#和2#样品管，计算检测线圈的感生电动势，以及和

的相对偏差。

表1为试验结果，共进行六组试验，由于σ₂/σ₁＝1.16，各组的测试频率满足f₁/f₂＝1.16。从试验数据可以看出，当测试频率和参比电阻选择合适时，和

的相对偏差在1％以下。

注：相对偏差是指的是

和之差与它们的算术平均值之比

测量结果与理论预测完全相符，证明用频率补偿法测量电导率是完全可行的。

表1  在满足f₁σ₁＝f₂σ₂关系下，ε₀/f的相对偏差

Claims (2)

1.一种涡流电导率测量方法，其特征在于：采用计算机控制测量，测量元件包括信号发生器(1)、检测电路(2)、交流频率变送器(3)、交流电压变送器(4)、数据采集卡(5)，具体控制过程为：

将信号发生器产生的激励信号输入检测电路，采用交流频率变送器(3)、交流电压变送器(4)和数据采集卡(5)将检测电路的频率f、检测电路两端的电压U₀、参比电阻两端的电压U_R、检测线圈两端的电压U_Z传输至计算机中，通过软件计算得出检测线圈的感生电动势ε₀，并实时监测；当样品的电导率发生变化时，检测线圈的感生电动势随即发生变化，通过计算机控制并改变激励信号的频率，将线圈的感生电动势调整回变化前的数值，并根据激励信号频率的改变量，计算出电导率的变化；

其中，所述的检测电路(2)为检测线圈与参比电阻的串联电路。

2.按照权利要求1所述的涡流电导率测量方法，其特征在于：信号发生器(1)为可外部控制的恒流源。

Images