CN104266579B - 一种对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法,步骤一是在被检铁磁构件上任意选取一检测点,然后对所述检测点实施脉冲涡流检测,并将采集的感应电压信号绘制在半对数坐标系中;然后依据直线方程y=kjx+aj对所述感应电压测量曲线在0.1倍特征衰减时间之后的曲线段进行最小二乘法拟合,提取拟合直线的斜率和截距作为检测特征量;步骤二是在被检铁磁构件的另一检测点上,采用与步骤一相同的处理方式得到斜率和截距;步骤三是将前一检测点的斜率与后一检测点的斜率进行比值开根号,来得到两个检测点处的相对壁厚,从而快速、精确地检测出被检铁磁构件壁厚被腐蚀的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁无损检测技术领域,更特别地说,是指一种基于铁磁构件脉冲涡流电磁无损检测的信号特征量的提取方法。
背景技术
在工业领域,大量使用铁磁性管道和压力容器来输送和存储具有高温、高压、腐蚀性的液体或气体介质,铁磁管道和压力容器的腐蚀十分普遍。腐蚀导致铁磁管道和压力容器的壁厚减薄,承压性能下降,造成泄漏、爆炸等事故,带来人员伤亡和经济损失。因此需要定期对被检构件(如铁磁管道和压力容器)的腐蚀情况实施在役无损检测和评估。
脉冲涡流法是一种可以在包覆层外在役检测被检构件壁厚的电磁无损检测方法。以脉冲电流激励代替正弦电流激励,在被检构件外激发出脉冲磁场,使被检构件内感应出脉冲涡流,然后通过检测此脉冲涡流电磁场的衰减过程,来评估被检构件壁厚的腐蚀程度。
现有的铁磁材料脉冲涡流测厚技术,多以感应电压信号在双对数坐标系下的特征衰减时间τ作为检测特征量来检测铁磁构件壁厚d的相对变化,其中τ=μ0μrσd2,μ0为真空磁导率,μr为被检构件的相对磁导率,σ为被检构件的电导率。一方面特征衰减时间τ的数学定义比较模糊,在时间-电压信号曲线(双对数坐标系)上提取特征衰减时间τ时容易引入误差;另一方面当只有特征衰减时间τ一个检测特征量时,由于被检构件的未知参数较多,使得检测结果容易受到被检构件的电导率、相对磁导率、线圈提离等因素变化的影响。
为了在现有脉冲涡流检测系统中对被检铁磁构件进行更准确的脉冲涡流检测,需要提出一种更加有效的方法来衡量脉冲涡流电磁场的衰减过程,以此来评估被检构件壁厚的腐蚀程度。
发明内容
本发明的目的是提出一种对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法,该方法是在现有脉冲涡流电磁无损检测系统的计算机中实现的。本发明信号特征量的提取是将感应电压时域信号以半对数坐标形式存储于计算机中,采集的感应电压时域信号形成感应电压测量曲线,然后依据直线方程y=kjx+aj对所述感应电压测量曲线在0.1倍特征衰减时间之后的曲线段进行最小二乘法拟合,得到直线段斜率与截距两个检测特征量;最后通过所述检测特征量解析出被检铁磁构件的电磁参数、壁厚。在本发明中,利用被检铁磁构件上两个检测点的斜率进行比值开根号,来得到这两个检测点相对壁厚关系从而得到被检构件壁厚的相对变化量,快速、精确地检测出铁磁构件壁厚被腐蚀的情况。
本发明对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取包括有下列步骤:
步骤一:将空心圆柱线圈探头(10)置于被检铁磁构件上第j个检测点Qj;所述检测点Qj处的壁厚记为dj;j为检测点的标识号;
步骤二:利用脉冲涡流电磁无损检测系统对检测点Qj实施脉冲涡流检测,并将采集得到的感应电压时域信号u(t)存储在计算机中,计算机将所述的感应电压时域信号u(t)绘制在半对数坐标系中,得到感应电压测量曲线;
步骤三:利用直线方程y=kjx+aj对所述感应电压测量曲线上位于0.1倍特征衰减时间τ之后的曲线段进行最小二乘法拟合,得到感应电压拟合直线;
kj为检测点Qj处感应电压拟合直线的斜率,且
aj为检测点Qj处感应电压拟合直线的截距,且
步骤四:将空心圆柱线圈探头(10)移至被检铁磁构件的下一检测点Qj+1,重复步骤二和步骤三,得到检测点Qj+1处的斜率kj+1和截距aj+1;
kj+1为检测点Qj+1处感应电压拟合直线的斜率,且
aj+1为检测点Qj+1处感应电压拟合直线的截距,且
步骤五:将检测点Qj处的斜率kj与下一检测点Qj+1处的斜率kj+1作比后开根号,得到前后两个检测点的斜率关系
下一检测点Qj+1处的壁厚dj+1与检测点Qj处的壁厚dj的比值,与所述 之间存在的关系为由此能够计算出被检铁磁构件壁厚的相对变化量,即得到壁厚的腐蚀情况。
本发明对被检铁磁构件的信号特征量提取方法的优点在于:
①本发明将被检铁磁构件脉冲涡流检测的感应电压时域信号绘制于半对数坐标系下,提取检测信号直线段的斜率和截距作为检测特征量。检测信号在半对数坐标系下直线段的特征明显,容易判断,特征量的提取易于操作;提取过程只须对信号曲线进行简单的直线拟合,信号处理速度快,能加快铁磁构件脉冲涡流检测的检测速度;给出了各检测特征量与被检构件电磁参数、壁厚之间的定量关系式,为利用检测特征量解析出被检构件的参数提供了理论依据。
②作为本发明中提取的检测特征量的一个应用,可利用被检构件两处检测点检测信号直线段斜率的比值开根号,来得到此两处检测点壁厚的比值,从而得到被检构件壁厚的相对变化量。由于检测信号直线段的斜率与线圈探头距离被检构件外表面之间的提离无关,因此,利用该方法检测铁磁构件壁厚的相对变化量时,检测结果可不受线圈探头提离的影响,从而提高该方法现场应用时的检测精度。
③将特征衰减时间τ这一个检测特征量扩展到斜率和截距两个特征量,增加了被检铁磁构件脉冲涡流检测信号特征量的数目,有利于确定出被检构件更多的参数。
附图说明
图1是现有脉冲涡流电磁无损检测系统的结构图。
图1A是空心圆柱线圈探头的剖面结构图。
图2是本发明的感应电压检测信号直线段检测特征量的提取曲线图。
图3是采用本发明方法对钢管不同壁厚处感应电压检测信号提取的检测特征量对比图。
图4是采用本发明方法对不同提离条件下感应电压检测信号提取的检测特征量对比图。
图5是采用本发明方法实施铁磁构件壁厚脉冲涡流检测的软件界面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A所示的脉冲涡流电磁无损检测系统,包括有空心圆柱线圈探头10、计算机20、脉冲激励源21和数据采集卡22。所述空心圆柱线圈探头10由线圈骨架1、激励线圈2和检测线圈3组成,线圈骨架1设置在激励线圈2的中心部位,激励线圈2的外部是检测线圈3;或者线圈骨架1设置在检测线圈3的中心部位,检测线圈3的外部是激励线圈2。被检铁磁构件12是导电、导磁的管道或者压力容器,外有一层非导电非导磁的包覆层11覆盖着,起保温、防腐等作用。在本发明中,选用的数据采集卡为美国国家仪器公司(NI)生产的PCI-6010。
计算机20能够实现信号采集控制、信号显示、数据存储和信号处理等功能,对接收的数据进行处理,提取信号特征,获得被测铁磁构件12的腐蚀信息。
在脉冲涡流电磁无损检测系统中,计算机20向脉冲激励源21输出触发信号,触发启动脉冲激励源21给空心圆柱线圈探头10中的激励线圈2提供脉冲激励电流,产生脉冲强磁场;在所述脉冲磁场激励下,被检铁磁构件12中感应出脉冲涡流场,在空心圆柱线圈探头10中的检测线圈3两端感应出电压信号;所述感应电压检测信号经数据采集卡22采集、处理后输出数字的脉冲涡流检测信号给计算机20,计算机20对接收到的感应电压检测信号进行处理后得到被检铁磁构件12的壁厚。
被检铁磁构件的脉冲涡流检测信号的获取(SAP):
一般被检铁磁构件是导电、导磁的管道或者压力容器,外有一层非导电、非导磁的包覆层覆盖,起保温、防腐等作用。在本发明中,实施脉冲涡流检测的系统结构如图1所示,将空心圆柱线圈探头(如图1A所示)置于带包覆层的被检铁磁构件上。被检铁磁构件上的检测点记为Q,被检铁磁构件上的第几个检测点记为Qj,下标j为检测点Q的标识号,被检铁磁构件上的另一个检测点记为Qj+1,j=1,2,……,N,N为自然数。被检铁磁构件上的任意一检测点Qj的壁厚记为dj,另一个检测点Qj+1的壁厚记为dj+1,提离距离为l,本发明脉冲涡流检测信号的获取步骤为:
步骤SAP-1,将空心圆柱线圈探头10垂直放置于被检铁磁构件检测点包覆层外,线圈探头下边缘与被检铁磁构件上表面之间的提离距离为l,如图1所示;
步骤SAP-2,激励线圈2的两端接入脉冲电流激励源21,检测线圈3的两端接入数据采集卡22;
步骤SAP-3,用计算机20控制脉冲激励源21输出持续脉宽为10~5000ms,幅值为0.1~20A的稳定电流I0(单位为A,也称为脉冲激励电流的幅值),在检测起始时刻(即t=0),关断激励电流,得到快速下降的脉冲激励电流下降沿;
步骤SAP-4,用数据采集卡22采集激励电流关断后,在一个采样时间T(T=10ms~1s)里,检测线圈3两端的感应电压时域信号u(t)(单位V),并将采集得到的感应电压信号u(t)存储到计算机20内。
在本发明中,如图1A所示,用铜漆包线在不导电、不导磁的线圈骨架1外分层、有序、紧密缠绕激励线圈2,用铜漆包线在激励线圈2外分层、有序、紧密缠绕检测线圈3,制成空心圆柱线圈探头。
在本发明中,利用脉冲涡流检测系统对被检铁磁构件进行的感应电压时域信号采集,称为信号采集步骤,Signal Acquisition Procedure,SAP。
脉冲涡流检测信号特征量的提取方法(CEP):
按照SAP步骤采集得到检测线圈3两端的感应电压后,如何对检测信号进行处理,快速提取出能反映检测点Qj处壁厚dj变化的检测特征量,是脉冲涡流检测中信号处理的关键。由于被检铁磁构件的导磁性能好,感应电压信号在后期段(是指感应电压测量曲线上位于0.1×τ之后的曲线段,τ为特征衰减时间)会近似呈指数衰减,将其绘制在半对数坐标系下,后期段感应电压信号可近似为一段直线,基于此规律,本发明中信号特征量的提取步骤如下:
步骤CEP-1,将SAP步骤采集得到的检测线圈两端感应电压时域信号u(t)绘制在半对数坐标系中,得到感应电压测量曲线,如图2所示,图中横轴表示检测时间t(单位ms),纵坐标表示对感应电压取以10为底的对数log10(u(t))(单位V);
步骤CEP-2,利用直线方程y=kjx+aj对图2中感应电压测量曲线的后半段(是指感应电压测量曲线上位于0.1×τ之后的曲线段,τ为特征衰减时间)进行最小二乘法拟合,得到感应电压拟合直线,如图2所示;
步骤CEP-3,提取出感应电压拟合直线段的斜率kj和截距aj作为检测特征量C=(kj,aj);
其中斜率kj与被检铁磁构件的相对磁导率μr、电导率σ、检测点Qj处的壁厚dj之间的关系为:
π取值为3.14;
e为自然对数的底,取值为2.72;
μ0为真空磁导率,取值为4π×10-7H/m;
μr为被检铁磁构件的相对磁导率;
σ为被检铁磁构件的电导率,单位为S/m;
dj为被检铁磁构件上检测点Qj的壁厚,单位为m。
其中截距aj与被检铁磁构件的相对磁导率μr、电导率σ、检测点Qj的壁厚dj之间的关系为:
I0为脉冲激励电流的幅值,单位为A;
Cd为激励线圈的线圈系数,Cp为检测线圈的线圈系数,其计算式可参考陈兴乐等于2013年6月,发表在《电工技术学报》第28卷第6期上的“平板导体脉冲涡流场时域解与测厚特征量的提取”一文。在本发明中,采用同一个线圈探头对被检构件不同检测点实施检测时,Cd和Cp只与线圈探头的距离l有关。
步骤CEP-4,依据检测特征量C=(kj,aj)解析出被检铁磁构件的电磁参数和壁厚;
由式(1)可解得被检铁磁构件相对磁导率μr、电导率σ、检测点Qj的壁厚dj平方之间的乘积为:
由式(2)和式(3)联合,解得相对磁导率μr与检测点Qj处的壁厚dj的乘积为:
在本发明中,计算机对感应电压信号u(t)的分析,并得到脉冲涡流检测信号特征量的过程,称为特征量提取步骤,Characteristic quantity Extraction Procedure,CEP。
利用本发明检测信号特征量,测量被检铁磁构件不同位置点壁厚的相对变化量的方法:
对铁磁构件实施脉冲涡流检测的目的是通过感应电压时域信号的衰减过程,来评估壁厚的腐蚀程度,因此,本发明采用检测特征量C=(kj,aj)来确定被检铁磁构件壁厚的变化,是脉冲涡流检测的最终目的。一般而言,铁磁构件的电导率σ、相对磁导率μr等电磁参数容易受铁磁构件材料微观结构、温度、构件内剩磁等因素的影响,所以很难用标准件对检测信号进行标定,但可以从被检铁磁构件上任意找一点作为参考点,来测量被检铁磁构件不同位置点壁厚的相对变化量。
步骤一:将空心圆柱线圈探头10置于被检铁磁构件上,任意选取一处检测点,标记为检测点Qj,检测点Qj的壁厚记为dj;
步骤二:按照SAP步骤,对检测点Qj实施脉冲涡流检测,并将采集得到的检测线圈两端感应电压时域信号u(t)绘制在半对数坐标系中,得到感应电压测量曲线;
步骤三:按照CEP步骤,从检测点Qj检测信号中提取出感应电压直线段的斜率kj和截距aj,将这两个特征量存储于计算机内存中;
kj为检测点Qj处感应电压拟合直线的斜率,且
aj为检测点Qj处感应电压拟合直线的截距,且
步骤四:将空心线圈探头10移至被检铁磁构件的下一检测点Qj+1,重复步骤二和步骤三,得到下一检测点Qj+1的感应电压信号的检测特征量,即下一检测点Qj+1的斜率kj+1和截距aj+1;
kj+1为检测点Qj+1处感应电压拟合直线的斜率,且
aj+1为检测点Qj+1处感应电压拟合直线的截距,且
步骤五:检测点Qj处的斜率kj与下一检测点Qj+1处的斜率kj+1作比后开根号,得到前后两个检测点的斜率关系
在本发明中,下一检测点Qj+1处的壁厚dj+1与检测点Qj处的壁厚dj的比值,与所述之间存在的关系为由此能够计算出被检铁磁构件壁厚的相对变化量,即得到壁厚的腐蚀情况。
由此计算出后一检测点Qj+1处的壁厚相对于前一检测点Qj处壁厚的相对变化量后,将检测结果与检测点的位置信息对应起来,保存到计算机中,如图5所示。直至描绘出整个被检铁磁构件壁厚相对于前一检测点Qj的壁厚的相对变化情况,从而找出被检铁磁构件壁厚腐蚀减薄的位置,并对壁厚腐蚀程度进行定量评估。
在本发明中,前后两个检测点之间的最小间隔为空心圆柱线圈探头10的半径,即r(如图1A所示)。
实施例
1
下面给出一个用本发明中方法提取信号特征量对钢管壁厚实施脉冲涡流检测的实例。
检测对象是外直径为180mm,长2m,壁厚为6.9mm的20#钢管。
为了对比不同壁厚下的检测信号,将钢管的一半长度,机械加工成6.0mm的壁厚。
将检测点Qj设置在6.9mm壁厚这一段的中间位置,将检测点Qj+1设置在6.0mm壁厚这一段的中间位置,Qj与Qj+1的间隔为1m,即Qj处的实际壁厚dj=6.9mm,Qj+1处的实际壁厚为dj+1=6.0mm。
线圈探头下沿与被检管道外表面之间的提离距离为12mm(即l=12mm)。
按照本发明提出的SAP步骤分别对Qj处和Qj+1处钢管实施脉冲涡流检测,得到感应电压检测信号如图3所示,采样率为50kS/s。然后按照CEP步骤对检测信号后半段进行直线拟合,提取出直线段斜率和截距作为检测信号的检测特征量。图3中两条实直线的斜率分别测得为-58.9(即kj=-58.9)和-79.9(即kj+1=-79.9),则有代入中,计算出检测点Qj+1处壁厚dj+1与检测点Qj处壁厚dj的比值为 实际上两处检测点管道壁厚的比值为可见,用本发明中检测特征量测量出的钢管两处壁厚的比值,与钢管实际壁厚的比值之间的误差只有1.1%,验证了本发明中方法检测钢管壁厚相对变化量的可行性和可靠行。
在工业现场对构件实施脉冲涡流检测时,构件外包覆层厚度的变化、被检构件或线圈探头的抖动等因素,都会引起检测时线圈探头与被检构 件之间提离距离的变化,从而引入检测误差。本发明中,由式(1)和式(2)可知,线圈探头的提离距离l只对检测特征量截距有影响,与检测特征量斜率无关,因此,利用来检测铁磁构件壁厚的相对变化量时,检测结果不受线圈探头提离的影响。将线圈探头置于实施例1钢管的检测点Qj处,令线圈探头下沿与被检管道外表面之间的提离距离l分别为6mm、12mm和18mm,按照SAP步骤对钢管实施脉冲涡流检测,得到不同提离条件下感应电压检测信号如图4所示。然后按照CEP步骤对检测信号后半段进行直线拟合,提取出图4中3种线圈提离条件下,直线段的斜率分别为-59.2、-58.9和-59.4,可见,同一检测点处不同提离条件下,钢管脉冲涡流检测信号直线段的斜率能基本保持不变,说明本发明中方法检测铁磁构件壁厚相对变化量时,检测结果可不受线圈探头提离的影响。
Claims (4)
1.一种对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法,所述脉冲涡流检测是在现有脉冲涡流电磁无损检测系统的计算机中完成的;
所述脉冲涡流电磁无损检测系统包括有空心圆柱线圈探头(10)、计算机(20)、脉冲激励源(21)和数据采集卡(22);
所述空心圆柱线圈探头(10)由线圈骨架(1)、激励线圈(2)和检测线圈(3)组成,线圈骨架(1)设置在激励线圈(2)的中心部位,激励线圈(2)的外部是检测线圈(3);或者线圈骨架(1)设置在检测线圈(3)的中心部位,检测线圈(3)的外部是激励线圈(2);
在脉冲涡流电磁无损检测系统中,计算机(20)向脉冲激励源(21)输出触发信号,触发启动脉冲激励源(21)给空心圆柱线圈探头(10)中的激励线圈(2)提供脉冲激励电流,产生脉冲强磁场;在所述脉冲磁场激励下,被检铁磁构件(12)中感应出脉冲涡流场,在空心圆柱线圈探头(10)中的检测线圈(3)两端感应出电压信号;感应电压检测信号经数据采集卡(22)采集、处理后输出数字的脉冲涡流检测信号给计算机(20),计算机(20)对接收到的感应电压检测信号进行处理后得到被检铁磁构件(12)的壁厚;
其特征在于对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取包括有下列步骤:
步骤一:将空心圆柱线圈探头(10)置于被检铁磁构件上第j个检测点Qj;所述检测点Qj处的壁厚记为dj;j为检测点的标识号;
步骤二:利用脉冲涡流电磁无损检测系统对检测点Qj实施脉冲涡流检测,并将采集得到的感应电压时域信号u(t)存储在计算机中,计算机将所述的感应电压时域信号u(t)绘制在半对数坐标系中,得到感应电压测量曲线;
步骤三:利用直线方程y=kjx+aj对所述感应电压测量曲线上位于0.1倍特征衰减时间τ之后的曲线段进行最小二乘法拟合,得到感应电压拟合直线;
kj为检测点Qj处感应电压拟合直线的斜率,且
aj为检测点Qj处感应电压拟合直线的截距,且
π取值为3.14;
e为自然对数的底,取值为2.72;
μ0为真空磁导率,取值为4π×10-7H/m;
μr为被检铁磁构件的相对磁导率;
σ为被检铁磁构件的电导率,单位为S/m;
dj为被检铁磁构件上检测点Qj的壁厚,单位为m;
I0为脉冲激励电流的幅值,单位为A;
Cd为激励线圈的线圈系数;
Cp为检测线圈的线圈系数;
步骤四:将空心圆柱线圈探头(10)移至被检铁磁构件的下一检测点Qj+1,重复步骤二和步骤三,得到检测点Qj+1处的斜率kj+1和截距aj+1;
kj+1为下一检测点Qj+1处感应电压拟合直线的斜率,且dj+1为被检铁磁构件上下一检测点Qj+1的壁厚,单位为m;
aj+1为下一检测点Qj+1处感应电压拟合直线的截距,且
步骤五:将检测点Qj处的斜率kj与下一检测点Qj+1处的斜率kj+1作比后开根号,得到前后两个检测点的斜率关系
下一检测点Qj+1处的壁厚dj+1与检测点Qj处的壁厚dj的比值,与所述之间存在的关系为由此能够计算出被检铁磁构件壁厚的相对变化量,即得到壁厚的腐蚀情况。
2.根据权利要求1所述的对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法,其特征在于步骤二中对脉冲涡流检测信号的获取步骤为:
步骤SAP-1,将空心圆柱线圈探头10垂直放置于被检铁磁构件检测点包覆层上方,线圈探头下边缘与被检铁磁构件上表面之间的提离距离为l;
步骤SAP-2,激励线圈2的两端接入脉冲电流激励源21,检测线圈3的两端接入数据采集卡22;
步骤SAP-3,用计算机20控制脉冲激励源21输出持续脉宽为10~5000ms,幅值为0.1~20A的稳定电流I0,在检测起始时刻t=0时,关断激励电流,得到快速下降的脉冲激励电流下降沿;
步骤SAP-4,用数据采集卡22采集激励电流关断后,在一个采样时间T=10ms~1s里检测线圈3两端的感应电压时域信号u(t),并将采集得到的感应电压信号u(t)存储到计算机20内。
3.根据权利要求1所述的对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法,其特征在于:利用和能够解析出被检铁磁构件的电磁参数与壁厚的关系式:和
4.根据权利要求1所述的对铁磁构件进行脉冲涡流检测的信号特征量的提取方法,其特征在于:检测点Qj与下一检测点Qj+1之间的最小间隔为空心圆柱线圈探头(10)的半径。
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