CN1058097A - 远场涡流无损检测高效实用探头 - Google Patents

Abstract

一种远场涡流无损检测高效实用探头是在由激 励线圈与检测线圈所构成的现行探头的基础上，或者 采取对激励线圈设置磁回路，或者采取对检测线圈设 置磁回路，或在激励线圈与检测线圈之间加补偿线圈 的三个措施，以及三个措施中的二者或三者的组合的 办法，从而克服了现行探头输出信号弱，激励功能率 大，探头长度长的致命缺点，能实用于检测各种铁磁 的与非铁磁的导电管子、管状零件与道管的管厚、导 电与导磁性能以及其中的损伤和异常。

Description

远场涡流无损检测高效实用探头属于无损检测技术中电磁检测类的涡流检测技术。

远场涡流技术发明于1946年4月，并以“用磁性方法测量铁管厚度的装置”（原文为“Apparatus  for  magnetically  measuring，thickness  of  ferrous  pipe”）为名，在1951年11月6日获得美国专利，专利号为2573.799。此技术经若干改进后，从五十年代末期起开始用于检测油井管套的损伤。但直至今日，它在其它领域中的应用十分有限，其主要原因是，至今为止的现行远场涡流探头还存在一些需要解决的问题，其中包括：

（1）探头使用过低的激励频率，严重地限制了检测速度;

（2）探头输出信号很微弱，一般在微伏级上下，信噪比很小，给信号测试与处理带来困难;

（3）探头长度不可能做到小于2-3倍管内直径以下，探头的轴向长度过长，使它在管道运行中不方便，甚至不可能;

（4）需要较大的激励功率。

以上四点之间均有相互联系，例如，若能在同样频率下，提高输出信号电平，则同样意味着在同样输出信号下，提高激励频率和提高检测速度。又如，若能减少激励功率，同样也意味着在同样激励功率下，可提高输出信号电平，还有，缩短探头轴向长度，也同样可以使输出信号电平适当地提高。

现行的远场涡流探头的基本结构如附图1所示的专利号为US262155的《利用远场涡流装置探测管道等对象的缺损》。它是一个与被检测金属管（5）同轴安装的装置，其一端绕有一个同轴的激励线圈（1）（文献中称为源线圈）。距离激励线圈（1）大约两、三倍被检测管内直径处，安置一个或一组检测线圈（2）（文献中称探测器）。其基本原理是，通以低频交流电的激励线圈（1）在其周围建立起一个低频交变磁场，其能量的一部分沿管内轴向传播，到达检测线圈，这种耦合称之为直接耦合，其传播路径如附图1中的（3）所示，另一部分能量在激励线圈（1）处直接穿出管壁（5）在管外轴向传播，由于管外传播的能量不再受管壁内涡流的阻碍，因而传播到距离激励线圈较远处之后，管外场强大于管内场强，所以在管外轴向传播的能量将再穿过管壁（5）进入管内，到达检测线圈（2），这种耦合称为间接耦合，其路径如附图1的（4）所示。在检测线圈距激励线圈较近时，直接耦合信号占优势，这个区域叫直接耦合区或近场区;当检测线圈距激励线圈较远（约2-3倍管内直径之外）时，间接耦合信号占优势，这个区域叫远场区。

只有在将检测线圈置于远场区的条件下，检测线圈检测到的信号相位相对于激励线圈电流相位滞后，才与管子壁厚大体上成正比关系，并反映管子的导电、导磁性质以及管壁厚度上的损伤或异常。

虽然目前已有人对现行的探头存在的问题相继提出过若干解决措施，如在近场区与检测线圈之间加电（或磁）屏蔽，或在检测线圈电路中引入反映激励线圈电平和相位的信号等，但它们或者实际效果不明显，或者在技术实现上存在一些困难。

本发明的目的在于设计制造出一种具有输出信号幅值高，激励功率小，探头轴向长度短，或者以适当牺牲输出信号幅度为代价，使用较高的激励工作频率，提高测试速度的便于工程应用的新型远场涡流探头。

实现本发明目的是在现行的远场涡流探头的基础上，分别采取三个措施构成三个彼此独立的技术解决方案，以及三个措施中的二者或三者的组合方法分别再构成四个技术解决方案。

三个具体措施（构成三个具体技术方案）是：

（1）对激励线圈设置磁回路，即整个激励线圈置于磁回路中。其功能是将激励线圈送出的电磁场能量集中。这样使得从线圈扩散到四周的电磁场大大减弱，以减少直接耦合能量。从而达到压缩近场区的目的，以缩短探头长度，增强远场区的电磁场强度，提高输出信号幅值。并在已给定了管壁内最高磁场强度的技术要求下，大大降低激励功率;

（2）在激励线圈与检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈。其功能是在一定范围内较彻底地抑制掉直接耦合通道中的能量流，使远场现象与远场区出现在设计要求的区域，达到缩短探头长度，提高输出信号幅值，降低激励功率的目的;

（3）对检测线圈设置磁回路。其作用是从远场区的内管壁中“引流”出少量磁道，从而极其有效地增加了输出信号幅度。

上述三个措施中的二者或三者的组合所构成的技术方案是：

（1）将上述措施之一与措施之二组合。即既将激励线圈置于磁回路中，又在激励线圈与检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈;

（2）将上述措施之一与措施之三组合。即分别将激励线圈与检测线圈置于磁回路中;

（3）将上述措施之二与措施之三组合。即既在激励线圈与检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈，又对检测线圈设置磁回路;

（4）将上述三个措施组合成最佳的技术解决方案，即既将激励线圈与检测线圈分别置于磁回路中，又同时在激励线圈与检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈。

上述七个技术解决方案，属于一个总的构思，完成同一个目的，即都能解决本发明的目的，但解决问题的重点和程度各异，因此本发明的诸技术方案，在工程应用中，适用性较强，能用于检测各种铁磁的与非铁磁的导电管子、管状零件与管道的壁厚、导电与导磁性能以及其中的损伤和异常。

附图1  为现行远场涡流探头结构示意图。其基本结构由激励线圈（1）与检测线圈（2）所构成。图中的（3）与（4）表示电磁场能量传播的路径。图中的（5）是被测金属管。

附图2  为本发明最佳技术方案的实施例结构示意图。

由该最佳技术方案实施例结构示意图，即可知本发明诸技术方案的基本结构及其实施方法。现结合附图2叙述如下：

图中的（7）为被测金属管。其远场涡流检测探头（8）由激励线圈（1），激励线圈磁回路（2），补偿线圈（3），检测线圈（4）和检测线圈磁回路（5）及轴（6）所构成。由图可知，它是将整个激励线圈（1）置于磁回路（2）中，磁回路（2）由高导磁、不易产生涡流的磁性材料做成。因激励磁回路中的磁通密度一般Bex≤0.01特斯拉，所以磁回路的几何尺寸，主要从机械强度和生产工艺上来考虑，激磁线圈的匝数Wex的确定要与供电电源的阻抗相匹配;与激励线圈（1）反向串联的补偿线圈（3）置于激励线圈（1）与检测线圈（4）之间，若设激励线圈（1）与检测线圈（4）之间的距离为S，被测金属管内径为Di，则S＝（0.5-1.0）Di。补偿线圈（3）与激励线圈（1）之间的距离Sc为（0.5-0.6）S。当S＝1.0Di，Sc＝0.5S时，补偿线圈（3）的匝数Wc约为-Wex（激励线圈匝数），当Sc减小，则Wc增加，Sc趋于0时，Wc接近于Wex。补偿线圈（3）还可并联一个电路或网络，以便在有限范围内调整补偿线圈电流即调整并联电路或网络的阻抗值，以在一定范围调整补偿线圈电流的相位与幅值，使放置在设计中要求出现远场现象区域处的检测线圈感应电势幅值最小，且相位曲线平坦。

设置在检测线圈（4）的磁回路（5）也是由高导磁、不易产生涡流的磁性材料制成。因该磁回路中的磁通密度Bp很小，故该磁回路的几何尺寸，在保证机械强度的前提下，可做得很薄。检测线圈（4）匝数Wp的确定，要满足输出信号的测试要求。

Claims (2)

1、一种远场涡流无损检测高效实用探头包括激励线圈，检测线圈和轴，其特征在于：

(1)仅对激励线圈设置磁回路；

或(2)仅在激励线圈与检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈；

或(3)仅对检测线圈设置磁回路；

或(4)将上述(1)与(2)组合，即既对激励线圈设置磁回路，又在激励线圈与检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈；

或(5)将上述(1)与(3)组合，即分别对激励线圈和检测线圈设置磁回路；

或(6)将上述(2)与(3)组合，即既在激励线圈和检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈，又对检测线圈设置磁回路；

或(7)将上述(1)、(2)、(3)组合，既分别对激励线圈和检测线圈设置磁回路，又在激励线圈与检测线圈之间设置与激励线圈反向串联的补偿线圈。

2、根据权利要求1所述的远场涡流无损检测高效实用探头，其特征在于补偿线圈可并联分流电路或网路。

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