CN108871174B - 一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法，先通过相位解缠方程进行相位解缠，再计算解除缠绕后的相位θ_an与理论相位值θ_th之间的误差θ_e，及构建金属管道壁的磁导率μ与电导率σ的关系式Ψ₀，然后进行拟合，最后根据拟合曲线计算仿真补偿后金属管道壁面厚度。

Description

一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法。

背景技术

电磁涡流阵列检测技术具有检测速度较快、覆盖范围广和测试精度较高等优点。近年来，随着传感器技术的发展，电磁涡流阵列传感器检测技术的研究和应用得到极大的发展，广泛应用于航空航天部件和油气管道的无损检测中。

管道远场涡流检测研究中，接收线圈与发射线圈同轴设置于管内中心轴位置。线圈同轴设置的检测模式对于全周向缺陷可以实现良好检测，而对于半周向缺陷、1/4周向缺陷或更小局部缺陷不能准确实现其具体位置和深度的检测，因为同轴检测模式下检测信号反映的是管壁一周的平均壁厚情况。若将接收线圈贴近管壁设置可以提高局部缺陷的定位和定量检测精度，但是这势必需要更多的检测次数以完成管道周向壁厚的整体检测，降低了管道的检测速度。

在基于电磁涡流的管道检测中，电磁涡流的传输不仅受到管道缺陷的影响，还受到管道物理参数(内直径，磁导率和电导率等)的影响；这些影响均会体现在检测信号相对于发射信号的变化中，因此可以利用信号的变化来对管道物理参数进行反演。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法，通过对相位进行补偿，来推导得出金属管道壁厚。

为实现上述发明目的，本发明一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、基于ANASY仿真分析金属管道壁厚对远场涡流检测信号的影响，建立相位纠缠的解缠方程；

θ_an＝θ_d+360×T (1)

其中，θ_an为解除缠绕后的相位，θ_d为远场涡流检测信号的相位，T为相位缠绕的次数；

(2)、基于ANASY仿真分析，计算解除缠绕后的相位θ_an与理论相位值θ_th之间的误差θ_e；

θ_e＝θ_an-θ_th (2)

(3)、构建金属管道壁的磁导率μ与电导率σ的关系式；

(4)、将步骤(2)得到的θ_e和步骤(3)得到Ψ₀进行拟合；

θ_e＝a₀Ψ₀+b₀ (4)

其中，a₀为斜率，b₀为截距；

(5)、取影响因子Ω随管道磁导率和电导率变化曲线上的若干点，然后分别将每一个点的变换对曲线按照公式(4)进行拟合，得到各曲线斜率值，最后 将所有的斜率值求平均，得到斜率a_m；

(6)、根据b₀随磁导率μ和电导率σ变化的特性，不同的影响因子Ω会得到不同的截距b₀，因此，通过如下公式对截距b₀再次拟合；

其中，a₁、b₁、c₁为常数，f为激发信号的频率；

(7)、将斜率a_m和拟合后的b₀重新代入到公式(4)，然后计算仿真补偿后金属管道壁面厚度h；

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法，先通过相位解缠方程进行相位解缠，再计算解除缠绕后的相位θ_an与理论相位值θ_th之间的误差θ_e，及构建金属管道壁的磁导率μ与电导率σ的关系式Ψ₀，然后进行拟合，最后根据拟合曲线计算仿真补偿后金属管道壁面厚度。

同时，本发明一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法还具有以下有益效果：

(1)、通过对管道电导率和磁导率对管道相位的影响拟合了相位误差公式，提高了壁厚测量精度；

(2)、在已经设计好的仪器架构上提高了壁厚的反演精度，没有增加额外的传感器或电路；

(3)、参数的拟合可以在PC的Matlab中进行，然后将拟合好的参数写入 DSP中，降低了DSP的运算量。

附图说明

图1是本发明一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法流程图；

图2是管道壁厚对远场涡流检测信号影响分析的极坐标图；

图3是影响因子Ω随管道磁导率和电导率变化图；

图4是各点的相位仿真值与其理论值的误差棒图；

图5是各变换对的误差变化图；

图6是各变换对曲线截距值与影响因子Ω的关系图；

图7是数据处理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法，包括以下步骤：

S1、利用ANASY仿真分析了管道壁厚对检测信号相位的影响。随着管道壁厚的增加，检测信号的幅值逐渐减小，相位的滞后逐渐增加。若管道壁厚不断增加，在每次求取相位的过程中，当前一时刻的相位大于330°，而下一时刻的相位为小于30°时，说明此刻的相位滞后已经大于360°此时的相位滞后与管壁薄时的相位滞后相等，这种现象称为相位缠绕,需要通过建立相位纠缠的解缠方程进行校正；

θ_an＝θ_d+360×T (1)

其中，θ_an为解除缠绕后的相位，θ_d为远场涡流检测信号的相位，T为相位缠绕的次数；

S2、基于ANASY仿真分析，计算解除缠绕后的相位θ_an与理论相位值θ_th之间的误差θ_e；

θ_e＝θ_an-θ_th (2)

S3、构建金属管道壁的磁导率μ与电导率σ的关系式；

在本实施例中，设存在一远场发射信号，其如下式：

A＝A₀sin(ωt+φ₀) (4)

其中，A₀为远场发射信号的幅度，ω为远场发射信号的角频率，φ₀为远场发射信号的相位。

分析可知，检测信号的相位与远场发射信号在管道壁上传输距离之间的关系可表示为：

其中，φ为检测信号相位相对于远场发射信号相位的变化(弧度)，r为远场发射信号在管道壁上的径向传输距离，f为远场发射信号频率，μ为管道壁的磁导率，σ为管道壁的电导率。若管壁无缺陷，那么远场发射信号最终被接收线圈收到时在管道径向上的传输距离r＝2h，其中h为管壁厚度，则可以得到壁厚的求解公式如下：

S4、然而通常的管壁是存在缺陷的，因此上述计算方法会出现偏差，本发明提出一种拟合方法,将步S2)得到的θ_e和步骤S3得到Ψ₀进行拟合；

θ_e＝a₀Ψ₀+b₀ (7)

其中，a₀为斜率，b₀为截距；

S5、取影响因子Ω随管道磁导率和电导率变化曲线上的若干点，然后分别将每一个点的变换对曲线按照公式(7)进行拟合，得到各曲线斜率值，最后 将所有的斜率值求平均，得到斜率a_m；

S6、根据b₀随磁导率μ和电导率σ变化的特性，不同的影响因子Ω会得到不同的截距b₀，因此，通过如下公式对截距b₀再次拟合；

其中，a₁、b₁、c₁为常数，f为激发信号的频率；

S7、将斜率a_m和拟合后的b₀重新代入到公式(7)，然后计算仿真补偿后金属管道壁面厚度h；

实例仿真

在仿真中，远场发射线圈的参数设置如表1，远场接收线圈的参数设置如表 2，远场发射线圈的激励信号设置如表3。实际整个装置的示意图如图1所示，远场线圈对应图1中仪器近场线圈右侧的平均场线圈，远场发射线圈与远场接收线圈轴心距为907mm。保持管道内直径(153.7毫米)、管道相对磁导率(80) 和管道电导率(5.599x10⁶西门子/米)参数不变，管道壁厚参数分别设置为： [2:0.5:20]毫米。对应的仿真结果如图2所示。从图2可知，随着管道壁厚的增加，检测信号的相位滞后逐渐增加。

表1

表2

表3

需要特别注意的是：随着管道壁厚的不断增加，相位滞后可能超过360度，此时的相位滞后与管壁薄时的相位滞后相等，如图2中的阴暗部分，即出现了相位缠绕现象，需要按照公式(1)进行解缠。

在本实施例中，当远场发射线圈的频率f为20Hz，管道相对磁导率μ为 [60:1:130]，管道电导率σ为[3.7:0.037:7.4]x10⁶西门子/米时，影响因子Ω的计算结果如图3所示。

由图2可知，随着管道磁导率和电导率的增加，影响因子Ω值也增加。影响因子Ω值并不能唯一确定对应的管道磁导率和电导率值，如图3中的J点和 K点的影响因子值相等，但是它们对应的管道磁导率和电导率均不相等。另外，一对管道磁导率和电导率值确定唯一的影响因子Ω值，即确定唯一的检测信号相位值和幅值。

表4

在仿真过程中，设置管道内直径为153.7毫米，壁厚为10.36毫米，远场发射线圈的频率f为20赫兹，幅值为160伏。取图3中E点和G点数值对应的相对磁导率和电导率变换对进行仿真，结果如表4所示。在表4中，E点的Ω＝175， E点所对应的管道相对磁导率和电导率变换对的乘积相等，即相对磁导率×电导率＝恒值。E点仿真结果中的幅值1和相位1为E点每个变换对的仿真结果，其中检测信号的幅值按照式(10)进行处理，相位1为检测信号的相位减去空气环境仿真相位的绝对值，即消除仿真中电路耦合对检测信号相位的影响。G点的Ω＝225，G点的其它特性和E点一致。

A'＝ln(10⁶A_m) (10)

此处A_m为检测信号的幅值；从表4可知当影响因子Ω的值保持恒定时，不同相对磁导率和电导率变换对所对应的仿真结果(相位和幅值)均不相等。从整体上看，仿真信号的幅值与管道相对磁导率之间成正相关，与管道电导率之间成负相关；仿真信号的相位与管道相对磁导率成负相关，与管道电导率成正相关。因为在管道的远场涡流检测中，检测信号的相位通常被用来作为管道壁厚的分析量，所以本发明采用检测信号的相位来进一步分析其与管道相对磁导率和电导率的关系。首先，将图3中的B、C、D、E、F、G和H点对应的Ω值分别带入公式(5)进行计算可得各点的理论相位值；然后，将仿真中得到相位值减去对应的理论相位值进行误差分析，结果如图4所示。其中图4的横坐标为Ψ₀。由图4可知，各磁导率和电导率变换对的仿真结果(如E点和F点的变换对)与Ψ₀之间成负线性相关，并且仿真相位值与理论相位值的误差随着Ψ₀值的增加而逐渐减小。从图4中提取出仿真相位值和理论相位值之间的误差，并绘制其与对应Ψ₀值之间的关系曲线，结果如图5所示。

由图5可知，各点对应的误差值与变量Ψ₀之间呈负线性相关关系(A点和 I点是图3的边角点)。将图5中的B、C、D、E、F、G和H点的变换对曲线按照式(7)的形式进行线性拟合，拟合所得的各变换对曲线的斜率值如表5所示。

为了便于进行仿真相位值和理论相位值之间的误差分析，将表5中各曲线斜率值的均值a_m作为各点变换对曲线的最终斜率值，然后根据式(7)拟合得到各曲线的截距值，结果如表6所示。基于表6，以A、B、C、D、E、F、G、H和 I点对应曲线的截距值为因变量，以各点对应的因子Ω值为自变量绘图，结果如图6所示。最终可以计算出金属管道壁厚度。

	B点	C点	D点	E点	F点	G点	H点	均值
									斜率a<sub>0</sub>(x10<sup>6</sup>)	5.876	6.038	5.935	5.67	5.161	5.188	5.208	5.582

表5

	A点	B点	C点	D点	E点	F点	G点	H点	I点
										截距b<sub>0</sub>	30.39	31.90	33.52	34.68	35.79	36.56	36.14	35.72	35.42

表6

为了说明本发明在管道壁厚计算上的效果，选取不同变换对(磁导率和电导率变换对)的结果进行有缺陷和无缺陷处理，并对有缺陷和无缺陷处理后的管道壁厚计算结果进行比较与分析，结果如表7所示。在表7中，前7行的磁导率和电导率变换对在Matlab仿真中参与了拟合，用来验证拟合函数的逼近精度；后3行数据由实际管道测量而来，并使用DSP进行管壁厚度反演，其中数据的处理框图如图7。磁导率和电导率为实际管道的磁导率和电导率，其中磁导率由另外的反演算法提供，电导率为实际管道的默认值，可直接得到。这3行数据未参与函数拟合，用来验证拟合函数的泛化能力。

表7

由表7可知，在相位未处理之前，计算出的管道壁厚相对误差最大达到了 20％，该数值超过了采用远场涡流检测技术测试管道壁厚的测试精度要求(相对误差不超过10％)。相位在采用本发明提出的方法进行处理后，所计算出的管道壁厚相对误差不超过4％(最大3.85％)。表7验证了本发明提出的方法在基于远场涡流的管道检测中，提升管道壁厚计算精度的有效性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种利用电磁涡流法检测金属管道壁厚的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、基于ANASY仿真分析金属管道壁厚对远场涡流检测信号的影响，建立相位纠缠的解缠方程；

θ_an＝θ_d+360×T (1)

其中，θ_an为解除缠绕后的相位，θ_d为远场涡流检测信号的相位，T为相位缠绕的次数；

(2)、基于ANASY仿真分析，计算解除缠绕后的相位θ_an与理论相位值θ_th之间的误差θ_e；

θ_e＝θ_an-θ_th (2)

(3)、构建金属管道壁的磁导率μ与电导率σ的关系式；

(4)、将步骤(2)得到的θ_e和步骤(3)得到Ψ₀进行拟合；

θ_e＝a₀Ψ₀+b₀ (4)

其中，a₀为斜率，b₀为截距；

(5)、取影响因子Ω随管道磁导率和电导率变化曲线上的若干点，然后分别将每一个点的变换对曲线按照公式(4)进行拟合，得到各曲线斜率值，最后将所有的斜率值求平均，得到斜率a_m；

(6)、根据b₀随磁导率μ和电导率σ变化的特性，不同的影响因子Ω会得到不同的截距b₀，因此，通过如下公式对截距b₀再次拟合；

其中，a₁、b₁、c₁为常数，f为激发信号的频率；

(7)、将斜率a_m和拟合后的b₀重新代入到公式(4)，然后计算仿真补偿后金属管道壁面厚度h；

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