CN111505726B - 基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置及方法，其中，基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置，包括：激励信号模块、感应信号模块和两个信号检测模块，激励信号模块具有两个对称放置的激励线圈、信号发生器和电阻，信号发生器用于将变化的激励信号输入到电路中，两个激励线圈对称的放置于待测管道壁的外侧，且激励线圈的平面与管壁平行，该激励线圈用于生成激励磁场。本发明的检测方法原理简单，检测装置中的用于产生激励磁场和用于产生感应电动势的线圈均放置在管道外侧，未与管道液体接触，不会破坏管道结构，且检测装置简易安装且检测速度快，可以满足实时检测的要求。

Description

基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置及方法
技术领域
本发明属于电磁感应信号处理技术领域，特别是涉及基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置及方法。
背景技术
针对通过管道运输的产品中介质检测方案对润滑油液等液体产品的生产运输十分重要。大多数的机械故障是由于机械磨损引起，其中，机械设备零件的故障形式中，金属磨粒异物造成的磨损故障占70％以上，润滑油液在机械设备中具有润滑、散热等功能，同时也是金属磨粒的传输媒介，在产生磨粒的磨损过程中，润滑油中含有丰富而有价值的磨损信息，因此，润滑油磨粒检测技术是发动机故障诊断和预测的重要手段。因此，需要提供更完善的针对通过管道运输的液体中介质的检测方法用以对液体(如润滑油介质)中的可能存在的金属磨粒、金属夹渣、金属颗粒等磁异介质进行检测。目前，介质检测技术和用于介质检测的装置多种多样，如金属颗粒传感器检测、原子光谱分析技术、红外光谱分析技术等，这些检测技术发展的比较成熟，但这些检测方法的缺点有：检测范围小、测量精度低、价格昂贵、检测装置的安装可能需要重新安装管道、目前的油液分析方法难以实现对大尺寸磨屑的检测、检测技术原理复杂、检测过程耗时长、不能保证油液中颗粒信息的实时性。
发明内容
本发明提供基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测方法，不会破坏管道结构，检测准确度更高，且检测装置的安装与更换便捷。
为达到上述目的，本发明还公开的基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置，包括：激励信号模块、感应信号模块和两个信号检测模块，所述激励信号模块具有两个对称放置的激励线圈、信号发生器和电阻，所述信号发生器用于将变化的激励信号输入到电路中，两个所述激励线圈对称的放置于待测管道壁的外侧，且所述激励线圈的平面与管壁平行，该激励线圈用于生成激励磁场；所述感应信号模块设置于所述激励信号模块内，其包括两个感应信号单元，每个所述感应信号单元具有一个感应线圈和一个电阻，所述感应线圈安装于管壁的另外两侧，所述感应线圈根据激励磁场产生感应信号；两个所述信号检测模块分别安装于两个所述感应信号单元的一侧，所述信号检测模块用于采集感应信号，分析感应信号的特征参数，并比较采集到的特征参数与预期参数来判断是否有磁异介质通过。
优选的，所述特征参数是电压参数。
优选的，两个所述激励线圈产生等大反向的激励信号，待测管道的中心磁场强度为零。
本发明提供基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测方法，包括：
①激励信号模块的产生激励磁场，感应信号模块根据激励磁场产生感应信号；
②信号检测模块实时的采集①中感应信号，对采集到的感应信号进行处理，得到电压参数，并对电压参数和预期参数进行对比，若其电压参数与预期参数不同，则表明待测管道中存在磁导率不同于液体的其他介质，判定待测管道中有磁异介质；若未出现异常，则继续采集感应信号的电压参数，分析采集到感应信号的电压参数是否与预期参数不同。
优选的，所述预期参数为纯液体通过待测管道时感应信号的电压参数。
与现有技术相比本发明的有益效果在于：
1.本发明的检测方法的原理简单，容易被操作人员理解。信号发生器将变化的激励信号输入到电路中，使得激励线圈中产生变化的磁场，因为不同介质的磁导率不同，会影响原磁场，而感应线圈在激励线圈产生的变化磁场影响下，产生感应信号，将该感应信号的特征参数与产品介质经过信号检测模时产生的感应信号的预期参数进行比较，即可判断出是否有磁异介质通过检测装置，即可判断出是否有磁异介质通过检测装置；以电磁感应现象为理论基础，通过信号处理判断管道磁场中是否存在磁异介质；
2.本发明的检测装置，对称线圈结构能够实现激励磁场对管道内液体检测区域的全面覆盖，比单个线圈的检测效果要好，检测准确度更高，且检测装置的安装与更换便捷，不会破坏管道结构；
3.本发明只需要比较感应信号的特征参数与预期参数即可判断磁异介质的存在与否，检测过程简单，耗时较少，能够实时提供检测结果。
4.本发明检测成本低、效率高而且能保证油液中颗粒信息的实时性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置的结构示意图；
图2为对称线圈结构示意图；
图3为基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测方法的运行流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
参考图1，本发明实施例提供基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置模块包括：激励信号模块、感应信号模块和两个信号检测模块；
激励信号模块的电路组成包括两个对称放置的激励线圈L1和L2、信号发生器、电阻等。信号发生器将变化的交流激励信号输入到激励线圈所在电路中，激励线圈在其周围空间产生激励磁场，该磁场为感应信号模块产生感应电动势提供激励；
感应信号模块的电路包括两个感应信号单元，每个所述感应信号单元具有一个感应线圈和一个电阻，其中为感应线圈L3和感应线圈L4。激励线圈产生的磁场线垂直感应线圈平面进入对称放置的感应线圈，因为激励磁场时刻变化，由电磁感应定律可知，闭合线圈中穿过的磁场发生变化时，线圈中会产生感应电动势。若存在磁异介质，磁化后的介质会产生附加磁场B0，两感应线圈中通过变化的磁场B′1、B′2，使得感应线圈所在的闭合回路中产生感应电动势，这些感应信号能够反映出感应磁场的大小情况，感应信号会传输到信号检测模块进行分析处理；
信号检测模块又称DSP数据处理模块；该模块主要通过采集感应信号，分析其特征参数如电流参数和电压参数等，比较采集到的参数和预期参数来判断是否有磁异介质通过。
两个所述激励线圈产生等大反向的激励信号，待测管道的中心磁场强度为零。
参考图2，本发明实施例提供基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测方法，包括：
①激励信号模块的产生激励磁场，感应信号模块根据激励磁场产生感应信号；
②信号检测模块实时的采集①中感应信号，对采集到的感应信号进行处理，得到电压参数，并对电压参数和预期参数进行对比，若其电压参数与预期参数不同，则表明待测管道中存在磁导率不同于液体的其他介质，判定待测管道中有磁异介质；若未出现异常，则继续采集感应信号的电压参数，分析采集到感应信号的电压参数是否与预期参数不同。
所述预期参数为纯液体通过待测管道时感应信号的电压参数。
激励信号模块和感应信号模块选用成对放置的线圈结构，两个激励线圈对称的放置在管壁外侧，线圈平面与管壁平行，通以等大反向的激励信号，待测管道中心磁场强度为零，感应线圈放置在管壁另外两侧，磁场线的分布如图2所示。激励线圈与感应线圈交替摆放，这种对称磁激励结构能够实现激励磁场对管道内检测区域的全面覆盖，多个感应线圈中的感应信号能够更细致的判断磁异介质是否存在，比单个磁激励方法的检测效果要好，检测准确度更高，因此也可以选择多组激励线圈和感应线圈交替放置的结构。
图2中，中心大圆为管道界面，周围的椭圆即为对称放置的线圈，激励线圈L1、L2中产生的两个激励磁场B1、B2大小相等、方向相对，磁场线的分布如图中带箭头的虚线所示，管道界面圆心处磁场强度大小为零，磁场线相互排斥、向激励线圈中心轴线两侧发散并穿过感应线圈。
由毕奥萨伐尔定律可知，通电单线圈其轴线上的磁场分布满足以下公式：
Figure BDA0002444730470000051
x：线圈轴线上某点距离圆心的长度，单位为m。
R:线圈半径，单位为m。
μ0:真空磁导率，其值为μ0＝4π*10-7牛顿/安培2,或者μ0＝4π*10-7特斯拉·米/安培，或者μ0＝4π*10-7亨利/米。
N：线圈匝数。
I：线圈中通过的电流，单位为A。
感应线圈中产生的感应电动势满足公式：
Figure BDA0002444730470000061
Figure BDA0002444730470000062
Figure BDA0002444730470000063
为穿过感应线圈的磁场强度，感应电动势ε与穿过感应线圈的磁通量的变化率成正比；当没有金属磨粒存在时，穿过感应线圈的磁通量φ1是激励磁场穿过线圈的总和；当管道中有金属磨粒通过，金属磨粒会被激励磁场磁化，产生附加磁场
Figure BDA0002444730470000064
介质磁化后产生的磁场
Figure BDA0002444730470000065
与激励磁场混合后会影响穿过感应线圈的磁通量大小，此时穿过感应线圈的磁通量φ1'等于激励磁场与附加磁场穿过感应线圈的磁场线的混合，会使得感应电动势的大小与只有激励磁场穿过感应线圈产生的电动势有所区别。
μr为金属磨粒的磁导率，单位与真空磁导率的单位相同。
Figure BDA0002444730470000066
是磁场强度矢量。
下面参考图3，结合实施例对基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测方法做进一步说明，是本发明检测运行流程图。
感应信号模块电路中信号发生器将激励信号输入到电路中，使得激励线圈中有变化的电流通过，激励线圈周围空间产生激励磁场，感应线圈中的磁通量时刻变化，因此感应信号模块产生感应电动势，信号检测模块通过采集感应电动势与事先采集的纯液体通过管道时感应电动势进行比较，判断是否有磁异介质通过管道。
基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测方法对感应信号的处理分析实质是对采集到的感应信号的电压参数和纯液体通过管道时感应信号的电压参数(即预期参数)进行对比，首先信号检测模块实时的采集感应线圈中的感应信号，对采集到的感应信号进行处理，得到其电压参数。若其电压参数与预期参数不同，则表明管道中存在磁导率不同于液体的其他介质，判定管道中有磁异介质；若未出现异常，则系统继续采集感应信号，分析采集到信号的电压参数是否与预期参数不同。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于对称磁激励结构的管道液体磁异介质检测装置，其特征在于，包括：
激励信号模块，包括两个对称放置的激励线圈L1和L2、信号发生器、电阻；信号发生器将变化的交流激励信号输入到激励线圈所在电路中，两个所述激励线圈对称的放置于待测管道壁的外侧，且所述激励线圈的平面与管壁平行，该激励线圈用于在其周围空间产生等大反向的激励信号，使得待测管道的中心磁场强度为零，该磁场为感应信号模块产生感应电动势提供激励；
感应信号模块，设置于所述激励信号模块内，其包括两个感应信号单元，每个所述感应信号单元具有一个感应线圈和一个电阻，其中为感应线圈L3和感应线圈L4；所述感应线圈安装于管壁的另外两侧，激励线圈产生的磁场线垂直感应线圈平面进入对称放置的感应线圈，因为激励磁场时刻变化，由电磁感应定律可知，闭合线圈中穿过的磁场发生变化时，线圈中会产生感应电动势；若存在磁异介质，磁化后的介质会产生附加磁场B0，两感应线圈中通过变化的磁场B'1、B'2，使得感应线圈所在的闭合回路中产生感应电动势，这些感应信号能够反映出感应磁场的大小情况，感应信号会传输到信号检测模块进行分析处理；
信号检测模块，分别安装于两个所述感应信号单元的一侧，所述信号检测模块用于采集感应信号，对采集到的感应信号进行处理，得到电压参数，并对电压参数和预期参数进行对比，若其电压参数与预期参数不同，则表明待测管道中存在磁导率不同于液体的其他介质，判定待测管道中有磁异介质；若未出现异常，则继续采集感应信号的电压参数，分析采集到感应信号的电压参数是否与预期参数不同。
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