CN113311065B - 一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，涉及电磁无损检测领域。首先将未安装散热片的线圈探头和安装散热片的线圈探头分别安装在检测电路中，对被检对象进行脉冲涡流检测，同时记录两种线圈探头的时域感应电压信号和激励电流的下降沿信号。通过两个激励电流的下降沿信号计算安装散热片后线圈探头的时间常量；若时间常量的值满足被检对象的要求，则通过两个时域感应电压信号计算时域检测信号的相对变化值；若相对变化值也满足被检对象的检测要求，则在检测中对安装散热片的线圈探头加载最大脉冲激励电流，若线圈探头的温度全程不超过100℃，则说明安装了散热片的线圈探头有良好的散热行，同时提高了连续检测时检测结果的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁无损检测领域，具体是一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法。
背景技术
在工业领域，大量使用金属管道和压力容器来输送和存储具有高温、高压和腐蚀性的液体或气体介质，造成金属管道和压力容器的腐蚀现象十分普遍。腐蚀导致管道和压力容器的壁厚减薄，承压性能下降，会造成泄漏、爆炸等事故，带来人员伤亡和经济损失。因此需要定期对管道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金属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，来评估金属构件的腐蚀程度。脉冲涡流法的优势之一是利用持续时间较短的脉冲电流代替正弦电流激励，降低了系统有功功率，可以产生一个瞬态强磁场，而不会造成线圈探头显著的发热。
但是，在实际检测中，被检构件外包覆层的厚度一般超过了100mm，最厚可达300mm，甚至最外层还有铝皮或者铁皮包裹，且压力管道和压力容器的壁厚最大可达30mm至50mm。对于这类大壁厚、厚包覆层的工况，需要提高脉冲激励电流的幅值，以在被检构件内感应出足够强度的涡流场，来提高检测信号强度和信噪比；同时，为了使激励磁场有效穿透碳钢管道的壁厚，脉冲电流的持续时间要达数百毫秒到数秒。此时，激励线圈上消耗的焦耳热功率与脉冲激励电流幅值的平方成正比，幅值达数安培的脉冲激励电流，都会导致激励线圈的温度显著升高，如不及时散热，将对线圈探头造成不可逆的损坏。
而在脉冲涡流检测中，当金属材质的散热片靠近线圈探头时，在散热片内也会感应出涡流，进而影响脉冲涡流检测的正常信号。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，解决了加载大激励电流时线圈探头的发热问题，提高了脉冲激励磁场的强度，同时尽可能减弱金属散热片内感应的涡流，减少对脉冲涡流检测信号的影响。
所述的用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，具体步骤如下：
步骤一、制备带有散热装置的脉冲涡流检测线圈探头，并安装在检测电路中；
所述的线圈探头包括激励线圈、检测线圈、导热硅胶层、散热片和绝缘橡胶垫。
在线圈探头骨架上缠绕铜漆包线，得到空芯圆柱形检测线圈；在检测线圈外缠绕铜漆包线，形成空芯圆柱形激励线圈。
在激励线圈外均匀涂抹导热硅胶层，将两片半圆环状散热片紧密贴合到导热硅胶层上，两片半圆环状散热片之间的间隙用绝缘橡胶垫绝缘。
所述散热片上加工若干凹槽；
散热片各处壁厚dh满足如下条件：
式中，μr为被检金属管道的相对磁导率；σ为被检金属管道的电导率；d为被检金属管道的壁厚；σh为散热片的电导率。
检测电路为：所述检测线圈的两端外接第一AD模数转换器，第一AD模数转换器连接主机；主机同时连接DA数模转换器和第二AD模数转换器；DA数模转换器连接功率放大电路的输入，功率放大电路的输出连接采样电阻后再连接激励线圈，采样电阻同时连接第二AD模数转换器。
步骤二、将未安装散热片的线圈探头垂直放置于被检金属管道外的包覆层上方进行测试，并记录时域感应电压信号u0(t)和激励电流的下降沿信号i0(t)；
主机输出持续的脉冲激励数字信号，经DA数模转换器后变成持续的脉冲激励模拟信号，输出给功率放大电路放大后，经采样电阻后输出持续的脉冲激励电流给激励线圈；同时，用第一A/D模数转换器采集检测线圈两端的时域感应电压信号u0(t)并存储；
用第二A/D模数转换器采集采样电阻两端脉冲激励电流的下降沿信号i0(t)并存储。
步骤三、将线圈探头安装散热片并垂直放置于被检金属管道外的包覆层上方进行测试，记录时域感应电压信号u1(t)和激励电流的下降沿信号i1(t)；
按步骤二的具体过程将采集得到的检测线圈两端的时域感应电压信号u1(t)，存储到主机内；同时，采集采样电阻两端脉冲激励电流的下降沿信号i1(t)，并存储到主机内。
步骤四、通过安装与不安装散热片时激励电流的下降沿信号，计算安装散热片后线圈探头的时间常量。
首先，根据安装与不安装散热片两种情形下的激励电流下降沿信号，计算激励电流的下降沿时间toff，即脉冲激励电流从幅值I0开始下降到0.05I0所经过的时间。
然后，根据激励电流下降沿时间toff计算线圈探头的时间常量τs：τs＝toff/3；
步骤五，判断安装散热片后线圈探头的时间常量τs是否满足若是，则继续执行步骤六；若否，则说明该线圈探头无法达到检测该金属管道的要求，检测过程终止。
τe是被检金属管道的脉冲涡流扩散时间常量，计算式为：
管道磁导率μ＝μrμ0，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m。
步骤六、利用安装与不安装散热片时线圈探头对应的时域感应电压信号，计算时域检测信号的相对变化值ε(t)：
相对变化值ε(t)计算公式如下：
步骤七、针对整个检测时间段内，判断相对变化值ε(t)≤3％是否成立，如果是，则散热片内涡流对脉冲涡流检测信号的影响在接受范围之内，不会对壁厚检测结果造成明显误差，进入步骤八；否则，说明散热片内涡流会对壁厚检测结果造成一定的误差，安装了散热片的线圈探头不适合检测该金属管道，检测过程终止。
步骤八、将脉冲激励电流的幅值设为检测系统能输出的最大值，向安装了散热片的线圈探头中连续加载该脉冲激励电流，并对线圈探头的温度进行监测；
当线圈探头温度最大值不超过100℃，则说明安装了散热片的线圈探头有良好的散热效果。
本发明的优点在于：
1)一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，通过激励线圈与散热片之间填充的导热硅胶，将激励线圈产生的热量均匀传导到散热片，并通过散热片快速散发，避免线圈过热而损坏探头，改善了线圈探头的散热。
2)、一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，通过散热片进行线圈探头散热，一方面，可使激励线圈承受更大的激励电流，产生一个更强的磁场渗透到被检测构件中，并感应出更强的脉冲涡流场，提高检测信号强度和信噪比，有利于对大壁厚、带厚包覆层的金属构件实施脉冲涡流检测；另一方面，保持线圈探头的温度稳定，可以减小激励线圈和检测线圈电阻值的波动，提高脉冲涡流连续检测时检测结果的稳定性。
3)、一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，有效避免了金属散热片内感应的脉冲涡流对检测信号的干扰。一方面，散热片采用两片半圆环散热片拼接的形式安装，中间用绝缘橡胶垫隔开，使得散热片在线圈圆周方向不能形成回路，从而显著降低散热片内感应的涡流场强度；另一方面，对金属散热片的材质和厚度尺寸进行了限制，使散热片内感应的脉冲涡流能快速扩散和衰减，避免干扰感应电压检测信号；通过详细的测试实验和指标，确保设计的散热片有良好的散热效果，且不会影响检测结果。
附图说明
图1是本发明设计的带包覆层金属管道脉冲涡流检测系统的结构框图；
图2A是本发明带有散热装置的线圈探头结构图；
图2B是本发明带有散热装置的线圈探头截面图；
图3是本发明一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法的流程图；
图4是本发明实施例中激励电流下降沿时间波形图；
图5是本发明实施例中线圈探头有无散热装置时感应电压之间的相对变化曲线；
图6是本发明实施例中线圈探头有无散热装置时激励电流的对比图；
图7是本发明实施例中线圈探头有无散热装置时测得的感应电压时域信号的对比图。
图中：
| 1.激励线圈 | 2.检测线圈 | 3.导热硅胶 |
| 4.散热片 | 5.绝缘橡胶垫 | 6.凹槽 |
| 10.线圈探头 | 11.包覆层 | 12.被检金属管道 |
| 21.DA数模转换器 | 20.主机 | 22.功率放大电路 |
| 24.第一AD模数转换器 | 23.第二AD模数转换器 | 25.采样电阻 |
具体实施方式
通过实施例和附图对本发明的技术方案给出进一步说明。
本发明设计了一种带包覆层的金属管道脉冲涡流检测系统，如图1所示，包括被检金属管道12、包覆层11、线圈骨架、带有散热装置的脉冲涡流检测线圈探头10以及检测电路；
所述的线圈探头10，如图2A所示，由激励线圈1、检测线圈2、导热硅胶层3、散热片4和绝缘橡胶垫5组成。线圈探头10的截面图如图2B所示，散热片4上加工若干凹槽6，可增大有效散热面积。
具体结构为：
首先，在线圈骨架上分层、有序且紧密地缠绕铜漆包线，得到空芯圆柱形检测线圈2；在检测线圈2外分层、有序且紧密地缠绕铜漆包线，形成空芯圆柱形激励线圈1。
然后，在激励线圈1外均匀涂抹导热硅胶3，使得激励线圈1产生的热量能够更充分地传导到金属散热片4上。
将两片半圆环状散热片4紧密贴合到导热硅胶3上，两部分的间隙用绝缘橡胶垫5绝缘。绝缘橡胶垫5的作用是阻隔线圈圆周方向的涡流通道，形成散热片4内感应的涡流主体部分，从而显著降低散热片4内感应的涡流场强度。
本发明中，散热片4的材质最好为304不锈钢，因为不锈钢的导电性相对较弱，且没有导磁性，可使散热片内的脉冲涡流场更弱、衰减更快。散热片4也可以是铝合金等其他具有高导热系数、低导电性、不导磁的金属材料。
在设计散热片具体尺寸时，须保证散热片各处壁厚dh满足如下条件：
式中，μr为被检金属构件的相对磁导率，碳钢材料的典型值取300，非铁磁材料的值取1；σ为被检构件的电导率，碳钢材料的典型值取7×106S/m；d为被检构件的壁厚，单位为m；σh为金属散热片的电导率，304不锈钢材质时，其值取1.34×106S/m。
满足式(1)，可保证脉冲涡流在散热片内的扩散时间显著小于在被检构件内的扩散时间，从而使散热片内涡流对感应电压检测信号的影响可忽略不计。
以上线圈探头10的设计和安装既能够满足脉冲涡流检测装置线圈探头的散热要求，又能够将金属散热片内涡流对信号的干扰降至最低。
检测电路为：检测线圈2的两端外接第一AD模数转换器24，第一AD模数转换器24连接主机20；主机20同时连接DA数模转换器21和第二AD模数转换器23；DA数模转换器21连接功率放大电路22的输入，功率放大电路22的输出连接采样电阻25后再连接激励线圈1，采样电阻25两端连接第二AD模数转换器23。
主机20能够实现信号采集控制、信号显示和数据存储等功能，对接收的数据进行处理，提取信号特征，获得被检金属管道12的壁厚信息。被检金属管道12外被一层非导电非导磁的包覆层11覆盖着，起保温和防腐等作用。被检金属管道12可以是导电导磁的碳钢材质，也可以是导电不导磁的不锈钢材质。除金属管道外，被检测对象也可以是碳钢材质或不锈钢材质的压力容器。
本发明中脉冲涡流检测线圈探头安装的散热片，虽然采取了结构设置上的一系列措施来尽量减弱散热片内感应的涡流场强度，加速其衰减速度。但金属散热片置于瞬态磁场中感应出的涡流，对检测信号造成的干扰程度是否能满足脉冲涡流现场检测的要求，需要设计相关验证实验来测试。
下面给出一个应用本发明中带散热装置的线圈探头对带包覆层钢管实施脉冲涡流检测的实施例。
本发明的实施例中，检测对象是外直径为260mm，壁厚d为20mm的20#钢管，钢管的电导率σ为6MS/m，相对磁导率μr为300，管道外包覆层厚度为100mm。由可计算出被检钢管的脉冲涡流扩散时间常量τe＝91.7ms。
当利用带包覆层金属管道脉冲涡流检测系统对被检金属管道进行检测时，其线圈探头散热方法，如图3所示，具体步骤如下：
步骤一、将未安装散热片的线圈探头垂直放置于被检金属管道外的包覆层上方进行测试，并记录时域感应电压信号u0(t)和激励电流的下降沿信号i0(t)；
主机编程输出持续脉宽为10～2000ms，幅值为0.1～1V的激励数字信号；经DA数模转换器后，变成持续脉宽为10～2000ms，幅值为0.1～1V的激励模拟信号，输出给功率放大电路；经功率放大电路放大功率后，输出持续脉宽为10～2000ms，幅值为0.1～5A的脉冲激励电流给激励线圈，I0(单位为A)为脉冲激励电流的幅值；同时，用第一AD模数转换器采集检测线圈两端的时域感应电压信号u0(t)(单位V)，并将采集得到的感应电压信号u0(t)存储到主机内；
用第二AD模数转换器采集采样电阻两端脉冲激励电流的下降沿信号i0(t)(单位A)，并存储到主机内。
步骤二、将线圈探头安装散热片并垂直放置于被检金属管道外的包覆层上方进行测试，并记录时域感应电压信号u1(t)和激励电流的下降沿信号i1(t)；
按步骤一的具体过程将采集得到的检测线圈中时域感应电压信号u1(t)，存储到主机内；同时，采集采样电阻两端脉冲激励电流的下降沿信号i1(t)，并存储到主机内。
步骤三、通过激励电流的下降沿时间计算安装散热装置后线圈探头的时间常量。
根据安装与不安装散热片两种情形下的激励电流下降沿信号，测量出图4所示激励电流i1(t)的下降沿时间toff(单位为s)，即脉冲激励电流从幅值I0开始下降到0.05I0所经过的时间。
此时，线圈探头的时间常量τs由激励电流下降沿时间toff计算得到：τs＝toff/3；
步骤四，判断安装散热装置后线圈探头的时间常量τs是否满足若是，则继续执行步骤五；若否，则说明该线圈探头无法达到检测该金属管道的要求，检测过程终止。
τe是被检金属管道的脉冲涡流扩散时间常量(简称为构件扩散时间常量)(单位为s)，计算式为：π取值3.14。
管道磁导率μ＝μrμ0，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m。
步骤五、利用安装与不安装散热片时线圈探头对应的时域感应电压信号，计算时域检测信号的相对变化值：
相对变化值ε(t)计算公式如下：
该实施例中，通过相对变化值ε(t)的计算公式得到相对变化曲线如图5所示。
步骤六、针对整个检测时间段内，判断ε(t)≤3％是否成立，如果是，则散热片内涡流对脉冲涡流检测信号的影响在接受范围之内，不会对壁厚检测结果造成明显误差，进入步骤七；否则，说明散热片内涡流会对壁厚检测结果造成一定的误差，安装了散热片的线圈探头不适合检测该金属管道。
步骤七、向安装了散热片的线圈探头连续加载该脉冲激励电流，并实时监测线圈探头的温度，当线圈探头温度最大值不超过100℃，则说明安装了散热片的线圈探头有良好的散热效果。
步骤三至步骤七中各项测试指标均合格，即说明本发明中设计的散热装置是合理有效的，应用安装该散热装置的线圈探头对不同壁厚和包覆层厚度的检测对象实施连续扫查检测，不会损坏线圈探头。
本发明实施例在线圈探头散热测试过程中，线圈探头在安装散热片前后，激励线圈中能通入的激励电流对比如图6所示。安装前，激励电流幅值最大为1.5A，才能保证线圈探头连续工作。安装散热片后，电流幅值可提高到5A，可以看出脉冲激励电流强度明显提高，此时测得线圈探头的时间常量τs＝0.53ms。可见，线圈探头的时间常量τs满足：该条件成立，说明该实施例中，安装散热片的线圈探头可用于该测试钢管的脉冲涡流检测。
以图6中幅值为5A的脉冲激励电流激励，实验得到线圈探头有无散热装置时感应电压之间的相对变化曲线如图5所示，可见，整个检测时间段内，ε(t)≤3％均成立。说明散热片内涡流对脉冲涡流检测信号的影响在可接受的范围之内，几乎不会对壁厚检测结果造成误差。
如图7所示，是线圈探头在安装散热片前后，采集得到的感应电压时域信号对比曲线图。图中横轴表示时间(单位s)，纵坐标表示感应电压(单位V)的对数，图中实线表示图6中幅值为5A的脉冲激励电流，激发得到的实验信号曲线；虚线表示幅值为1.5A的脉冲激励电流，激发得到的信号曲线。对比两条曲线可知，随着脉冲激励电流幅值的提升，检测到的感应电压信号的强度也等比例提升为原信号的3.3倍。
最后向安装了散热装置的线圈探头中连续加载幅值为5A的脉冲激励电流，脉宽设为1s，占空比设为10％，持续20分钟。用红外测温仪监测线圈探头的温度，期间线圈探头温度最大值约为87℃，说明安装了散热装置的线圈探头有良好的散热效果。
Claims (9)
1.一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，具体过程为：
将未安装散热片的线圈探头和安装散热片的线圈探头分别安装在检测电路中，并放置于被检对象上方，进行脉冲涡流检测；检测过程中，分别记录两种线圈探头的时域感应电压信号和激励电流的下降沿信号；
通过两个激励电流的下降沿信号计算安装散热片后线圈探头的时间常量；当时间常量的值满足检测被检对象的要求时，通过两个时域感应电压信号计算时域检测信号的相对变化值；并进一步判断相对变化值是否满足被检对象的检测要求，满足时对安装散热片的线圈探头加载最大脉冲激励电流，对被检对象进行检测，并全程监测线圈探头的温度，若温度始终不超过100℃，则说明安装了散热片的线圈探头有良好的散热效果；
所述的安装散热片的线圈探头具体包括激励线圈、检测线圈、导热硅胶层、散热片和绝缘橡胶垫；
在线圈探头骨架上缠绕铜漆包线，得到空芯圆柱形检测线圈；在检测线圈外缠绕铜漆包线，形成空芯圆柱形激励线圈；
在激励线圈外均匀涂抹导热硅胶层，将两片半圆环状散热片紧密贴合到导热硅胶层上，两片半圆环状散热片之间的间隙用绝缘橡胶垫绝缘；
散热片各处壁厚dh满足如下条件：
式中，μr为被检金属管道的相对磁导率；σ为被检金属管道的电导率；d为被检金属管道的壁厚；σh为散热片的电导率。
2.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的散热片上加工若干扩大散热范围的凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的散热片为具有高导热系数、低导电性且不导磁的金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的检测电路为：所述检测线圈的两端外接第一AD模数转换器，第一AD模数转换器连接主机；主机同时连接DA数模转换器和第二AD模数转换器；DA数模转换器连接功率放大电路的输入，功率放大电路的输出连接采样电阻后再连接激励线圈，采样电阻同时连接第二AD模数转换器。
5.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的时域感应电压信号和激励电流的下降沿信号的获取过程具体为：
主机输出持续的脉冲激励数字信号，经DA数模转换器后变成持续的脉冲激励模拟信号，输出给功率放大电路放大后，经采样电阻后输出持续的脉冲激励电流给激励线圈；同时，用第一AD模数转换器采集检测线圈两端的时域感应电压信号并存储到主机内；
用第二AD模数转换器采集采样电阻两端脉冲激励电流的下降沿信号并存储到主机内。
6.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的时间常量的计算过程为：
首先，根据安装与不安装散热片两种情形下的激励电流下降沿信号，计算激励电流的下降沿时间toff，即脉冲激励电流从幅值I0开始下降到0.05I0所经过的时间；
然后，根据激励电流下降沿时间toff计算线圈探头的时间常量：/>＝toff/3。
7.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的时间常量需满足的要求为：
其中，是线圈探头的时间常量，/>是被检金属管道的脉冲涡流扩散时间常量，计算式为：/>管道磁导率μ＝μrμ0，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m。
8.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的时域检测信号的相对变化值ε(t)的计算公式如下：
其中，u0(t)是未安装散热片的线圈探头时的时域感应电压信号，u1(t)是安装散热片的线圈探头时的时域感应电压信号。
9.根据权利要求1所述的一种用于脉冲涡流检测的线圈探头散热方法，其特征在于，所述的相对变化值ε(t)需满足的条件为：ε(t)≤3％。
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