CN117460952A - 用于检测和/或监测缺陷的增长的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测和/或监测铁磁结构(11)中缺陷的形成和/或增长的方法，所述缺陷具体是裂纹(12)或塑性变形和/或疑似缺陷，所述铁磁结构例如是土木工程和海洋结构，所述方法包括：在第一时间点，从放置在缺陷(12)或疑似缺陷上方或附近的多个磁力计(4)读取磁通量泄漏(MFL)的值，以及存储磁通量泄漏(MFL)的值。该方法还包括：在另一时间点，从多个磁力计(4)读取磁通量泄漏(MFL)的值，利用来自稍早读取的值处理进一步读取的值，以及从所处理的进一步读取确定缺陷(12)的奇异点(13)的位置。
Description
本发明涉及一种用于检测和/或监测铁磁结构中，诸如土木工程和海洋结构，缺陷特别是裂纹或塑性变形、和/或疑似缺陷的形成和/或增长的方法和系统，包括从放置在缺陷或疑似缺陷上方或附近的多个磁力计读取磁通量泄漏(MFL)的值，以及将磁通量泄漏(MFL)的值通常存储在存储器中，该存储器是控制器或计算机的一部分和/或经由控制器或计算机可访问的。
无损评估(NDE)广泛用于检查诸如船舶、海上结构、可再生能源装置(例如风车、桥梁、建筑物、起重机、铁路、汽车、机械和管道)的对象的由于腐蚀和磨损导致的缺陷和损坏。缺陷包括裂纹、夹杂物、缺乏熔合、不完全渗透和孔隙。NDE方法中的一种是基于缺陷附近的所谓磁通量泄漏(MFL)。
基于MFL的公知方法是用于检测缺陷的磁粉检查(MPI)。然而，该方法需要测量员的存在和主观判断。因此，优选使用磁力计执行MFL测量，诸如基于霍尔效应的那些。
如范德霍斯特，M(2018)，“关于支持船舶及海上结构中疲劳裂纹监测的自磁通量泄漏[SMFL]：数值、实验和全面应用研究”中所解释的，需要定期检查，以便在结构的整个维护寿命期间确认足够的结构完整性。对于安全操作来说过长的检测到的疲劳裂纹需要修复。检测到的可接受长度的裂纹需要至少更频繁地检查。这些检查是昂贵的、耗时的和危险的，因此如果可能的话，在定期的监管调查之上的额外检查应被避免。
在范德霍斯特中，提到了“设想的裂纹监测系统将由霍尔效应传感器的阵列组成，该霍尔效应传感器阵列放置在检测到的裂纹上，使得可以在没有额外检查的情况下监测它们的传播。霍尔效应传感器需要放置在金属表面上方的最佳高度处，以在传感器灵敏度和伴随成本与精确的裂纹长度表征所需的传感器的空间密度之间进行平衡。原则上，只要裂纹在传感器阵列下面，就能够监测裂纹。然而，SMFL的裂纹长度依赖性产生了即使裂纹长度已传播到传感器阵列外部时也能估计裂纹长度的机会。”
本发明的目的是提供一种用于缺陷的检测和/或增长监测的改进的方法和系统。
为此，根据本发明的方法的特征在于，在另一(稍后)时间点从多个磁力计读取磁通量泄漏(MFL)的值，
用来自稍早读取的值处理进一步读取的值，以及
从所处理的进一步读取确定缺陷的奇异点的位置。
值的读取，例如当前或最近的读数，通常包含很少或不足的信息，至少由于它不提供奇异点的精确位置，诸如缺陷传播或形成的裂纹的尖端。已经发现，利用稍早读取的MFL值，诸如初始或参考读数或先前读数，处理当前读取的MFL值，显著提高了与当前读取中的奇异点、特别是裂纹尖端的位置相关的数据的精度，并且在许多情况下甚至能够定位利用现有方法不可能实现的奇异点。
缺陷可以是表面断裂缺陷，还称为表面缺陷或表面瑕疵，和/或非表面断裂缺陷，还称为表面下缺陷或嵌入瑕疵。缺陷的示例包括裂纹、塑性变形(其通常是裂纹的指示或前兆)、腐蚀和点蚀。疑似缺陷包括存在缺陷的指示，并且包括可能的或预期的缺陷，诸如可能包含缺陷的结构中的关键位置或缺陷有可能形成或产生的结构中的关键位置。
为了能够更精确地区分一方面全局效应(诸如温度变化、材料膨胀和磁(背景)场变化)与另一方面局部(较小)变化(诸如缺陷增长)之间的区别，优选地，该系统包括至少3个磁力计，优选地至少5个磁力计，优选地至少10个磁力计，优选地至少20个磁力计，和/或磁力计以阵列(二维)或(单个)行(平行于其上放置有磁力计的表面的一个维度)、特别是直线布置，和/或大多数磁力计(优选地，所有磁力计)之间的距离相等。
值的读取频率取决于环境，例如预期的传播速率或结构的性质，即更高的预期速率和更关键的结构可能需要更频繁的读取。通常，更频繁的读取，例如每天或每小时一个或多个读取，生成更多数据并且通常是优选的。随着电池的改进，更高的频率实现将更加简单。在低预期速率和/或非关键结构的情况下，读取可以是较不频繁的，例如每周、每月或甚至每季度。
如上所述，磁力计被放置在(疑似)缺陷上方或(疑似)缺陷附近，例如，距(疑似)缺陷小于200mm，优选地小于100mm，优选地小于50mm，例如，在10mm内。
在一个实施例中，值包括沿两个或更多个方向的MFL的数据，优选地至少在沿着缺陷的方向(当然假设可以确定该方向)上和沿垂直于其上放置有磁力计的铁磁结构的表面的方向。
在一个实施例中，该方法包括比较沿不同方向的MFL值的集合，选择至少一个集合、以及从所选集合中确定(疑似)缺陷的奇异点的位置的步骤。
如果沿两个或更多个方向(例如三个方向)读取值，在表面断裂缺陷(诸如裂纹)的情况下，优选地至少在沿着缺陷的方向(Y方向)、垂直于铁磁结构的表面的方向(X方向)和垂直于另外两个方向的方向(Z方向)上读取值，并且处理值，则至少一个信号，即，利用多个磁力计沿特定方向(例如沿着缺陷)读取/测量的值的集合，通常将提供比其它更明显的符号变化，特别是从正到负的符号变化，或方向(峰值)。随后，选择该信号以确定奇异点的位置。
沿两个或更多个方向、例如三个方向读取值和在单个维度，诸如一条线，特别是一条直线中设置磁力计的组合提供了一种相对紧凑但有效的装置，用于检测和/或监测缺陷，特别是裂纹或塑性变形的形成和/或增长。
在一个实施例中，磁通量泄漏(MFL)的值被被动地读取，特别是在没有主动地生成磁场的情况下，并且优选地通过仅读取永久磁化、应力诱导磁化(也被称为磁弹性或维拉利效应)和/或地球磁场，永久磁化、应力诱导磁化(也被称为磁弹性或维拉利效应)和/或地球磁场自然地可用作磁源或磁起源。
在一个实施例中，利用来自稍早读取的值处理进一步读取的值涉及优选地对于单独的磁力计，优选地对于每一个磁力计单独地计算在不同时间点的读数的(加权)移动平均值、这样的读数的导数、差、(加权)均方误差、(加权)最小平方误差、过零或类似噪声滤波、以及信号减小处理步骤中的至少一个。
在优选的示例中，从进一步读取的值中减去稍早读取的值。
本发明还涉及一种用于检测和/或监测诸如土木工程和海洋结构的铁磁结构中的缺陷、特别是裂纹的增长的系统，包括多个磁力计和用于执行上述方法的装置，诸如控制器。
为了能够更精确地区分一方面全局效应(诸如温度变化、材料膨胀和磁(背景)场变化)与另一方面局部(较小)变化(例如缺陷增长)之间的区别，优选的是，该系统包括至少3个磁力计、至少5个磁力计、优选至少10个磁力计、优选至少20个磁力计，和/或其中，磁力计以阵列或行，特别是直线，或平行(直)线布置，和/或其中，大多数磁力计之间的距离相等，优选所有磁力计之间的距离相等。
原则上，所有现有的和未来的磁力计都是合适的。示例包括被配置为基于霍尔效应、各向异性磁阻(AMR)或磁通门来测量磁性的磁力计。优选地，磁力计测量沿至少两个方向、优选沿三个方向的磁性。
另一个实施例包括控制器，该控制器连接到磁力计并且被配置为优选地周期性地接通磁力计，即激活磁力计，启动读取/测量，以及关断磁力计。在一个实施例中，该系统包括电池和/或能量生成和/或收集装置。
在一个实施例中，控制器包括处理器、存储器，例如印刷电路板上的(E)EPROM，其能够经由控制器访问。
在另一个实施例中，该系统包括发射器，用于将利用磁力计读取的数据发送到接收器，并且其中，该发射器优选地基于全球移动通信系统(GSM)、远程低功率(LoRa)、Wifi和其它射频标准。
在一个实施例中，磁力计被容纳在壳体中和/或嵌入在周围材料中，该壳体和/或嵌入是抗水和/或抗油的或者防风雨、防水和/或防油的。在一个实施例中，控制器和/或发射器容纳在单独的壳体中，并且控制器有线地或无线地连接到磁力计。
在一个实施例中，传感器包括例如胶带或涂层形式的粘合层、机械紧固件和/或一个或多个磁体，以将传感器安装在金属结构上。
本发明还涉及一种计算机程序，其包括使上述系统执行上述方法的步骤的指令，并且涉及一种其上存储有该计算机程序的计算机可读介质。
专利文献US2015/377012涉及一种用于在诸如管状部件的各种部件中进行异常识别和跟踪的方法和系统。该技术包括感测部件中的异常，并将检测到的异常存储在存储介质中。将检测到的异常与所存储的异常的数字描述进行匹配。所存储的数字描述可以包括相似类型的异常和/或先前在被测试的特定部件上检测到的异常。根据与所存储的数字描述的相似性对检测到的异常进行排序。
专利文献US2018/038833涉及创建和使用预磁化铁磁结构的方法和系统，其中磁场方向随深度旋转，并分析结构中缺陷的性质。
专利文献US2014/368191公开了一种用于发现、识别和监测金属结构中的机械缺陷的装置，其基于磁图/磁断层摄影技术来识别应力相关的缺陷。
专利文献US2017/176389涉及一种用于识别和定位金属轨道中的缺陷的方法，该方法包括以下步骤：将第一磁传感器定位在轨道上方某一距离处，第一磁传感器被配置为测量轨道的磁场；使传感器沿着轨道的长度前进；对磁场测量值进行采样；确定在不同的多个样本上的多个磁场梯度；基于磁场梯度中的一个或多个的变化来识别轨道中的缺陷；以及基于磁场梯度的变化程度确定在距磁传感器特定距离处的缺陷的位置。
在专利文献US2015/330946中，通过分析物品的磁场以找到在表征方式上与由物品的无缺陷部分所生成的剩余磁场不同的磁场的部分，来检测和表征铁磁材料中的缺陷。在表征方式上不同的磁场的部分对应于缺陷的位置。剩余磁场对应于远离缺陷的物品的部分。缺陷表征可以包括由于每一个缺陷和/或每一个缺陷的宽度和/或深度而损失的材料体积。
专利文献US2017/108469涉及使用磁感测来非侵入性且非破坏性地表征基础设施内的铁磁材料的系统和方法。该系统包括用于测量来自邻近铁磁材料的偏距的磁场梯度的传感器。该方法包括使用该系统来测量磁场，确定由传感器阵列所测量的磁场梯度，以及比较在相同或相似位置处的测量到的和建模的或历史的磁场梯度，以识别由铁磁材料中的现象引起的差异，并且在特定实施例中，识别缺陷和正在发展的缺陷。
现在将参照附图更详细地解释本发明，附图示出了本发明的优选实施例。
图1示意性示出了根据本发明的用于检测和/或监测缺陷的增长的系统。
图2示出了在图1的系统中使用的传感器条的具体示例，其包括多个磁力计。
图3和图4示出了利用多个磁力计读取磁通量泄漏(MFL)的值的结果(图3)和处理读数的结果(图4)。
图1示意性示出了根据本发明的用于检测和监测缺陷的增长的系统1，其包括待放置在(疑似)缺陷上方或附近的多个传感器条2和用于操作传感器条并与其通信的控制单元3。每一个条包括多个三轴霍尔效应磁力计4，优选地至少3个，优选地以行布置，特别是以直线布置，并且具有将条附接到钢结构(诸如土木工程和海洋结构)的粘合表面。
在该示例中，控制单元3包括电池组5、将控制单元附接到钢结构的永磁体6、控制器板和处理器7(诸如PLC、微控制器或单板计算机)、用于将传感器条连接到控制单元的线缆9的连接器端口8、以及与中心计算机(未示出)通信的射频(RF)模块10。
控制器被配置为接通磁力计，即激活磁力计，从多个磁力计沿三个方向读取磁通量泄漏(MFL)的值，以及关断磁力计。发射器被配置为例如经由GSM、LoRa、Wii或另一射频标准将利用磁力计读取的数据发送到与中心计算机连接的接收器。
图2示出了用于执行MFL测量的传感器2，其具有30个三轴霍尔效应磁力计4，其以一致的中心间距3.2mm以直线布置。在图2中，条沿着并基本上平行于现有表面断裂裂纹12粘附到钢结构11，该现有表面断裂裂纹12具有清晰可见的奇异点(即裂纹12的尖端13)。
图2中的传感器用于沿三个方向执行MFL值的第一次读取，在该示例中
在裂纹延伸所沿的方向和在结构表面的平面中，在该上下文中还称为Y方向，
在垂直于Y方向和垂直于结构表面的方向，在上下文中还称为Z方向，以及
在垂直于裂纹延伸所沿的方向的方向上以及在结构表面的平面中，在上下文中还称为X方向。
此外，在中心计算机中根据沿这三个方向测量的值计算每一个磁力计的总场强(标量)。
在该示例中，分别在一个月后和两个月后执行第二次和第三次读取。这些读取的结果在图3中示出，其中第一次读取标记为“7月”，第二次读取标记为“8月”，第三次读取标记为“9月”。在图3中，在读取时裂纹的实际尖端的位置用竖直线标记。
图3中所示的单个读取不包含或包含至少不足以精确定位裂纹的尖端的信息。
图4示出了根据分别利用第一次和第二次读取的读数来处理的第二次和第三次读取的磁通量泄漏(MFL)的值。在该示例中，从第二次读取的值中减去第一次读取的值，并且从第三次读取的值中第二次读取的值。
所处理的MFL值沿Y方向的所得曲线沿着裂纹，在7号传感器(8月)和15号传感器(9月)处由正值变为负值，所处理的MFL值沿X方向的所得曲线在相同的7号传感器(8月)和15号传感器(9月)处分别显示单个、明显的峰值。这些传感器的位置分别与第二次读取(8月)和第三次读取(9月)时裂纹尖端的实际位置精确对应。
基于这样的测量值的缺陷检测和缺陷监测系统的益处是：例如，可以评估所测量对象的风险等级；可以对缺陷修复做出合理决策；测量员可以减少检查频率，从而减少伤害/事故和/或显著降低成本。
本发明并不局限于上述实施例，在权利要求的范围内可以有多种变化。例如，可以采用传感器检测新的裂纹，例如通过将传感器放置在裂纹相对容易形成的位置。
Claims (15)
1.一种用于检测和/或监测铁磁结构(11)中缺陷的形成和/或增长的方法，所述缺陷具体是裂纹(12)或塑性变形和/或疑似缺陷，所述铁磁结构例如是土木工程和海洋结构，所述方法包括：
在第一时间点，从放置在缺陷(12)或疑似缺陷上方或附近的多个磁力计(4)读取磁通量泄漏(MFL)的值，以及
存储磁通量泄漏(MFL)的值，其特征在于
在另一时间点，从多个磁力计(4)读取磁通量泄漏(MFL)的值，
利用来自稍早读取的值处理进一步读取的值，以及
从所处理的进一步读取确定所述缺陷(12)的奇异点(13)的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，进一步读取以短于一周、优选一天或小于24小时的间隔执行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述值包括沿两个或更多个方向的MFL的数据，和/或其中，所述磁力计(4)以阵列或行布置，和/或其中，大多数磁力计之间的距离相等，优选地所有磁力计之间的距离相等。
4.根据权利要求2或3所述的方法，包括比较沿不同方向的MFL值的集合，选择至少一个集合，以及从所选集合中确定所述缺陷(12)的奇异点(13)的位置的步骤。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，磁通量泄漏(MFL)的值是被动读取的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用来自所述稍早读取的值处理所述进一步读取的值涉及计算(加权)移动平均值、导数、差、(加权)均方误差、(加权)最小平方误差、过零或类似噪声滤波、以及信号减小处理步骤中的至少一个。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从所述进一步读取的值中减去来自所述稍早读取的值。
8.一种用于检测和/或监测铁磁结构(11)中的缺陷的增长的系统(1)，所述缺陷具体是裂纹(12)，所述铁磁结构例如是土木工程和海洋结构，所述系统包括多个磁力计(4)和用于执行如权利要求1所述的方法的装置，所述装置例如是控制器(3)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，包括至少3个磁力计(4)，至少5个磁力计，优选地至少10个磁力计，优选地至少20个磁力计，和/或其中，所述磁力计(4)以阵列或行布置，和/或其中，大多数磁力计之间的距离相等，优选地所有磁力计之间的距离相等。
10.根据权利要求8或9所述的系统(1)，其中，所述磁力计(4)被配置为基于霍尔效应、各向异性磁阻(AMR)或磁通门来测量磁性，和/或所述磁力计测量沿至少两个方向、优选沿三个方向的磁性。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统(1)，包括控制器(3)，所述控制器连接到所述磁力计(4)并且被配置为接通所述磁力计(4)，启动读取，以及关断所述磁力计(4)，优选地周期性地接通所述磁力计(4)，启动读取，以及关断所述磁力计(4)，和/或其中，所述系统(1)包括电池(5)和/或能量生成和/或收集装置。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的系统(1)，包括发射器(10)，用于将利用所述磁力计(4)读取的数据发送到接收器，并且其中，所述发射器(10)优选地基于全球移动通信系统(GSM)、远程低功率(LoRa)、Wifi和其它射频标准。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统(1)，其中，所述磁力计(4)被容纳在壳体(2)中和/或嵌入在周围材料中，所述壳体和/或嵌入是抗水和/或抗油的或者防风雨、防水和/或防油的。
14.一种计算机程序，包括使根据权利要求8至13中任一项所述的系统执行根据权利要求1至7中任一项所述方法的步骤的指令。
15.一种计算机可读介质，其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序。
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