CN1225167A - 涡流电流检测技术 - Google Patents

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Abstract

一种对由导电材料构成的物体(2)实施检测的装置(9),它包括有一个用于在物体(2)中产生电磁场的非稳态信号发射器,和一个用于测量由非稳态电磁场产生的涡流电流的变化并产生出一个有关涡流电流衰变状态的信号的接收器(20、21),其特征在于非稳态信号发射器至少包括有两个沿侧向方向空间分离的、用于产生电磁场的激励器(11、12),而且在正常操作过程中,这些激励器(11、12)按使位于各激励器(11、12)之间的中心区域(26)处的电磁场的强度被增强的方式实施驱动。

Description

涡流电流检测技术
本发明涉及对由导电材料构成的物体实施检测用的技术。在本说明书和各权利要求中所使用的技术术语“检测物体”一词，指的是对物体的厚度实施测量、对物体中是否存在有次表面裂纹实施检测、对包绕着物体的非导电性材料层的厚度实施测量等等的技术操作。如果举例来说，这类物体可以是容器壁和管壁等等。
诸如钢容器、水管和水箱等等物体的有效厚度可能会由于外部或内部腐蚀而发生局部变化。对于物体上覆盖有绝缘材料层的场合，如果要用肉眼对腐蚀状况实施检测，则需要将绝缘材料除去，这不仅浪费时间，而且费用昂贵。
欧洲专利说明书第321112号公开了一种检测诸如壁部等等的、由导电材料构成的物体的装置，该装置包括有一个用于在壁部中产生电磁场的脉冲信号发射器，和一个用于测量由该电磁场产生的涡流电流的衰变并产生出一个有关这一衰变状态的信号的接收器。
为了测量该壁部的厚度，将所接收到的信号随时间的衰变与反映着已知壁厚的参考信号的衰变进行比较。
发射器包括有一个激励线圈，接收器包括有一个接收线圈。这些线圈缠绕在芯体上，而且在正常操作过程中，各线圈的纵向中心轴与物体的表面相垂直。
利用这种已知的装置可以检测其尺寸与激励线圈的尺寸大小相当的腐蚀点，但目前已经发现，这种装置并不能检测其尺寸比线圈尺寸小很多的腐蚀点，而这类小腐蚀点可能会使局部壁部的厚度降低到非常严重的程度。而且在诸如在管子和包绕着管子的绝缘材料层之间存在有液态水等等的时候，这类小腐蚀点的尺寸还可能会迅速增大。
本发明的一个目的就是提供一种可以增大分辨能力、从而可以对物体实施更仔细检测的装置。
本发明的另一个目的就是提供一种改进了的、用于对测量数据进行分析以确定出壁部厚度的方法。
为了能够实现本发明的目的，本发明提供了一种对由导电材料构成的物体实施检测用的装置，这种装置包括有一个用于在物体中产生电磁场的非稳态信号发射器，和一个用于测量由非稳态电磁场产生的涡流电流的变化并产生出一个有关涡流电流衰变状态的信号的接收器，其特征在于该非稳态信号发射器至少包括有两个沿侧向方向空间分离的、用于产生电磁场的激励器，而且在正常操作过程中，这些激励器将按照使位于各激励器之间中心区域处的电磁场的强度被增强的方式实施驱动。
通过增强中心区域处的电磁场强度的方式，便可以在一个比较小的、选定了的壁部区域中产生出强度增强了的涡流电流，从而使该涡流电流聚集在该选定的壁部区域中。还可以配置有涡流电流接收组件，以便能够测量强度增强了的涡流电流的衰变，而不测量强度比较低的、即位于该选定的壁部区域外部处的涡流电流的衰变。采用这种方式可以获得更好的分辨能力。
这一中心区域位于各激励器之间，而且它适当地位于各激励器的中心之间。
本发明还提供了一种对由导电材料构成的物体实施厚度检测用的方法，根据本发明构造的这种方法包括有在物体中感应出脉冲涡流电流、检测该涡流电流的衰变并产生出一个反映着该衰变的信号、由该信号中测量出物体厚度等步骤，其特征在于在由信号中测量出物体厚度的步骤中包括选定有关信号幅度的第一数值和比第一数值小的第二数值，测量信号由第一数值衰变至第二数值所需的时间间隔长度，以及根据时间间隔长度测定物体的壁厚等步骤。
下面将以例举方式，参考附图更详细地说明本发明。
图1为表示根据本发明构成的装置中的一个实施例用的示意性透视图。
图2为表示如图1所示装置中一部分用的放大了的示意性透视图。
图3为表示如图2所示部分用的顶视图。
图4为表示根据本发明构成的装置中的一个变形实施例用的示意性透视图。
图5为表示根据本发明构成的装置中的另一个变形实施例用的示意性透视图。
图6为表示根据本发明构成的装置中的再一个变形实施例用的示意性透视图。
图7示出了在双对数坐标中的涡流电流衰变曲线。
图8为表示检测壁厚时用的线形校准曲线。
图9为表示在双对数坐标中，探头与壁之间的空间间隔对涡流电流的影响用的示意性曲线图。
在下面的说明中，相同的参考标号表示着相同的部件。
图1示出了检测由具有导电材料制成的物体用的探头1，这种探头1可以用来检测管3上管壁2的厚度，以对管壁2上的腐蚀状态实施检测。腐蚀可能发生在管壁2的外侧表面或内侧表面处。在管3的周围设置着一层绝缘材料层5，在绝缘材料层5的外侧盖覆着一层薄金属钢材制造的套管7。探头1包含有一个对由导电材料构成的物体实施检测用的装置9，而且在正常操作过程中，装置9被保持在与钢套管7的外侧表面相对的位置处。
正如图2和图3所示，用于检测由具有导电材料制造的物体的装置9包括有一个用于在诸如管壁2等等的物体中产生一个非稳态电磁场的非稳态信号发射器(图中未示出)，和一个用于测量由非稳态电磁场产生的涡流电流变化并产生出一个有关涡流电流衰变状态的信号的接收器(图中未示出)。
非稳态信号发射器至少包括有两个沿侧向方向空间分离的、用于产生电磁场的激励器，即至少包括有沿着与其纵向中心轴13和14的方向相垂直的方向空间分离设置的第一激励线圈11和第二激励线圈12。在激励线圈11和12之间形成有一个相当小的间隙16。在正常操作过程中，各发射线圈沿着与管壁2上的、位于邻近处的表面17相平行的方式设置，以便使它们的纵向中心轴13和14与该位于邻近处的表面17相垂直。
发射器还包括有驱动激励器、即驱动激励线圈11和12用的组件(图中未示出)。
接收器至少包括一个接收由诸如管壁2等等的物体中的涡流电流所产生的电磁场用的接收线圈，即至少包括有分别具有纵向中心轴23和24的第一接收线圈20和第二接收线圈22。接收线圈20和22具有相同的结构构成，并且具有相同的横剖面尺寸。它们基本上沿着与管壁2上的、位于邻近处的表面17相平行的方式设置。这一对接收线圈20和22按分别与相应的激励线圈11和12相准直的方式配置，即各线圈的纵向中心轴13、14和23、24基本上彼此平行，并且在同一平面(即如图2所示的平面)内延伸。接收线圈20和22的尺寸比激励线圈11和12的尺寸小，而且接收线圈20和22的纵向中心轴23和24在激励线圈11和12的纵向中心轴13和14之间延伸。跨接在接收线圈端子之间的电压就是反映着物体中的涡流电流衰变状态的信号。
在正常操作过程中，按使位于各激励线圈11和12的中心25之间的中心区域处的电磁场强度增强的方式，对呈激励线圈11和12形式的激励器实施驱动。这一中心区域由参考标号26表示。通过使电流流经激励线圈11和12，并且使各激励线圈11和12中的电流流经方向彼此不同的方式，便可以实现这一点。在图3中，电流的流经方向由箭头A表示。因此在中心区域26处的电磁场强度将被增强。换句话说就是，这可以使电磁场在激励线圈11和12之间的区域处比较强，而在中心区域26外侧的部分处比较弱。这将使得物体2在区域27中的电磁场强度比较强，而在区域27外侧处比较弱。在下面，将电磁场强度被增强的这种区域27称为检测区域27。这样便可以获得更好的检测结果，从而可以检测出更小的腐蚀斑点。
为了改善其接收性能，接收线圈20和22应被串联连接，并将它们配置在间隙16和检测区域27的相对两侧处。
每一个激励线圈11和12的直径最好与绝缘材料层5的厚度基本上相等。如果举例来说就是，当绝缘体厚度为70毫米时，可以用0.5毫米的线材缠绕200圈而构成的两个激励线圈，线圈的直径为70毫米。
当要对腐蚀实施检测时，间隙16盖覆着管3上的管壁2处的检测区域27。
图4示出了一个变形实施例，其中激励线圈41和42类似于如图2和图3所示的激励线圈11和12。但是，在与激励线圈相平行的平面上并未设置有两个接收线圈，而是仅仅配置有一个接收线圈46。接收线圈46被配置在激励线圈41和42之间，它的纵向中心轴47沿着与激励线圈41和42的纵向中心轴43和44相垂直的方向延伸。
图5示出了另一个变形实施例，它包括有第一对激励线圈50和52，以及第二对激励线圈54和56，而且这两对激励线圈沿着彼此相垂直的方向设置。箭头A表示着在各激励线圈50、52、54和56中的电流流动方向。第一对激励线圈50和52构成为一组，第二对激励线圈54和56构成为另一组，以沿着不同的方向在管壁上选定了的、位于激励线圈50、52、54和56之间的区域中产生增强了的涡流电流。在这一实施例中，强度增强了的涡流电流沿彼此相垂直的方向流动。相对于每一对激励线圈还配置有相应的接收线圈(图中未示出)，而且每一对接收线圈均具有相同的结构构成，并且按与如图3所示的、相对应于激励线圈的相同方式配置。这一实施例除了具有如图3所示实施例所具有的优点之外，还具有如下所述的优点，即该装置可以更好地聚焦于感兴趣的管壁部分处，而且可以使检测更加对称。除了采用两对线圈之外，还可以按类似方式采用任何适当数目的线圈。
图6示出了本发明的再一个变形实施例，它在与物体(图中未示出)上位于邻近处的表面相垂直的平面内设置有一个半圆弧型体71，并且使各激励线圈60、62、64、66、68和70的中心59均位于该半圆弧型体71上，按与半圆弧型体71相垂直的方式对各激励线圈60、62、64、66、68和70实施配置。采用这种布置方式，可以减少除测量表面之外的感应表面所产生的影响。
在本发明的又一个变形实施例中，在激励线圈之内配置有由铁磁性材料制作的半圆形棒(图中未示出)。
本发明的要点在于按照使位于激励器之间中心区域处的电磁场强度增强的方式，对沿侧向方向空间分离的各激励器实施驱动。在如上所述的说明中，描述了使用两个、四个或六个激励线圈的实例，但发明人已经发现，仅仅采用一个激励线圈也可以获得同样的技术效果。为了能获得同样的效果，这种沿侧向方向空间分离着的激励器包括有一个基本上沿着与物体上位于邻近处的表面相平行的方向延伸的线圈，以及一个基本上沿着与物体上位于邻近处的表面相垂直的方向延伸的、由铁磁性材料制作的棒。在一个变形实施例中，这种沿侧向方向空间分离的激励器包括有一个呈8字形状的、沿着基本上与物体上位于邻近处的表面相平行的方向延伸的激励线圈。
下面参考图2进行说明。一种适当的非稳态信号为脉冲信号。在正常操作过程中，由探头1给出的脉冲电流将通过感应，而在激励线圈11和12中沿相反的转动方向流动。在每一个脉冲时间T中，将有一个恒定的电流流经各激励线圈11和12。该电流和由它所产生的电磁场分别在脉冲的上升边缘和下降边缘处被导通和断开。激励线圈11和12足够大，从而使得至少有一部分磁力线可以穿过套管7、绝缘材料层5和钢管3。在管壁2中的磁力线将主要聚集在位于邻近处的表面17附近。当电磁场被导通或断开时，电磁磁通也将会发生变化，进而会在管3中位于管壁2上的外侧表面7附近处感应出涡流电流。由分立的激励线圈11和12所产生的涡流电流将沿相反的转动方向在管壁2中流动，从而使位于间隙16之下的、在管3上管壁2中的区域27处的涡流电流的强度被增强。所产生的这种涡流电流将通过管壁2扩散，并且由管壁2的内侧表面反射回至外侧表面14。可以将这种脉冲持续时间T选择的比典型的扩散时间更长，以便能够确保对瞬态特性实施检测。这种脉冲持续时间通常可以取为50至300毫秒，并可以根据管3上管壁2的壁厚实施选择。
脉冲型涡流电流将沿着深度方向(即沿着朝向内侧的方向)扩散，并且沿着相应于自己回路的径向方向(即朝向外侧，从而使涡流电流回路的半径将逐步增大)扩散。沿着涡流电流回路还会产生有电荷移动。扩散速度通常比电荷沿着涡流电流回路移动的速度大100倍左右。这意味着涡流电流将主要通过管壁2扩散，并将由内侧表面处反射回来，而仅有一小部分电荷会沿回路散失掉。因此，在检测区域27中的扩散几乎与在检测区域27外侧的扩散和电流流动无关。这样便可以按仅仅对涡流电流中一部分敏感的方式实施测量。对于各种适当的电子仪器，采用这种可用于对部分脉冲涡流电流实施测量的激励线圈和接收线圈的设置方式，便可以消除阻抗变化对测量结果的影响。
接收线圈20和22的尺寸比激励线圈11和12的尺寸小，从而使接收线圈20和22可以仅仅对在检测区域27中流动着的涡流电流所产生的磁力线敏感。接收线圈20和22的绕组敏感性可以使其构成为一个检测涡流电流磁力线用的绝对探头，即由磁力线在接收线圈20和22中感应出的电流可以相互增强。同时还可以构成为一个相对于噪音的差分探头，即由噪音在各接收线圈中感应出的电流可以相互抵消。在一般情况下，接收线圈20和22可呈30毫米×30毫米×2毫米的矩形形状，并且可以由线径为0.1毫米的线材缠绕100圈而构成。
由图4、5和6所示的变形实施例中的常规结构构成与参考图1至3所描述的装置中的常规结构构成相类似。
反映着涡流电流衰变的信号是跨接在接收线圈两端处的电压，当在脉冲的下降边缘处电流和它所产生的电磁场被切断之后，计量出的幅度A(单位V，即电压)是时间的函数。在图7所示的双对数坐标图中，示出了六条涡流电流衰变曲线的幅度A(单位V)相对于时间(单位ms，毫秒)的变化曲线。通过将适当的涡流电流探头设置在具有不同厚度的钢容器壁部处的方式，便可以获得这些涡流电流衰变曲线。曲线a、b、c、d、e和f代表着在厚度分别为2、4、6、8、10和12毫米的壁部中的衰变。这些曲线的初始部分在双对数坐标中几乎为直线。本申请人已经发现，在由第一电压至第二电压，比如说在由1V至0.05V时，壁厚与涡流电流随时间的衰变之间的关系为线性关系。在本发明中就是利用这一线性关系来测量未知厚度的壁厚的。
如图7所示的曲线可用来确定该线性关系中的常数。因此可以将壁厚取为涡流电流在由1V至0.05V之间时随时间的衰变的函数，这一函数关系已经示出在图8中。
图8表明，当如图7所示的曲线由1V衰变至某一选定了的值，比如说为0.05V时的关系曲线时，在壁厚Wt(单位mm)和时间ti(单位ms)之间基本上呈线性的关系曲线。图中的点代表着与图7中的曲线a、b、c、d、e、f相关的测量值。这一关系为
Wt=(ti-A)B；
其中A和B为由图8所示的线性校准曲线中获得的校准常数。
可以通过对数值A进行调节的方式对涡流电流探头实施校准，从而可以补偿磁导率、温度和壁厚变化曲线所带来的影响。在已知壁厚的某一位置进行一次简单的测量即可以获得数值A。数值B中的较小波动可能会在壁厚测量值中产生10％(即接近1毫米)左右的偏差。这一精度对于在绝缘材料层5之下的腐蚀测量来说是足够的。
下面参考图9进行说明。目前已经发现，至少在位于最后一个发射器电流脉冲的后侧边缘后的经过初始时期之后，在涡流电流接收组件与由具有导电材料构成的管壁之间的空间所产生的影响，比如说由于移动或由于绝缘材料层所产生的影响，将使双对数坐标中的曲线沿纵向漂移。这种影响已示出在图8中。图8所表示的是对厚度为8毫米的钢板进行的测量，该钢板具有厚度为1毫米的铝套管和位于钢板和铝套管之间的绝缘材料层，而且曲线g、h、i和j分别与厚度为20、40、80和100毫米的绝缘材料层相对应。曲线k代表着对不具有绝缘材料层和套管的钢板进行的测量。
通过使曲线在双对数坐标中沿纵向漂移的方式，这种空间间隔对测量结果施加着影响。信号幅度在发射电流脉冲结束之后的某一由10至20毫秒中选择出的特定时间处，最好为15毫秒的特定时间处具有比如说为1V的第一值。由于空间间隔按这种方式施加着影响，所以各信号衰变曲线将有一个公共交叉点。如果举例来说就是，由图7所示的各信号衰变曲线沿纵向漂移，从而在最后一个脉冲结束后在某一时间点=15毫秒处具有它们的公共交叉点。
当磁力线穿过套管时，包绕着绝缘材料层的铝套管也将对信号的幅度和滞后产生一定的影响。由于幅度变化可以通过对设置曲线交叉点(在如上所述的实施例中，它位于15毫秒处)用的幅度测量而获得补偿，所以幅度变化将不会对壁厚测量产生影响。信号滞后是由在套管中产生的涡流电流的扩散所产生的。虽然这种滞后会由于套管材料的不同而有所不同，但这种滞后仅仅为几个毫秒，所以信号衰变曲线的坡度几乎不会受到套管的影响。如果举例来说，还可以通过在校准过程中设置套管而对数值B实施调整的方式，对这种滞后实施补偿。由于诸如部件重叠、凹陷或螺旋等等而由套管产生的影响，均发生在相当早的时间里，比如说均发生在最后一个脉冲结束后的15毫秒之内的时间里。因此，由于测量间隔开始于最后一个脉冲结束后的15毫秒之后，所以所有这些均不会对壁厚测量造成影响。
根据本发明构造的装置和方法可以应用于具有各种结构构成的、由导电材料构成的物体，比如说可以应用于具有绝缘材料层的管壁或液体蓄积池用的池壁等等的测量。如果举例来说，当要对比较大型的液体蓄积池(比如说油料蓄积池)的底壁处实施测量时，可以通过先在蓄积池之下的地面处挖一个几乎垂直的孔洞，随后通过这一孔洞将装置移动至蓄积池的底部处的方式，便可以将根据本发明构造的装置设置在底部处较低的一侧。
而且，根据本发明构造的装置和方法特别应用于对具有诸如沥青或环氧树脂等等的绝缘材料层的水箱、管路和板材等等进行测量。可以用常规的技术(比如说超声波或视觉检测方式)对这些覆盖物实施检测。由于根据本发明构造的探头并不需要与壁直接接触，所以本发明还可以用于对温度特别高或特别低的壁实施检测，而这种壁是不能用常规的、与壁直接接触的技术实施测量的。

Claims (15)

1．一种对由导电材料构成的物体实施检测用的装置，包括有一个用于在物体中产生电磁场的非稳态信号发射器，和一个用于测量由非稳态电磁场产生的涡流电流的变化并产生出一个有关涡流电流衰变状态的信号的接收器，其特征在于非稳态信号发射器至少包括有两个沿侧向方向空间分离的、用于产生电磁场的激励器，而且在正常操作过程中，这些激励器将按照使位于各激励器之间中心区域处的电磁场的强度被增强的方式实施驱动。
2．一种如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的非稳态信号发射器至少包括有一对沿侧向方向空间分离的激励器。
3．一种如权利要求2所述的装置，其特征在于每一对沿侧向方向空间分离的激励器均在其结构构成中包括有一个第一激励线圈和一个第二激励线圈。
4．一种如权利要求2或4所述的装置，其特征在于包括有若干对激励线圈。
5．一种如权利要求4所述的装置，其特征在于在与物体上位于邻近处的表面相垂直的平面内设置有一个半圆弧型体，将各激励线圈的中心配置在该半圆弧型体上，并且使各激励线圈沿与半圆弧型体相垂直的方向配置。
6．一种如权利要求5所述的装置，其特征在于在激励线圈之内还配置有一个由铁磁性材料制作的半圆形棒。
7．一种如权利要求1所述的装置，其特征在于各沿侧向方向空间分离的激励器均包括有一个基本上沿着与物体上位于邻近处的表面相平行的方向延伸的线圈，以及一个基本上沿着与物体上位于邻近处的表面相垂直的方向延伸的、由铁磁性材料制作的棒。
8．一种如权利要求1所述的装置，其特征在于沿侧向方向空间分离的激励器包括有一个呈8字形状的、沿着基本上与物体上位于邻近处的表面相平行的方向延伸的激励线圈。
9．一种如权利要求1至8中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于接收器至少包括有一个接收由物体中的涡流电流所产生的电磁场用的接收线圈。
10．一种如权利要求9所述的装置，其特征在于接收器至少包括有一对由第一接收线圈和第二接收线圈构成的、配置在中心区域两侧的接收线圈。
11．一种如权利要求10所述的装置，其特征在于所述的每一对接收线圈均按与各对激励线圈相准直的方式配置。
12．一种如权利要求11所述的装置，其特征在于接收线圈的尺寸比激励线圈的尺寸小，而且接收线圈的纵向轴在相应激励线圈的纵向轴之间延伸。
13．一种如权利要求9至12中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于每一个接收线圈均被配置在激励线圈与物体之间。
14．一种对由导电材料构成的物体实施厚度检测用的方法，该方法包括有在物体中感应出脉冲涡流电流、检测该涡流电流的衰变并产生出一个反映着该衰变的信号、由该信号中测量出物体厚度等步骤，其特征在于在由信号中测量出物体厚度的步骤中包括选定有关信号幅度的第一数值和比第一数值小的第二数值，测量信号由第一数值衰变至第二数值所需的时间间隔长度，以及根据时间间隔长度测定物体的壁厚等步骤。
15．一种如权利要求14所述的方法，其特征在于按照下述公式由时间间隔长度(ti)中确定出壁厚度(Wt)：
Wt=(ti-A)B，
其中A和B为预先确定的校准常数。
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