CN1242263C - 用于检查由导电材料构成的物体的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用探测器(4)对导电体(2)实施检查以便检测出所存在的异常结构(15，20)的方法，该探测器(4)包括一个发射器线圈(6)和接收器线圈(8)，根据本发明的方法包括以下步骤：(a)在需要检查的物体(2)的邻近探测器的表面(12)上选择一组点；(b)从该组点中选择第一检查点；(c)将探测器定位在被选择的检查点处，在物体中感应出涡流电流并确定由该涡流电流产生的电磁场的特征值Φ；(d)从该组点中选择下一个检查点并重复步骤(c)直到所有的检查点都轮上一遍；和(e)如果特征值Φ与标准量明显不同，推断在检测点出现异常结构。

Description

用于检查由导电材料构成的物体的方法

技术领域

本发明涉及对由导电材料构成的物体进行检查以便检测出所存在的异常结构的方法。在该方法中使用一种探测器，该探测器包括一个用于在物体中感应出涡流电流的发射器线圈，和一个用于提供表示磁场强度或该磁场强度的变化的信号的接收器系统。

背景技术

适合利用根据本发明的方法来检查的物体的例子有金属片或例如管道，导管或容器等容器装置的壁，这些物体的曲率半径大于厚度。导电材料可以是例如碳钢或不锈钢的任何导电材料。

一种异常结构可能是物体厚度的局部减小，这种厚度的局部减小例如是由于腐蚀而产生的。

欧洲专利说明书第321112号公开了一种利用探测器确定容器壁厚度的方法，该探测器包括一个用于在物体中感应出涡流电流的发射器线圈和一个用于提供表示磁场强度变化的信号的接收器系统。该已知方法包括在物体中感应出瞬时涡流电流；接收表示该涡流电流的信号，和将所接收到的信号随时间的衰减与表示已知壁厚的参考衰减进行比较，由此能够推断出容器装置的壁部的厚度。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种改进的对物体实施检查以便定位异常结构的方法。本发明的进一步目的就是提供一种比目前的探测方法更快且对物体的电磁特性变化较不敏感的检查方法。本发明的进一步目的就是检测出比现有技术可能检测出的更小的异常结构。

为此，本发明提供一种使用探测器对导电体的表面实施检查以便检测出该表面上存在的异常结构的方法，该探测器包括一个用于在物体中感应出涡流电流的发射器线圈，和一个用于提供表示磁场强度或该磁场强度的变化的信号的接收器系统，该接收器系统至少包括一个接收器，根据本发明的方法包括以下步骤：

(a)在物体的该表面上选择将被检查的一组点，该表面离探测器最近；

(b)从该组点中选择第一检查点；

(c)将探测器定位在被选择的检查点处，在物体中感应出瞬时涡流电流并在涡流电流扩散到物体远离该探测器的表面之前确定与该接收器信号的幅度有关的特征值Φ，由此该特征值是提升距离和涡流电流的半径的函数；

(d)从该组点中选择下一个检查点并重复步骤(c)直到所有的检查点都轮上一遍；和

(e)如果特征值Φ与标准量明显不同，推断在检查点出现异常结构。

本发明进一步提供一种使用探测器对导电体实施检查以便检测出所存在的异常结构的方法，该探测器包括一个用于在物体中感应出涡流电流的发射器线圈，和一个用于提供表示磁场强度或该磁场强度的变化的信号的接收器系统，该接收器系统至少包括两个相互隔开的接收器，该方法包括以下步骤：

(a)在物体的一个表面上选择将被检查的一组点，该表面离探测器最近；

(b)从该组点中选择第一检查点；

(c)将探测器定位在被选择的检查点处，在物体中感应出瞬时涡流电流并确定与电磁场的梯度有关的特征值Φ，由此该特征值是提升距离和涡流电流的半径的函数。

(d)从该组点中选择下一个检查点并重复步骤(c)直到所有的检测点都轮上一遍；和

(e)如果特征值Φ与标准量明显不同，推断在检查点出现异常结构。

附图说明

下面将以例举方式，参考附图更详细地说明本发明，其中：

图1显示本发明的第一实施例；

图2显示了记录作为探测器位置的函数的特征值的曲线图；

图3a示意性地显示了无异常结构时在物体中产生的涡流电流；

图3b示意性地显示了有小的异常结构时在物体中产生的涡流电流；

图3c示意性地显示了有较大的异常结构时在物体中产生的涡流电流；和

图4显示了一个曲线图，它表明作为沿着物体的位置的函数的提升距离。

具体实施方式

现在参照图1进行说明。由导电材料构成的物体用标号2来表示，探测器用标号4来表示。该探测器4包括一个用来发射电磁场的发射器线圈6和一个接收器8。

发射器线圈6与一个用于激励该发射器线圈的设备(图中未示出)相连，该接收器系统与一个用于记录来自该接收器系统的信号的设备(图中未示出)相连。

探测器4与邻近表面12间的距离用L来表示，探测器4与物体2之间的空间例如充满覆盖该邻近表面12的一个绝缘层(图中未示出)。该距离L也叫提升距离(lift-off)。

物体2具有两种异常结构：一种在邻近探测器的表面12上，用标号15来表示，另一种在远离探测器的表面18上，用标号20来表示。

在正常操作过程中，探测器4沿着物体2的邻近探测器的表面12并在距离其L处移动，对若干点实施检测。

为了实施检测，将探测器定位在一组点中的第一个点处。通过激励发射器线圈6在物体中感应出涡流电流并确定由该涡流电流产生的电磁场的特征值Φ。然后，将探测器4定位在下一个点处，在物体中感应出涡流电流并确定由该涡流电流产生的电磁场的特征值Φ。重复该过程直到所有的检查点都轮上一遍。

然后，假如特征值Φ与正常值明显不同，可以推断出在检测点出现异常结构。

图2显示了特征值的曲线图，该特征值是探测器4沿物体2的位置的函数。无异常结构时，特征值为常量，参见线段25，26和27。可以在曲线30和31处发现异常结构15和20。

为了在物体2内感应出瞬时涡流电流，发射器线圈6被激励和突然去激励。通过记录接收器的信号V(t)并通过如下公式确定平均幅度来确定特征值：

$\stackrel{\‾}{V}=(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}V(t_0+(i-1))\mathrm{\Δ})$

其中t₀是起始时间，Δ为取样间隔，n为包括在求和中的取样的数量。

适宜地，探测器4包括第二接收器40，该接收器40与第一接收器8相互隔开。接收器40和8之间的距离是提升距离的倍数，适宜为提升距离的0.1到0.9倍。此时，为瞬时涡流电流确定特征值包括如下步骤：记录接收器随时间变化的信号，其中V_l(t)是第一接收器8随时间(t)变化的信号，V_u(t)是第二接收器40随时间(t)变化的信号，然后通过如下公式来确定特征值：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vu}(t_0+(i-1)\mathrm{\Δ})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_l(t_0+(i-1)\mathrm{\Δ})}$

其中t₀是起始时间，Δ为取样间隔，n为包括在求和中的取样的数量。

为了解释为什么根据本发明的方法能够探测小的异常结构(或缺陷)，现在参考附图3a-3c来进行说明。图3显示在物体35中产生的涡流电流。为简单起见，仅仅显示一个涡流电流36。该涡流电流36在平行于物体35的邻近探测器的表面37的平面内流动，其中叉表示涡流电流流进图中的平面而点表示涡流电流流出图中的平面。特征值在试验中决定，涡流电流向远离探测器的表面38扩散且不断减小。现有方法依赖涡流电流到达物体远离探测器的表面38所需的时间，而根据本发明的方法依赖特征值Φ。该特征值Φ是提升距离L和涡流电流的半径R的函数。

图3a显示无异常结构的物体35。两种方法给出相同的结果。图3b显示有小的缺陷39a的物体35。探测器结构(未示出)和提升距离都相同，并且围绕异常结构39a产生涡流电流36。该涡流电流36开始于邻近探测器的表面37，因此依赖涡流电流到达物体远离探测器的表面38所需的时间的方法将不能检测到异常结构39a。然而，因为特征值Φ依赖半径，根据本发明的方法确实能够检测到异常结构39a。为完整起见，图3c显示一个相对大的异常结构39b，依赖涡流电流到达物体远离探测器的表面38所需的时间的方法将给出一个减小的厚度，而根据本发明的方法将给出一个增加的提升距离。

为了解释根据本发明的方法获得的结果，现在参考附图4来进行说明，该图显示在任意单元中的特征值Φ，该特征值是探测器沿物体的位置X的函数。曲线40显示真实的缺陷外形，当探测器以50mm的距离在一个平面物体的上方经过时，这正是所期望的提升距离，其中的平面物体的标称厚度为15mm，并在邻近探测器表面上具有一个2mm深的缺陷。然而，曲线41显示作为位置的函数的特征值。该特征值可用包含两个接收器线圈的探测器在6至40ms的之间时间内确定。

缺陷是清楚可见的。为进行比较，利用常规的脉冲型涡流电流技术确定物体的厚度，其中利用涡流电流扩散到远离探测器的表面所需的时间来确定物体的厚度。虚线42是作为位置的函数的任意单元的厚度，从该图可见缺陷未被探测出来。从图4可以得出结论，特征值是对平面的静止不动的物体的提升距离的量度，然而，异常结构引起特征值的变化，该特征值大于真正的提升距离。

对于邻近探测器的表面上的异常结构的检测，利用根据本发明的方法是迅速的，因为被接收的信号的第一毫秒包含足够的信息来检测邻近探测器的表面上的异常结构。相比较而言，现有方法要求涡流电流扩散到远离探测器的表面侧，这需要40至100毫秒。因此现有方法至少需要40至100毫秒才能检测到异常结构。

可以理解，当将被检测的异常结构在远离探测器的表面时，本发明将失去该优势，因为只有在涡流电流已经扩散到远离探测器的表面时才能检测到这些异常结构。这已被实验所证实。

在如图1所示的探测器4的实施例中，接收器8和40在垂直方向(垂直于物体5的邻近探测器的表面15)上其中的一个位于另一个上方。在一个可替换的实施例(未显示出)中，接收器天线装置在水平方向(平行于邻近探测器的表面12)相互隔开。当使用开口端朝向物体的一个U形铁心时，此结构特别有用。U形铁心在其两端包括一个发射器线圈和一个接收器线圈，而第二接收器线圈配置在该U形铁心旁边。

因为绝缘层下的腐蚀发生邻近探测器的表面，所以本发明非常适用于检测绝缘层下的腐蚀。使用信号的第一毫秒不仅可以滤出远离探测器的表面的影响，而且使得该方法非常快。利用常规的涡流电流方法一小时能够探测20米，然而，根据本发明的方法允许探测速率超过100米/小时。

与常规方法比较，根据本发明的方法还有另一个优点。常规的涡流电流方法依赖于测量涡流电流到达远离探测器的表面所需的时间。壁的厚度是涡流电流通过材料的速率与该时间的乘积。该速率依赖于材料的电导率和磁导率。这些特性依赖于样品的温度，以及对于例如碳钢的铁磁材料这些特性依赖于材料的微观结构。碳钢材料的电导率和磁导率通常从某一位置到下一位置有显著变化。结果，碳钢样品中涡流电流通过材料的速率从某一位置到下一位置有显著变化。这就导致了上面提到的时间的变化，因此常规的脉冲型涡流电流方法不能区分由于壁厚的改变而引起的变化。这一现象限制了常规方法应用于碳钢物体的可靠性。涡流电流通过材料的速率的变化与根据本发明的方法无关。因此，根据本发明的方法比常规方法更适合应用于碳钢样品。

绝缘层下的腐蚀发生在涂有绝缘材料的管道。绝缘材料通常用一个金属包层来防雨。该金属包层被称为“护套”。该护套通常由铝或钢制成且大约厚0.7mm。护套以分段的形式进行应用，每段的典型长度为1m。通过将两个护套段部分地交迭来阻止水的进入。在利用涡流电流技术进行的检测中，护套不需要去除。在一级近似的程度上，护套的影响为对接收信号的一个Δt的延迟：如果没有护套时信号为s(t)，那么在有护套时信号大约为s(t-Δt)。沿着护套段Δt的大小变化如下：相对于护套段的中间，靠近护套段交迭处的Δt更大。延迟Δt的变化对常规的脉冲型涡流电流方法影响如下：Δt的变化表现为被测量的钢的厚度的虚假的变化。本申请人已经发现，当使用两个接收器时，根据本发明的方法对金属护套的出现更不灵敏。一个原因是在实验中发现，特征值Φ几乎不依赖于时间t：Φ(t)≈Φ(t-Δt)，其中：

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vu}(\mathrm{\τ}+(i-1)\mathrm{\Δ})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_l(\mathrm{\τ}+(i-1)\mathrm{\Δ})}$

在后一个等式中τ＝t或τ＝t-Δt。

在本说明书和各权利要求中所使用的术语“标准量”一词，指的是在无异常结构时特征值的预期大小。

在本说明书和各权利要求中，一个显著差异指是一个统计性的显著差异，例如超过标准偏差。

参照附图讨论的接收器是线圈，且来自接收器的信号代表磁场强度随时间的变化。可替代地，接收器可以是霍尔效应变换器。当接收器是霍尔效应变换器，或对来自线圈的信号积分时，该信号表示磁场强度。

如果接收器是线圈，则线圈的直径适宜为提升距离的倍数，更为适宜是提升距离的0.1到0.9倍。

接收器8和40在垂直方向(垂直于物体2的邻近探测器的表面12)上其中的一个位于另一个上方。在一个可替换的实施例(未显示出)中，接收器天线装置在水平方向(平行于邻近探测器的表面12)相互隔开。当使用开口端朝向物体的U形铁心时，此结构特别有用。该U形铁心在其两端包括一个发射器线圈和一个接收器线圈，而第二接收器线圈配置在该U形铁心旁边。

Claims (5)

1、一种使用探测器对导电体的表面实施检查以便检测出该表面上所存在的异常结构的方法，该探测器包括一个用于在物体中感应出涡流电流的发射器线圈，和一个用于提供表示磁场强度或该磁场强度的变化的信号的接收器系统，该接收器系统至少包括一个接收器，该方法包括以下步骤：

(a)在物体的该表面上选择将被检查的一组点，该表面离探测器最近；

(b)从该组点中选择第一检查点；

(c)将探测器定位在被选择的检查点处，在物体中感应出瞬时涡流电流并在该涡流电流扩散到物体远离探测器的表面之前确定与该接收器的信号的幅度有关的特征值Φ，由此该特征值是提升距离和涡流电流的半径的函数；

(d)从该组点中选择下一个检查点并重复步骤(c)直到所有的检查点都轮上一遍；和

(e)如果特征值Φ与标准量不同，推断在检测点出现异常结构。

2、如权利要求1所述的方法，其中，接收器系统包括单个接收器，其中特征值的确定包括：记录接收器的信号V(t)和通过如下公式来确定平均幅度：

$\stackrel{\‾}{V}=(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}V(t_0+(i-1)\mathrm{\Δ})$

其中t₀是起始时间，Δ为取样间隔，n为包括在求和中的取样的数量。

3、如权利要求2所述的方法，其中，接收器系统包括一个接收器线圈，且其中，该信号表示涡流电流的变化，其中的V是接收器线圈的终端的电压。

4、一种使用探测器对导电体实施检查以便检测出所存在的异常结构的方法，该探测器包括一个用于在物体中感应出涡流电流的发射器线圈，和一个用于提供表示磁场强度或该磁场强度的变化的信号的接收器系统，该接收器系统至少包括两个相互隔开的接收器，该方法包括以下步骤：

(a)在物体的一个表面上选择将被检查的一组点，该表面离探测器最近；

(b)从该组点中选择第一检测点；

(c)将探测器定位在被选择的检查点处，在物体中感应出瞬时涡流电流并确定与由该涡流电流产生的电磁场的梯度有关的特征值Φ，由此该特征值是提升距离和涡流电流的半径的函数；

(d)从该组点中选择下一个检查点并重复步骤(c)，直到所有的检查点都轮上一遍；和

(e)如果特征值Φ与标准量不同，推断在检查点出现异常结构。

5、如权利要求4所述的方法，其中，在物体中感应出涡流电流包括在物体中感应出瞬时涡流电流，其中，对特征值的确定包括如下步骤：记录接收器随时间变化的信号，其中V_u(t)是第一接收器随时间(t)变化的信号及V₁(t)是第二接收器随时间(t)变化的信号，然后通过如下公式来确定特征值：

$\mathrm{\Φ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vu}(t_0+(i-1)\mathrm{\Δ})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_1(t_0+(i-1)\mathrm{\Δ})}$

其中t₀是起始时间，Δ为取样间隔，n为包括在求和中的取样的数量。

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