基于電磁感應(yīng)測(cè)量管道腐蝕量的傳感器設(shè)計(jì)

基于電磁感應(yīng)測(cè)量管道腐蝕量的傳感器設(shè)計(jì)劉曉青張濤（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安710300）摘要：針對(duì)瞬變電磁檢測(cè)技術(shù)探頭開展研究。首先介紹瞬變電磁技術(shù)原理，分析目前幾種聚焦探頭的優(yōu)缺點(diǎn)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出一種新型瞬變電磁聚焦探頭結(jié)構(gòu)，解決瞬變電磁探頭不聚焦，能量小及設(shè)備笨重等缺點(diǎn)，最后通過有限元仿真驗(yàn)證新型聚焦探頭的聚焦效果，結(jié)果表明新型聚焦探頭使磁場(chǎng)的主要能量聚焦在半徑小于0.3m。為瞬變電磁技術(shù)探頭優(yōu)化設(shè)計(jì)及精確測(cè)量金屬管道腐蝕量提供了有效的參考價(jià)值。關(guān)鍵字：研究，探頭，聚焦，設(shè)計(jì)，參考價(jià)值DesignofsensorformeasuringpipelinecorrosionbasedonelectromagneticinductionLiuXiaoqingZhangTao（ShaanxiInstituteofTechnology，Xi'an,710300,China）Abstract:Researchonprobesfortransientelectromagneticdetectiontechnology.Firstly,theprincipleoftransientelectromagnetictechnologyisintroduced,andtheadvantagesanddisadvantagesofseveralkindsoffocusingprobesareanalyzed.Then,anewtypeoftransientelectromagneticfocusingprobestructureisproposedaccordingtothedesignrequirements,whichsolvestheshortcomingsoftransientelectromagneticprobes,suchasnon-focusing,lowenergyandheavyequipment.Finally,Thefocusingeffectofthenewfocusingprobewasverifiedbyfiniteelementsimulation.Theresultsshowthatthenewfocusingprobefocusesthemainenergyofthemagneticfieldataradiusoflessthan0.3m.Itprovidesaneffectivereferencevalueforoptimizingthedesignoftransientelectromagnetictechnologyprobesandaccuratelymeasuringthecorrosionamountofmetalpipes.Keywords:research,probe,focus,design,referencevalue1.前言目前管道運(yùn)輸方式逐漸成為重要的運(yùn)輸方式，金屬材質(zhì)的管道隨著服役年限的增加會(huì)暴露出各種各樣的安全隱患[1]。對(duì)于長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境的埋地金屬運(yùn)輸管道會(huì)加快腐蝕導(dǎo)致管壁變薄，進(jìn)而造成管內(nèi)介質(zhì)外泄遇到明火時(shí)發(fā)生安全事故[2]。傳統(tǒng)的瞬變電磁探頭主要是通過單線圈或者多個(gè)線圈組合向地下激發(fā)電磁場(chǎng)。傳統(tǒng)瞬變電磁探頭設(shè)計(jì)具有以下缺點(diǎn)[3-4]。（1）激發(fā)的電磁場(chǎng)能量小，由金屬管道本身存在歐姆消耗，造成磁場(chǎng)擴(kuò)散到埋地金屬表面時(shí)形成的渦流效應(yīng)響應(yīng)太小，使接收信號(hào)信噪比低且容易失真。（2）激發(fā)的電磁場(chǎng)不聚焦，致使磁場(chǎng)在空間太分散，當(dāng)擴(kuò)散到埋地金屬管道表面時(shí)覆蓋范圍過大，進(jìn)而對(duì)管道孔狀或者點(diǎn)蝕缺陷檢測(cè)靈敏度不高。（3）激發(fā)的電磁場(chǎng)頻率單一，體積較大，檢測(cè)成本較高。2.瞬變電磁技術(shù)原理瞬變電磁技術(shù)又稱時(shí)域電磁法（簡(jiǎn)稱TEM）。通過給發(fā)射線圈施加階躍型電流信號(hào)在空間產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)，然后瞬間關(guān)斷電流信號(hào)，在地下管道的表面上形成渦流，由于管體本身和周圍介質(zhì)的歐姆損耗，渦流隨著時(shí)間慢慢衰減形成二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)信息被地面上的接收線圈接收且以電壓變化的形式表示出來[5]。二次磁場(chǎng)的變化攜帶著地下管道本身的特征信息，且與管道材質(zhì)，壁厚，提離高度有著密切關(guān)系[6]。3.幾種瞬變電磁聚焦探頭通過調(diào)研了解到目前瞬變電磁聚焦探頭主要由一定結(jié)構(gòu)的多個(gè)線圈組成，線圈通電后對(duì)周圍電磁場(chǎng)進(jìn)行矢量疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間帶電粒子進(jìn)行聚焦和約束。聚焦結(jié)構(gòu)根據(jù)形狀可分為半球型陣列、圓環(huán)型陣列、上（下）塔型陣列及矩形面陣列見圖1。通過ansysmaxwell有限元仿真軟件對(duì)每一種聚焦探頭進(jìn)行模擬得到距離探頭正下方1m處的磁場(chǎng)分布情況見下表1[7]。圖1幾種聚焦探頭結(jié)構(gòu)表１五種聚焦線圈參數(shù)對(duì)比探頭結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度/T聚焦效果互感強(qiáng)度加工難易程度半球型1.6648×10-5較好一般較難圓環(huán)型1.9347×10-5最好最大最難上塔型1.2684×10-5一般較小容易下塔型1.3365×10-5一般較小容易矩形面陣列型1.4498×10-5較好一般容易通過對(duì)比5種線圈都有很好的聚焦效果，其中圓環(huán)型聚焦效果最好，但是加工最難且互感強(qiáng)度最大；半球型和矩形面陣列型聚焦效果較好，但是半球型加工也較難；上、下塔型聚焦效果一般也容易加工[8]。以上聚焦探頭共同點(diǎn)在于都是通過若干個(gè)線圈組合而成，在實(shí)際應(yīng)用中比較笨重，需要搭配支撐架來完成檢測(cè)，這就對(duì)支撐架的結(jié)構(gòu)和材料有很高的要求，進(jìn)而帶來的檢測(cè)成本增加，因此本文提出一種新型聚焦探頭，解決瞬變電磁探頭不聚焦，能量小及設(shè)備笨重等缺點(diǎn)。4.瞬變電磁探頭設(shè)計(jì)4.1瞬變電磁探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)瞬變電磁探頭主要目的是聚焦磁場(chǎng)能量，提高磁場(chǎng)能力及局部缺陷的檢出率。其設(shè)計(jì)要求要達(dá)到磁場(chǎng)聚焦在半徑小于0.4m的圓形區(qū)域內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.2×10-5T以上。設(shè)計(jì)原則是穩(wěn)定性高，互感效應(yīng)小，電路穩(wěn)定及設(shè)備輕便等。如下圖2為探頭總體結(jié)構(gòu)頭，圖3為截面圖。圖2探頭總體結(jié)構(gòu)圖圖3探頭橫截面圖瞬變電磁探頭結(jié)構(gòu)包括外層圓柱管骨架，外層圓柱管骨架的表面纏繞發(fā)射線圈，發(fā)射線圈安裝有信號(hào)線1；外層圓柱管骨架內(nèi)設(shè)置有內(nèi)層圓柱管骨架，內(nèi)層圓柱管骨架的外表面纏繞接收線圈，接收線圈安裝有第二信號(hào)線2；外層圓柱管骨架與內(nèi)層圓柱管骨架之間設(shè)置有磁芯，磁芯內(nèi)外表面用四氟布包裹緊密安裝在外圓柱管骨架和內(nèi)圓柱管骨架之間。磁芯由四個(gè)1/4圓環(huán)型磁芯柱裝配而成，且四個(gè)圓環(huán)型磁芯柱采用不同的磁性材料，并緊密地連接在一起形成磁芯圓筒。磁芯主要的功能是使激發(fā)的電磁場(chǎng)能量大，頻率成分多且空間聚焦。4.2瞬變電磁探頭工作原理首先外接電路連接發(fā)射線圈上的信號(hào)線，通過磁芯在空間激發(fā)出磁場(chǎng)能量大，頻率成分多且聚焦的電磁場(chǎng)在地下擴(kuò)散，當(dāng)遇到地下金屬管體時(shí)會(huì)在管體表面形成渦流效應(yīng)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)被接收線圈接收進(jìn)行分析，提取有效參數(shù)計(jì)算金屬管道壁厚損失量。該探頭結(jié)構(gòu)能夠提高點(diǎn)狀腐蝕、孔狀腐蝕和并行管道腐蝕位置的檢測(cè)靈敏度。4.3有限元仿真驗(yàn)證通過ansysmaxwell有限元仿真軟件建立探頭模型，設(shè)置合適的網(wǎng)格大小及求解器，計(jì)算出該聚焦探頭在正下方1m處的磁場(chǎng)分布和二維梯形圖，如下圖4，圖5[9]。從圖中可以看到磁場(chǎng)聚焦范圍為R=300mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.4998×10-5。從而驗(yàn)證該瞬變電磁聚焦探頭滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步說明該聚焦結(jié)構(gòu)的合理性。圖4磁場(chǎng)分布云圖圖5磁感應(yīng)強(qiáng)度梯形圖5總結(jié)為了解決傳統(tǒng)聚焦線圈的缺點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出一種新型的瞬變電磁聚焦探頭結(jié)構(gòu)，主要由發(fā)射線圈、接收線圈、四氟布、內(nèi)外層骨架及磁芯組成。通過有限元仿真對(duì)其聚焦效果進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果表明：磁場(chǎng)聚焦范圍在R=300mm內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=1.4998×10-5，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該探頭能夠有效地提高金屬管道點(diǎn)狀腐蝕和孔狀腐蝕量的檢測(cè)靈敏度，為以后在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)[1]吳信民,張振坤,徐劍波.瞬變電磁法理論的探測(cè)深度問題[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2015,30(03):1333-1336.[2]薛國(guó)強(qiáng),于景邨.瞬變電磁法在煤炭領(lǐng)域的研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2017,32(01):319-326.[3]BowlerJ,JohnsonM.Plusededdy-currentresp-onsetoaconductinghalf-space[J].IEEETrans-actionsonMagnetics,1997,33(3)：2258-2264.[4]薛國(guó)強(qiáng),武欣,李海,底青云.多道瞬變電磁法(MTEM)國(guó)外研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2016,31(05):2187-2191.[5]馬炳鎮(zhèn).瞬變電磁法回線源形態(tài)對(duì)一次場(chǎng)畸變特征研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2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