管道平衡電磁內檢測技術串聯(lián)諧振激勵電路研究

鄭文學，楊理踐，李佳音，高松巍，劉 斌

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

隨著石油與天然氣需求的日益增加，作為存儲和運輸油氣能源的主要媒介，管道的運行里程呈現(xiàn)逐年增長的趨勢[1]。隨著在役時長的增加，由于運輸介質腐蝕、材料疲勞、應力集中等原因導致管道產生裂紋，導致管道使用壽命下降甚至引發(fā)油氣泄漏或爆炸等危害，對油氣管道裂紋的有效檢測能夠定期評價管道狀態(tài)，避免災害的發(fā)生，對保障管道安全平穩(wěn)運行有重要意義[2-3]。

目前，針對管道裂紋缺陷的檢測主要有漏磁裂紋檢測方法與交流電磁裂紋檢測方法。針對管道的周向裂紋，楊理踐等[4-6]利用有限元數(shù)值分析軟件，建立了漏磁檢測三維有限元裂紋缺陷仿真模型，分析了永磁體的長度、厚度和寬度對管道表面裂紋缺陷的漏磁場的影響，研究了裂紋缺陷的方向性對表面裂紋缺陷漏磁場的影響。但是漏磁檢測方法只能對有一定開口寬度的裂紋進行檢測。針對管道的軸向裂紋，J.M.Zhao等[7]設計了一種新型柔性交流電磁技術傳感器陣列探頭，采用有限元仿真及實驗的方法驗證了該方法對管道裂紋的檢測能力。X.Yuan等[8]分析了交流電磁檢測技術勵磁頻率與電磁場在鋁管的滲透深度的關系，提出了采用2個勵磁頻率來提取鋁管內外裂紋特征信號的有限元仿真模型，研制了陣列式傳感器，實現(xiàn)了雙頻交流電磁檢測一次掃描可識別和評價鋁管內外裂紋。管道平衡電磁內檢測技術結合漏磁檢測技術與交流電磁檢測技術，針對管道表面裂紋缺陷，可以實現(xiàn)一次掃描同時檢測周向、軸向的裂紋缺陷，并且可以有效區(qū)分2個方向的裂紋缺陷[9]。為了實現(xiàn)更微小裂紋的檢測，需要提升平衡電磁技術檢測傳感器的靈敏度。交流激勵形式傳感器的檢測靈敏度隨激勵電流的增大單調增大[10]，這一規(guī)律同樣適用于交流激勵的平衡電磁技術。

建立了平衡電磁技術管道內表面裂紋檢測的互感模型，研究了激勵電流對檢測信號的影響，采用有限元仿真的方式計算了不同激勵電流下的檢測信號幅值，采用串聯(lián)諧振電路減小激勵線圈阻抗，增大激勵電流，設計了基于串聯(lián)諧振的平衡電磁技術激勵電路，以實驗的方式驗證了該方法對檢測信號靈敏度的提升。

1 平衡電磁技術靈敏度提升原理

介紹了基于平衡電磁技術的管道裂紋缺陷檢測原理，分析了激勵電流對管道表面感應電流的作用，以激勵線圈、檢測線圈與管道表面的互感模型研究了激勵電流對檢測靈敏度的影響。

1.1 平衡電磁技術管道裂紋檢測原理

平衡電磁技術檢測傳感器采用與被檢管道垂直的線圈作為激勵，與被檢管道平行的線圈作為接收，以高磁導率鐵氧體磁芯將激勵線圈產生的磁場導至管道表面，其結構如圖1所示。

圖1 平衡電磁技術檢測傳感器結構

在與被檢管道表面垂直的線圈兩端施加正弦交流電壓，產生電磁場，通過高導磁鐵氧體將磁場導至管道表面，管道表面感應出電磁場。在管道表面沒有裂紋缺陷時，管道表面是電磁平衡狀態(tài)，檢測線圈內沒有感應電壓；當管道表面存在裂紋缺陷時，裂紋缺陷使得管道表面電磁平衡狀態(tài)被破壞，產生漏磁通與感應電流畸變，檢測線圈內有感應電壓產生。

1.2 平衡電磁技術裂紋檢測互感模型

當平衡電磁技術檢測傳感器的激勵線圈通以交變電流，在激勵線圈內部會產生交變電磁場，假設激勵電流為

i(t)=Isin(ωt)

(1)

式中I為交變電流的幅值。

激勵電流產生的磁通密度在各向同性、線性且均勻的鐵氧體磁芯中傳播，激勵線圈產生的磁通密度為[11]

B(t)=μni(t)=μnIsin(ωt)

(2)

式中μ為鐵氧體磁芯的磁導率。

由式(2)可知，隨著激勵電流的增加，激勵線圈產生的磁通密度變大，由高磁導率鐵氧體磁芯按照一定比例導入到管道內部的初級磁場強度也相應變大。結合磁場強度和麥克斯韋方程，激勵線圈在管道內部產生的感應電流密度為[12]

(3)

式中：z為交變電磁場在管道內部的傳播深度；d為交變電磁場的滲透深度；H0為初級磁場強度；k為初級磁場導入到管道內部磁場的比例系數(shù)。

由式(3)可知，隨著激勵電流的增加，管道表面感應電流密度變大。為了分析檢測信號與感應電流的關系，建立被檢管道與平衡電磁技術檢測傳感器激勵、檢測線圈的耦合關系，采用阻抗分析法[13]研究激勵線圈、檢測線圈與被檢管道的互感模型。平衡電磁技術檢測傳感器互感模型如圖2所示。

圖2 平衡電磁技術檢測傳感器互感模型

激勵線圈與檢測線圈均采用銅材料漆包線纏繞而成，可以將激勵線圈、檢測線圈、被檢管道等效成電阻與電感串聯(lián)的形式。將激勵線圈等效成電路1，將檢測線圈等效成電路2，將被檢管道等效成電路3。其中，M12為激勵線圈與檢測線圈之間的互感系數(shù)，M13為激勵線圈與被檢管道之間的互感系數(shù)，M23為檢測線圈與被檢管道之間的互感系數(shù)。將激勵線圈等效成電阻R1與電感L1相串聯(lián)，將檢測線圈等效成電阻R2與電感L2相串聯(lián)，將被檢管道等效成電阻R3與電感L3相串聯(lián)。激勵線圈電流為I1，檢測線圈電流為I2，被檢管道表面感應電流I3，在激勵線圈兩端施加的電壓為Ui，檢測線圈的感應電壓為Uo，則激勵電壓與感應電壓的關系為

Uo=jωM21I1+Z2I2+jωM23I3

(4)

由于激勵線圈與檢測線圈的空間結構，可以得到激勵線圈與檢測線圈之間的互感系數(shù)M12為0，在傳感器結構沒有發(fā)生變化時，檢測線圈與管道的互感系數(shù)也沒有變化。根據(jù)激勵電流增大，管道表面感應電流增大，以及檢測線圈與管道互感系數(shù)M23不變的現(xiàn)象，由式(4)可以得到檢測線圈的感應電壓隨激勵電流增大相應增大的規(guī)律。

2 平衡電磁技術激勵電流仿真分析

為分析激勵電流與管道表面裂紋檢測信號的關系，采用Comsol有限元仿真軟件對不同激勵電流下管道表面周、軸向裂紋的檢測信號進行仿真計算，由于采用交流激勵，所以對仿真模型進行頻域分析。建立含有U形鐵氧體磁芯激勵線圈的有限元數(shù)值仿真模型，分析不同激勵電流下檢測線圈電壓的變化規(guī)律。激勵線圈與檢測線圈均為銅材質，激勵線圈匝數(shù)為400匝，均勻纏繞在激勵磁芯的中間部位，檢測線圈匝數(shù)為1000匝。對管道表面周向、軸向6 mm長，1 mm寬，3 mm深的裂紋缺陷仿真模擬。對平衡電磁技術檢測傳感器激勵線圈施加頻率為1 kHz，大小為10～50 mA，步進為10 mA的交流電流，建立仿真模型如圖3所示。

圖3 平衡電磁技術管道裂紋檢測模型

以管道中點為原點，左右各20 mm為起始和終止點，傳感器從左至右以1 mm的步進掃描計算，提取平衡電磁技術檢測傳感器的檢測信號，周向裂紋檢測電壓如圖4所示。

圖4 周向裂紋仿真信號

從圖4可以看出，管道表面周向裂紋的檢測信號特征為先峰后谷，且周向裂紋檢測信號隨著激勵電流的增大而增大。提取平衡電磁技術檢測傳感器的軸向檢測信號，軸向裂紋檢測電壓如圖5所示。

圖5 軸向裂紋仿真信號

從圖5可以看出，管道表面軸向裂紋的檢測信號特征為先谷后峰，且軸向裂紋檢測信號隨著激勵電流的增大而增大。提取管道表面周向、軸向裂紋檢測信號的幅值，并繪制管道表面周向、軸向裂紋檢測仿真信號幅值隨激勵電流變化曲線，如圖6所示。

圖6 仿真信號幅值與激勵電流關系

從圖6可以看出，管道表面周向、軸向裂紋的仿真信號幅值隨激勵電流呈線性變化，且周向裂紋的仿真信號幅值大于軸向裂紋仿真信號幅值。

3 平衡電磁技術激勵電路設計

分析了串聯(lián)諧振電路增加檢測靈敏度的機理，并基于串聯(lián)諧振設計了平衡電磁技術激勵電路。

3.1 串聯(lián)諧振電路分析

根據(jù)檢測信號隨激勵電流增大而線性變大的規(guī)律，增大激勵電流可以提升平衡電磁技術檢測傳感器靈敏度。安培定律為

(5)

由式(5)可知，增大激勵電流可通過增大激勵電壓或減小激勵線圈阻抗實現(xiàn)。由于管道內檢測器以電池供電，且攜帶電池數(shù)量有限，不能通過增加電池串聯(lián)的數(shù)量提升電壓；以升壓電路的形式提升電壓會產生額外的損耗，減少檢測器運行時間，所以一般不采取提升電壓的方法。由于線圈可以看成是電感與純電阻的串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)諧振電路特性可以得到，電感與電容串聯(lián)發(fā)生諧振的情況下可以減小激勵線圈阻抗，實現(xiàn)激勵電流的增大，并提升檢測靈敏度。串聯(lián)諧振電路模型如圖7所示，線圈為電感L與電阻R的串聯(lián)，計算電阻R兩端的電壓即可得到諧振回路電流。

圖7 串聯(lián)諧振電路模型

串聯(lián)諧振電路的傳遞函數(shù)為

(6)

令：

(7)

(8)

將式(7)與式(8)帶入到式(6)，得到：

(9)

式(9)表示輸出電壓的幅值與相位均隨激勵頻率發(fā)生改變，幅頻特性與相頻特性分別為：

(10)

(11)

當輸入電壓頻率ω為ω0時，A(ω)為1，φ(ω)為0，表示此時輸入電壓與輸出電壓的幅值相等，相位相同。根據(jù)串聯(lián)諧振電路的輸入阻抗：

(12)

3.2 激勵電路設計

由于平衡電磁技術采用交流激勵，可以利用DDS原理來產生正弦信號，但此信號沒有帶載能力，需接一個功率放大電路以驅動激勵線圈。激勵電路組成框圖如圖8所示。

圖8 激勵電路組成

基于DDS原理產生一路參數(shù)可調節(jié)的正弦信號，參數(shù)包含信號幅度、初始相位和頻率。DDS信號發(fā)生器采用DDS芯片AD9833，該芯片是采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術推出的高精度、性能穩(wěn)定的DDS頻率合成器。AD9833是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產生正弦波、三角波和方波。AD9833輸出頻率和相位可通過軟件進行編程，調整簡單。原理圖如9所示。

圖9 DDS信號發(fā)生電路

其中，L1與C4、C5構成濾波電路，對AD9833輸入的電源降噪處理，使得其產生的正弦信號更純凈。AD9833頻率寄存器為28位，X1晶振頻率為25 MHz，此時可以實現(xiàn)0.1 Hz的分辨率。AD9833通過1個三線式串行接口寫入數(shù)據(jù)，該串行接口能夠以最高40 MHz的時鐘速率工作，可以與FPGA兼容。

由于平衡電磁技術檢測傳感器工作在1 kHz頻率，在此頻率下音頻功率放大器可以實現(xiàn)信號功率的放大功能。采用AB類音頻放大器LM4871，該芯片供電電壓低，輸出噪聲小。由于是AB類音頻功率放大器，可以實現(xiàn)雙倍于電源電壓的激勵信號，使得激勵電壓變大，根據(jù)安培定律，隨著激勵電壓的變大，激勵電流也相應變大，可以獲得更高的靈敏度。LM4871還有工作使能引腳，在不需要檢測時可以控制其停止工作，以降低系統(tǒng)功耗。功率放大電路如圖10所示。

圖10 功率放大電路

通過調節(jié)R25與R26的比值，可以對激勵信號的放大倍數(shù)進行調節(jié)，以實現(xiàn)激勵信號的線性工作范圍。C20與激勵線圈構成諧振回路，降低回路阻抗，增加激勵電流，提高靈敏度。

4 實驗研究與結果分析

為驗證基于串聯(lián)諧振的激勵電路對平衡電磁技術檢測靈敏度的提升，設計并搭建了平衡電磁技術檢測實驗平臺，平衡電磁技術檢測實驗平臺由三軸滑動平臺、步進電機、驅動單元、編碼器、采集控制模塊、平衡電磁技術檢測傳感器、包括激勵電路在內的信號發(fā)生處理模塊、PC機組成。工作原理如圖11所示。

圖11 同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

采集控制模塊向驅動單元發(fā)出勻速運動的控制指令，驅動單元驅動步進電機勻速轉動，步進電機的勻速轉動帶動三軸滑動平臺勻速直線運動，安裝在主軸上的檢測傳感器對裂紋進行勻速檢測。三軸滑動平臺帶動編碼器轉動，三軸滑動平臺每運動0.1 mm編碼器旋轉并產生一個脈沖信號，采集控制模塊接收到此脈沖信號后，采集處理后的傳感器信號，實現(xiàn)運動與信號采集的同步。采集的數(shù)字信號再傳輸至PC機顯示、存儲。限位器1和限位器2起到對檢測傳感器位置標定的作用，其中限位器1為檢測起始點，限位器2位檢測終止點。

在2段管道上分別沿周向與軸向刻制2個裂紋缺陷，裂紋缺陷尺寸如表1所示。

表1 管道裂紋尺寸表 mm

將管道沿檢測平臺運動方向擺放進行檢測，激勵電路諧振前后裂紋缺陷檢測信號如圖12所示。

圖12 裂紋缺陷檢測信號

采用萬用表測試激勵電路諧振前后激勵電流分別為9 mA和37 mA，可以計算得到激勵電流提升了311.1%。提取管道表面裂紋缺陷檢測信號的幅值，繪制激勵電路諧振前后檢測電壓表格，并計算提升的檢測靈敏度。

由表2可以看出激勵電路在發(fā)生諧振后裂紋檢測電壓有明顯增大，檢測靈敏度有較大提升，且靈敏度提升與激勵電流的提升一致。采用串聯(lián)諧振的激勵電路可以實現(xiàn)平衡電磁技術裂紋檢測靈敏度的提升。

表2 有無諧振檢測電壓幅值表

5 結束語

針對平衡電磁技術管道表面裂紋檢測靈敏度問題，提出了采用串聯(lián)諧振激勵電路增大激勵電流，提升檢測靈敏度的方法。采用理論分析，仿真模擬與實驗研究的方式，實現(xiàn)了平衡電磁技術檢測靈敏度的提升。研究結果表明：采用串聯(lián)諧振電路可以增大311.1%平衡電磁技術激勵電流，對管道表面周向裂紋的檢測靈敏度提升了317.8%，對管道表面軸向裂紋的檢測靈敏度提升了307.7%。