射線管道爬行器用磁傳感器*

張宏亮,曹立江

(廊坊北檢無損檢測公司,河北 廊坊 065001)

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射線管道爬行器用磁傳感器*

張宏亮*,曹立江

(廊坊北檢無損檢測公司,河北 廊坊 065001)

介紹一種用于射線管道爬行器定位和控制的管道爬行器電磁傳感器,利用低頻交變磁場能穿透鋼制管道壁的原理。它由位于管道外部的磁發射器和管道內部的磁接收傳感器組成,磁發射器由電池、穩壓電路、直流電動機和釹鐵硼永磁旋轉體組成,由電池經穩壓供電的直流電動機帶動釹鐵硼永磁旋轉體旋轉;磁發射器在管道外表局部空間產生交變磁場,在管道內部形成漏磁場,磁接收傳感器由感應線圈、限幅器、儀表放大器、檢波電路、積分電路、比較電路和防抖電路組成,輸出一個開關量信號供爬行器使用,經過長期大范圍使用,達到了代替原來放射性物質控制的作用,定位精度滿足射線透照要求。

無損檢測;爬行器;磁傳感器;管道;X射線

在長輸管道無損檢測施工中,射線管道爬行器廣泛使用[1],它是一個專門在管道內部自行行走的射線照相用機器人,操作人員在管道外部對其進行遙控,包括定位、前進、后退、休息、曝光、改變曝光時間等。這就需要有一種能在管道內外進行通訊的手段。從前,國內外所使用的傳感器幾乎都是在使用銫137指令源進行控制。使用放射性指令源控制器具有電路簡單,控制效果好,幾乎不存在各種工業干擾的特點[2-3]。然而,爬行器的放射性指令源的安全使用和運輸一直是困撓著各檢測公司,尋找替代手段是無損檢測行業的一個難題。

解決問題的關鍵就是傳感器技術路線的選擇,研究分別分析和試驗了超聲波、遠場渦流、微波無線電、紅外線、星輪開關、視頻識別、微型射線機、超低頻電磁波、靜態磁場等多種技術路線。早期清華大學吳知非等做過靜態磁場控制爬行器的研究[4],但其穿透壁厚較小,抗干擾能力低,靜態永磁體因吸附在鋼管壁上致使操作困難。蘇志毅、黃松嶺等在油氣管道缺欠漏磁檢測地面標志器研制中[5],描述了利用漏磁檢測儀本身的強磁體作為發射器,在管道外部設置一個高靈敏磁場檢測器作為接收裝置,該系統也屬于靜態磁場方式,因手持不便也難用于射線管道爬行器上。勝利油建劉湘寧所做的基于超低頻電磁波的海底管道內缺陷定位技術研究[6]和哈爾濱工業大學李軍遠等所做的基于低頻電磁波的管道機器人定位技術[7]都是利用超低頻電磁波在空間上磁場強度的分布規律,在管道內發射超低頻電磁波,在管道外部使用多個按照一定規律排布的接收天線,通過計算得到的超低頻電磁波發射源的位置,實現管道內物體的示蹤定位。此外,還有天津大學吳曉等所做的聲傳感器陣列方式[8]是利用內部設備運行聲音通過聲音定位,定位精度不能滿足要求。成都理工大學劉念聰所做的基于γ射線的管道焊縫檢測機器人關鍵技術研究[9]是采用了視頻識別,定位精度滿足要求但無法對內遙控,系統過于復雜。

以上各種技術路線有的不可行,有的雖然可控制但定位精度不能滿足±5 cm的要求,或不能滿足穿透厚度大于30 mm的要求,或不具備對內通訊控制。此外,還要求發射器要求為手持式、體積小、重量輕、耗電量小、便于一人靈活操作,運行于管道內部的爬行器上不能安裝大的接收天線。對操作人員技術要求低,符合野外施工現場要求,價格不能太高等,最終本文選擇了利用低頻交變磁場代替放射性同位素指令源對爬行器進行定位控制的技術路線。

1 研制原理

1.1 原理

為了達到穿透鋼制管道壁的目的,采取了利用低頻交變磁場代替放射性同位素指令源對爬行器進行定位控制的技術路線,見圖1。即在管道外部設計了一個能產生一定強度的交變磁場,在管道外部對鋼制管壁進行反復磁化,利用了交變磁場在管壁內部產生渦流并感生出新的磁場的原理。

圖1 原理示意圖

由半無限大導體中的電磁場的麥克斯韋方程可以導出距離導體表面X深度處的渦流密度公式如下[10]。

式中:I0為半無限大導體表面的渦流密度,單位是A;f為電流頻率,單位是Hz;μ為磁導率,單位是H/m;σ為電導率,單位是S/m;X為深度,單位是mm。

根據公式定性的可以得出一個結論,交變磁場是可以穿透鋼制管道壁的,證明本方案可行。但發射頻率越高穿透越困難,這將作為本設計的指導思路,同時也要避免50Hz工頻干擾。

根據公式定性可知,被穿透鋼管壁的導電性越好、磁導率越高也越難以穿透,但并不是完全不能穿透。因此,在管道內設計一個高靈敏度的磁場接收裝置,將接收到的極其微弱的交變信號濾波、放大、采樣、去干擾、解調輸出一個開關量信號對爬行器進行定位及控制。

敏感元件采用了線圈,根據法拉第電磁感應定律,對于一個圈數為N圈的線圈其感生電動勢遵守如下定律,根據公式可知傳感器接收器接收性能與線圈圈數和磁通量變化率成正比。

式中:E為感應電動勢,單位是T;N為線圈圈數;φ為磁通量。

1.2 磁發射器

磁發射器采用電動機帶動釹鐵硼磁體旋轉產生交變磁場,代替了原來的放射性指令源部分,要求至少能穿透30mm壁厚的鋼管,體積重量方面能滿足單人獨立操作的使用,連續工作時間大于8h。

此發射器具有磁感應強度不隨著電池電壓而改變的優點,原理框圖如圖2所示,它由電池、穩壓電路、低壓檢測電路、直流電動機和釹鐵硼永磁旋轉體組成,由電池經穩壓電路穩壓供電的直流電動機帶動釹鐵硼永磁旋轉體旋轉,以保持磁場頻率的穩定,頻率為35Hz,為隨時監視電池電壓,在電池輸出端接有低壓檢測電路,以防止電池電壓的過度放電。

圖2 磁發射器原理框圖

其電路原理圖如圖3所示,7.2 V電池輸出經開關和1 A的保險絲后一路接至由AN051運算放大器IC1及由R1和D1LED組成反饋回路的低壓檢測電路輸入端;另一路接由LM317組成的穩壓電路IC2輸入端,該穩壓電路的1端與地之間接電容C1,1、3端之間接二極管D2,2、3端之間接并聯的二極管D3和電阻R2后再接并聯的電容器C2和電位器W1到地;穩壓電路輸出端3并聯一電容器C3及另一串聯LED的電阻R3后,接到直流電動機電源輸入端。

圖3 磁發射器電路原理圖

7.2 V電源經過IC2穩壓后供給6 V直流電動機,穩定的供電電壓保證了電動機轉速的穩定,電動機帶動的靜磁體以恒速旋轉,產生一個6 Hz～35 Hz的交變磁場,轉速可以通過調節W1進行控制,IC1為電池電壓過低判斷集成電路,D1為電池電壓低壓告警指示燈,D4為電動機旋轉工作指示。制作完成的發射器如圖4所示。

圖4 磁發射器

圖6 磁接收器電路原理圖

1.3 磁接收器

磁接收傳感器原理框圖如圖5所示,它由感應線圈、限幅器、儀表放大器、檢波電路、積分電路、比較電路和防抖電路組成;感應線圈兩端接限幅器的輸入,限幅器的輸出順次接儀表放大器、檢波電路、積分電路、比較電路后,由比較電路輸出一個開關量信號經過防抖電路(繼電器)隔離輸出。

圖5 磁接收器原理框圖

圖6中,帶鐵芯的感應線圈L接收到管道內部的微弱交變磁場信號后,產生一個感生電動勢,波形如圖7,經過二極管D5、D6限幅后輸入到IC3儀表運算放大器INA128的輸入端,放大后的信號由二極管D7檢波,通過R4、R5、C4、C5組成的積分電路變成變化緩慢的直流電平信號,輸入到IC4運放組成的比較器反相LM358A輸入端,TL431、R9組成的5 V基準電壓源,經過W3分壓給IC4同相輸入端提供基準電壓,當感應線圈L沒有接收到磁場信號的時候,比較器IC4輸出高電平,Q1截至,當有磁場信號輸入時,IC4反相輸入端比同相輸入端電位高,比較器反轉輸出低電平,Q1導通,繼電器吸和,輸出端得到一個開關量信號,此信號提供給爬行器的PLC通過編程就可以實現隨意控制過程,包括管內精確定位、前進、后退、休息、曝光等。圖中W2用來調節放大器放大倍數,改變接收靈敏度,W3用于調節比較器基準值,適當的調節可以防止無效信號的干擾。制作完成的接收器如圖8所示。

圖7 接收到的波形

傳感器接收敏感原件可以采用線圈、霍爾元件、磁敏二極管、磁阻傳感器等[11-14],而線圈具有加工制作最容易,易于維護,能適應惡劣工作環境,靈敏度也可以根據需要調整匝數而隨意調整,不存在溫度補償和非線性度問題,在測量變化磁場信號時,線圈是一個很好的選擇。制作時,在線圈內部的導磁體鐵芯選用相對導磁率ur>1 000的工業純鐵,可以顯著提高線圈的檢測靈敏度[15]。

圖8 磁接收器

2 制作中的幾個關鍵問題

2.1 定位精度的測量方法

取爬行器上任何一個固定點作為參照,選擇一根管道進行測試,每次定位停車后,測量爬行器上參照點位置到管道端的長度,定位測量原始數據見表1,通過計算可得出定位精度誤差范圍,如表2。可見,本傳感器定位精度能達到±16.5 mm,能夠滿足現場射線中心曝光法照相的需要。

表1 不同壁厚定位精度測量數據

表2 不同壁厚的定位精度誤差

2.2 定位精度的分析

總定位精度與以下因素相關:1、發射磁場信號的穩定度,2、磁場頻率,3、爬行速度,4、管道坡度,5、管道內表面狀態(如水、沙等),6、接收傳感器與管道內壁的距離,7、PLC的執行速度。

本發射器采用了永磁體、穩速電機可以解決因素1和因素2的問題,在薄壁管道中為提高定位精度可采取提高發射頻率的辦法,但是根據試驗,當前的定位精度已經完全滿足了現場無損檢測拍片的需要,因此沒有必要增加發射頻率。增加發射頻率還將帶來發射器電能消耗的增加和穿透能力的下降,得不償失,因此不建議提高發射頻率方法。

縱觀馬約翰先生的一生,他確實是一個偉大的體育思想教育家和執行者。在過去的那段歷史時期,馬約翰先生的體育教育思想對清華大學乃至全國的體育實踐產生了巨大的影響。有些實踐運行上的觀點和方法,對于后世學校體育的發展與建設也起著不可忽視的指導作用,給我們以強烈的震撼,特別是目前社會“學生體質下降”這個熱門話題及現行我們的“對策”,讓我們感慨萬千，卻面對如此之情況有點束手無策，缺少馬約翰先生這樣的領路人，先行者。

因素3與爬行器設計有關,在不考慮車速度的情況下的所謂最大誤差是無意義的,在發射頻率一定的情況下,爬行速度越慢,最大誤差越小。

因素4是改變了爬行速度,與因素5都是現場實際面臨的情況,本方法中屬于不可控因素。

因素6,當接收器靠近發射器時,因磁場范圍變小,接收信號更強,磁感應強度變化率提高,因此定位精度更高,接收器安裝距離也與穿透厚度相關,傳感器一般安裝在距離管道上壁5 cm位置,如圖9所示。

因素7問題,爬行器控制一般采用PLC控制,而PLC程序的輸入輸出采用映像刷新方式的原因,程序的執行周期對定位也有輕微影響,但因程序執行周期約1 μs～3 μs,由此導致的誤差約為0.3 mm～1.0 mm以內,對射線照相可以忽略。

在去除了不可控制因素和對可控制因素進行控制的情況下,理論定位精度僅僅與磁場頻率和爬行速度有關,如圖10,理論最大誤差為正負一個周期(±t)時間段內爬行器的行走距離,即最大誤差為一個信號周期,設爬行器速度S為18 m/min時,發射器頻率F為35 Hz,則最大誤差ΔL:

ΔL=S×(1/F)=18/60×1/35=0.00857(m)=8.57(mm)

即理論最大誤差為±8.57 mm。

圖9 管道內部傳感器安裝情況

圖10 接收放大器——最大定位誤差分析圖

2.3 存在的干擾信號及抗干擾措施

在確認選擇了交變磁場路線以后,我們對傳感器工作中可能遇到的各種干擾進行了分析,并研究了各種干擾在接收電路輸出端的干擾形式,包括干擾頻譜、干擾幅度、干擾時機等,都分別進行了仔細的測試分析。

干擾信號一般包括高頻的電磁干擾、50 Hz工頻干擾以及其他干擾源等。有用信號十分微弱,在1 mT～10 mT之間,而工作環境十分惡劣,表現為以下幾個方面:繼電器和電動機等感性負載的啟動、管道剩磁使檢測元件在爬行器運行中的隨機晃動與振動變成干擾信號、爬行器X射線高壓發生器斬波器高壓包電磁場干擾、強X射線輻射、電焊機電弧干擾、外部電砂輪等。此外還存在環境中的高壓電線等工業50 Hz干擾,信號提取與處理電路中存在低頻與高頻噪聲干擾。

磁場測量最易受到外界磁場的干擾,采用高導磁材料做成的屏蔽體以使屏蔽體內的接收單元免體外磁場的干擾[16],一般可將干擾減至1/5～1/8,磁屏蔽是增強抗磁干擾能力的必不可少的措施。空間電磁場也會嚴重影響微弱的信號的接收,因此需要電磁場的屏蔽,簡單的屏蔽措施的是用良導體如銅做成筒狀將線圈包圍起來,并注意正確接地,對于一個600圈的線圈經測量發現屏蔽前噪聲達2 V屏蔽后約1.2 mV,傳遞信號的導線必須使用屏蔽線。因此,接收線圈部分采用磁屏蔽外殼及環氧樹脂完全密封結構,使其可工作于十分惡劣環境,甚至完全侵入水中都可工作。加上磁屏蔽罩并接地后,可以保證對空間磁場和電場的干擾減低到最小。

2.4 關于穿透厚度

增加穿透壁厚只需要從三方面考慮:①增加發射功率,即提高發射磁感應強度;②提高接收放大器靈敏度;③抬高接收傳感器的高度;其中磁感應強度受磁材料的限制不能無限制的提高,本文采用了φ20 mm×40 mm的表面磁感應強度為1.2 T的柱形磁體,實際中采取方法是增加線圈圈數、提高接收放大器放大倍數,但同時必須兼顧到抗干擾的需求,以解決壁厚的問題,而提高接收器位置的辦法不利于抵抗螺旋焊道造成的爬行器車體抖動造成的干擾,推薦值為5 cm。

3 應用情況

為了驗證實際使用效果,現場應用在西氣東輸二線八標段,管徑φ1 219 mm、壁厚18.4 mm,還有少量壁厚為33 mm。自2008年4月20日開工以來,截止到10月30日共檢測焊口1 890道口,約22公里,在這22公里的使用中經歷了春季的風沙在管道上帶來的靜電、夏季管道內的溫度高于80 ℃的炎熱考驗,該爬行器始終控制穩定,定位精確。

為了進一步檢驗在低溫條件下的應用效果,又選擇在長長吉工程中進行了現場應用,施工地點在吉林省長春市,管徑φ711 mm、壁厚8.7 mm和10.3 mm。在108 km檢測任務中,完全取消了原來的放射性傳感控制爬行器,所用的六套爬行器全部采用非放射性傳感控制的管道爬行器,在工期緊、任務急的情況下,利用該設備圓滿完成了檢測任務,從未發生過新設備故障而影響施工的情況,經過在前線進一步的調整和優化,現以完成主體108 km約9 000道焊口的檢測任務,所拍照的底片全部符合標準要求,該地區11月份的最低氣溫以達到零下10 ℃,該爬行器工作正常,定位準確,在兩種(8.7 mm和10.3 mm)壁厚的使用中無需做任何調整。

4 結論

本磁傳感器經過經過多項工程的實際應用,具備控制靈活可靠、定位精度高、抗干擾能力強的特點。爬行器的定位精度可以控制在±2 cm以內,控制爬行器的各種動作等都達到了可靠的效果,抗干擾能力滿足現場使用要求,徹底取代了傳統的放射性指令源控制的射線傳感器,使無損檢測工作人員的人身放射性損害降低到最小,大幅度降低HSE風險,已經取得了國家發明專利授權[17]。

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Magnetic Sensor Used in X-Ray Pipeline Crawler*

ZHANGHongliang*,CAOLijiang

(Langfang North Non-destructive Testing Company,Hebei langfang 065001,China)

This paper introduces a kind of electromagnetic sensors for pipeline ray pipeline crawler positioning and control of the crawler,principle can penetrate the steel pipe wall using low frequency alternating magnetic field.It is composed of a magnetic transmitter located in pipeline external and internal magnetic sensor,magnetic emitter consists of a battery,a voltage stabilizing circuit,a DC motor and a neodymium iron boron permanent magnet rotator,battery driven by DC motor regulated power supply of neodymium iron boron permanent magnet rotor rotation;magnetic transmitter produces alternating magnetic field in the pipe with outer local space,formed in the internal pipeline leakage magnetic field,magnetic sensor by the induction coil,the instrumentation amplifier,limiter,detection circuit,integrated circuit,a comparison circuit and anti shake circuit,the output of a switch signal is used for crawling,after long-term use on a large scale,to replace the original radioactive substances control,positioning accuracy to meet the requirements of radiographic.

nondestructive testing;pipeline;magnetic sensor;crawler;X-ray

張宏亮(1970-),男,高級工程師,RTIIIUTIIIMTIIIPTIIIETIITOFDIIAEII,從事射線管道爬行器、非放射性傳感器及定位控制技術、超聲波和漏磁檢測等科研工作,1362580@qq.com,聯系電話:13932612580;

曹立江(1962-),男,漢族,高級技師,曾參加多項管道局科研項目的研究,主要研究方向為無損檢測設備,已發表數篇學術論文,caolijiang-1@163.com。

項目來源:管道局課題項目(2007-06)

2014-10-25 修改日期:2014-11-30

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.02.024

TP393

A

1004-1699(2015)02-0284-06