傳感器提離高度對瞬變電磁法檢測信號的影響

(陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院，西安 710300)

瞬變電磁法通過激勵源向空間激發穩定的一次磁場，磁場會擴散到地下的金屬體，再瞬間關斷激勵源后，由法拉第電磁感應定律可知，在地下金屬體表面會形成與一次磁場方向相同的渦流場來阻礙一次磁場的消失，形成的渦流場稱為二次磁場。由于金屬體和周圍土壤存在電阻，二次磁場會逐漸衰減直至為零，其衰減速率與金屬體有關，也與金屬體外形結構、材料參數和體積有關。形成的二次磁場被探頭接收，以電壓形式顯示，通過處理電壓信號可以得到被檢金屬體的特征參數[1-2]。

國外對埋地金屬管道外檢測技術有“NoPig”檢測技術，但是該方法適用范圍狹窄，檢測結束后需要對管道進行退磁處理。國內采用的外檢測方法主要是瞬變電磁法，該方法操作方便，檢測成本低且精度滿足要求。目前，李永年教授科研團隊推導出瞬變電磁法接收信號的理論公式，建立了信號衰減斜率與金屬壁厚的數學模型。南昌航空大學于潤橋教授團隊通過施加磁芯的方法提高一次磁場強度，提高了局部缺陷的檢出率。針對瞬變電磁檢測方法的影響因素的研究較少，筆者主要研究了探頭和管道之間的提離高度的變化規律，為提高瞬變電磁法檢測精度提供參考[3]。

1 瞬變電磁法檢測模型

瞬變電磁系統主要有瞬變電磁儀、探頭和控制單元，探頭包括激勵線圈和接收線圈兩部分。瞬變電磁儀激發階躍型電流信號傳輸到探頭，探頭分為激勵線圈和接收線圈兩部分。激勵線圈通過施加的階躍型電流信號,在空間形成穩定的一次磁場,擴散到地下的金屬管道上，在金屬管道上表面形成渦流場,埋地金屬管道電磁響應過程模型如圖1所示。渦流場被管體的電阻消耗，根據電磁感應定律知渦流場衰減會在空間形成阻礙其自身衰減的二次磁場，二次磁場被接收線圈接收并以電壓的形式顯示。控制單元主要實施指令和數據傳輸[4]。影響瞬變電磁法檢測信號的重要因素之一是提離高度，提離高度直接關系到信號提取及有效覆蓋范圍，圖2為埋地金屬管道檢測模型。

圖1 埋地金屬管道電磁響應過程模型

圖2 埋地金屬管道檢測模型

2 瞬變電磁法檢測理論

2.1 瞬變電磁法檢測一次磁場擴散規律

圖3 t<0時激發電流產生的磁力線示意

圖4 t>0時等效的渦流環示意

通過瞬變電磁儀給激勵線圈施加階躍型電流信號I(t)，在t<0時，I(t)=I，t>0時，I(t)=0。t<0時稱為前期階段，激勵線圈在空間形成一次磁場，往周圍擴散，電磁場方向通過右手定則判定，此時任意時刻的一次磁場可以等效為簡單的渦流環；t>0時稱為后期階段，激勵源處于斷開狀態，渦流環會向地下擴散(見圖3，4)。每一個渦流環仿佛從激勵線圈里面吹出來的“煙圈”，這種現象稱為“煙圈效應”。等效渦流環的電流為

(1)

式中：c為常數；t為渦流環擴散時間；s0為大地的電導率；m0為大地的磁導率。

2.2 埋地金屬管道的響應范圍

瞬變電磁法檢測金屬管道的響應范圍是渦流環覆蓋的有效區域，在現場每一個測點檢測的信號代表整個有效區域內的管道平均壁厚，而不是探頭正下方測點的管道壁厚，整個有效區域長度稱為響應范圍(見圖5)。根據一次磁場擴散規律可知渦流環是從激勵線圈中心出發,呈47°錐角的方式向地下擴散，檢測時管道埋深為已知量，進而可計算出管道的響應范圍

S=L+2·h·cot47°≈L+2h

(2)

式中：S為響應范圍；L為激勵線圈長度；h為激勵線圈和管道軸線的垂直距離。

圖5 埋地金屬管道響應范圍示意

3 試驗過程

3.1 試驗設備

試驗設備由信號發生器部分、傳感器部分、管道試件和信號采集部分等組成[6]，瞬變電磁檢測設備框圖如圖6所示，瞬變電磁檢測試驗現場如圖7所示。

圖6 瞬變電磁檢測設備框圖

圖7 瞬變電磁檢測試驗現場

3.2 瞬變電磁法信號發生器

瞬變電磁儀產生頻率為1/16～32 Hz的階躍型信號，信號占空比可調，信號放大后幅值可以達到20 V。

3.3 傳感器和試件部分

傳感器為激勵線圈和接收線圈兩部分，激勵線圈由直徑為1 mm的漆包線纏繞而成，直徑為200 mm，有效高度為20 mm，匝數為150匝；接收線圈由直徑為0.25 mm的漆包線纏繞而成，直徑為100 mm，有效高度為20 mm，匝數為450匝，激勵線圈和接收線圈保證同心。為了提高試驗的可信度和重復性，試件選擇4塊鋼板，尺寸為400 mm×400 mm(長×寬)，厚度分別為5，10，15，20 mm，保證試件長度遠大于線圈有效覆蓋長度，確保試驗的有效性。

3.4 試驗步驟及結果分析

3.4.1 試驗步驟

瞬變電磁儀激發階躍型電流為1 A，占空比為50%，頻率為1 Hz，在4塊鋼板試件上進行提離高度分別為0，50，100，150，200 mm的試驗，每一種提離高度測量次數不少于10次，確保試驗數據的重復性，對數據進行坐標變換，提取有效數據如圖8所示。

圖8 4塊鋼板試件的提離高度試驗數據

3.4.2 數據處理

圖9 試驗數據的擬合結果

通過對坐標進行變化，可以清楚地看到檢測信號前期是沿著直線衰減的，后期是沿著冪指數衰減的[7]，確定檢測信號的衰減拐點，選擇合適的時窗范圍對每組檢測數據進行擬合，擬合選擇試件厚度為5 mm，提離高度為50 mm時的試驗數據進行處理，結果如圖9所示，擬合公式為y=Aexp(Bx)(y為檢測數據，A為信號幅值，B為衰減曲率)，擬合結果P<0.05，R2=0.999 9,說明該數據具有相關性且擬合程度高，每組數據擬合后得到的信號幅值A和衰減曲率B如表1所示。

表1 不同提離高度試驗數據的衰減率處理結果

3.4.3 結果分析

對檢測數據采用y=Aexp(Bx)的擬合結果表明，信號幅值A隨著提離高度的增加而減小，厚度分別為5,10,15 mm的鋼板試件在提離高度為0 mm100 mm時，接收信號發生了畸變，原因在于該激勵線圈磁場響應范圍過大，超出試件的尺寸，導致在試件表面產生的渦流不均勻。厚度為20 mm的鋼板試件的檢測信號曲線發生嚴重畸變，進一步說明該傳感器對厚度大于20 mm的試件不適用。根據調研資料可知，目前對金屬管道腐蝕量的評價都是利用檢測的衰減曲率，因此在有效提離高度范圍內，瞬變電磁法傳感器位置的上下變動對腐蝕評價結果無影響。

4 結論

(1) 隨著提離高度的增加,信號幅值逐漸減小，衰減曲率基本不變，對于厚度分別為5,10,15 mm的鋼板試件的提離高度有效范圍為100 mm，衰減曲率不變。

(2) 當提離高度超過有效范圍100 mm時，數據發生相交，無規律可言，驗證該傳感器理論有效覆蓋范圍為400 mm。

(3) 對于厚度為20 mm的鋼板試件，信號曲線發生嚴重的畸變，表明該傳感器的應用范圍對厚度大于20 mm的試件不適用。

(4) 通過試驗表明，在有效提離高度范圍內，提離高度只影響接收信號的幅值，而對信號衰減曲率無影響，在實際檢測工況中，說明傳感器位置的上下變動對評價結果無影響，也為后續瞬變電磁法傳感器的制作提供了有力參考。