基于油管螺纹漏磁检测探头的设计
    

摘 要:根据油管螺纹分离式漏磁检测原理,对螺纹检测探头的设计进行了研究。设计了基于集成霍尔元件差分阵列组合的油管螺纹漏磁检测探头。试验表明,该检测探头能够有效地消除油管螺纹检测过程中的背景磁场信号和螺纹信号,提高了检测信号的信噪比。

关键词:漏磁检测;油管螺纹;分离式漏磁;探头设计

中图分类号:tg115.28 文献标识码:a 文章编号:1000-6656(2008)09-0622-04

检测探头影响整个漏磁检测设备的各项性能指标,包括检测仪器的检测盲区、检测覆盖率、信噪比、灵敏度以及仪器使用的可靠性和方便性等。因此检测探头的设计很重要,其内容主要包括磁敏感元件的选择、检测元件的布置方式以及检测探头结构的设计[1]。

1 油管螺纹区磁场分布规律[2]

油管螺纹区与钢丝绳在结构上有一个共同点,它们在横截面积上都是关于中心对称,在轴向截面上呈周期性结构关系。因此,其表面漏磁场的分布也有着相似的分布规律,即油管螺纹区沿y轴方向的磁感应强度为:

式中 n———离散化后的总采样点数;

p———螺纹的螺距,一般p=2.54 mm;

ek———通过磁场边界条件求得的参数,k=1,2,…,n;

x———轴向坐标;

y———径向坐标。

从式(1)可以看出:

(1)由油管螺纹引起的漏磁场是沿油管轴向的周期函数,且沿油管周向呈一定的相位延迟关系,其沿轴向的周期由油管螺纹的螺距p确定。

(2)油管螺纹区表面不同的缺陷形式(如断扣、根部裂纹、磨损等)将引起磁场边界参数ek的变化,最终反映在油管螺纹表面径向和切向磁感应强度br或bt的变化上。因此,检测并分析不同的漏磁场特征,能够获得缺陷的特征和定量检测结果。

(3)油管螺纹区漏磁场的法向磁感应强度br与检测点到油管螺纹表面的距离近似呈负指数关系。为增强检测信号,在传感器设计过程中,应该尽量减小磁敏检测元件与油管螺纹间的间隙;同时,为确保检测信号的稳定可靠,应保证这一间隙在检测过程中恒定。

2 磁敏元件的选择

根据磁场信号的强弱,可分别采用感应线圈、霍尔效应元件、磁敏二极管三极管、磁通门、核磁共振等方法来测量磁场。油管螺纹缺陷产生的漏磁场强度 在1~10 mt之间,因此,上述方法除核磁共振太昂贵外,其它方法均可采用。考虑到经济性和实用性,通常采用感应线圈和霍尔元件检测磁场信号。

当检测用感应线圈与钢丝绳间产生相对运动时,线圈切割漏磁场产生感应电势uc为:

式中 n———线圈匝数;

ф———通过单匝线圈的磁通量;

b———磁感应强度;

s———单匝线圈面积。

当相对运动发生变化或运动过程不是很平稳时,uc将随之变化,即检测信号幅度受检测速度的影响,且感应线圈的感应面比较大,获取的是其感应区内 整个磁场的变化,而在该感应区内,由油管螺纹感应到的漏磁场信号的变化要明显大于由缺陷所引起的漏磁场的变化,信号信噪比较低。因此,决定采用霍尔元件进 行漏磁场检测。

霍尔元件输出的霍尔电势vh为:

式中 kc———霍尔元件的灵敏度系数;

ic———输入的控制电流;

φ———磁感应强度b与元件法向矢量之间的夹角。

式(3)可见,输入电势vh与检测元件相对于磁场的运动速度无关。

集成霍尔元件应用于检测油管螺纹表面漏磁的优点有①灵敏度高,>7 v/t。②元件一般有塑料封装,易于安装。③信号处理装置简单,且成本低。④所感应的磁场信号不受运动速度变化的影响,检测信号比较稳定。

3 霍尔元件的布置

3.1 霍尔元件数的选择

单片霍尔元件沿油管螺纹轴向扫描只能覆盖周向上的一定区域,采用多个霍尔元件在油管螺纹同一截面或轴向错开一定距离,沿其周向均匀布置,可以增加覆盖率,防止漏检。当试验确定单个元件的周向覆盖范围ss后,覆盖整周油管所需元件数n为:

式中sl为元件油管螺纹区的平均周长;cint表示舍入取整。

传感器的设计中采用剖分式结构,以使探头内径随着螺纹区域锥度的变化而变化;为了减少检测元件与油管螺纹表面的距离,让其紧贴油管螺纹的牙顶进行扫描,采用随动定心结构,式(4)中n应为传感器中随动定心探头数的整数倍。

由于每片霍尔元件的周向分辨力一般只有8 mm(弧长)左右,因此,为了覆盖整个油管螺纹检测区域,根据式(4),至少需布置32片元件。

3.2 霍尔元件的布置方式

3.2.1 多元件独立通道检测方法[3]

为提高输出信号对周向缺陷的分辨力,在该检测方法中,每片霍尔元件的输出信号采用独立的通道进行处理。图1为采用8片元件对73 mm油管螺纹区进行检测的信号波形。图1可见,该方法具有较高的轴向分辨力和缺陷检测灵敏度,但假如32路检测信号全部采用独立通道输出,将增加后续信号处理的难度,增加检测仪器成本,因此,其使用受到了很大的限制。

3.2.2 霍尔元件阵列组合检测方法[2]

式(1)表明,螺纹间漏磁检测信号沿轴向(z向)呈周期性变化。在油管螺纹区同一截面内,若沿其圆周方向,在同一检测圆周截面上布置多个测量点 a,b,c(图2),各测量点检测信号间将存在一定的相位差。这一相位关系是由油管螺纹的螺旋式几何状状产生的,同一母线上的两点之间的相位差正好相差 360°,所以a,b两点之间的相位关系可以直接用a,b两点之间的夹角θ表示。

霍尔元件阵列组合检测方法的基本思想是,在同一横截面上布置多片霍尔元件于检测环上,选择两路相位相反的信号或几路相位相互间呈一定关系的信号 进行叠加处理,从而减少背景磁场及螺纹波信号的幅度,增加每一路检测信号对应的油管螺纹周向覆盖的范围,以减小传感头输出信号的通道数目。

根据理论分析和实验分析结果,螺纹产生的漏磁场信号可近似地看成是空间周期分布的余弦信号,记a,b,c三测点的霍尔元件输出电势分别为:

式中a1,a2分别为b,c测点相对于a测点霍尔元件输出电势的相对值,s为a,b,c三测点沿油管螺纹轴向的空间位置参量,p为油管螺纹的螺距,θab,θac分别为b,c测点相对于a测点的检测信号的相位差,va背,vb背,vc背为三测量点的背景磁场,可以近似为va背=vb背=vc背=v背。

当两路信号相叠加时,最佳相位关系是两路信号间的相位差为180°,记θab=180°-δ(δ为两个霍尔元件沿着周向的夹角),则叠加后的信号为:

从式(8)可以看出,当a1=1,δ=0,即两测量点的相位差为180°时,叠加后的信号输出将为2v背。

由于缺陷漏磁场信号即使在多路检测信号中也是同相的,所以叠加后信号将是缺陷检测信号和两倍的背景磁场信号的叠加。为了消除背景磁场的影响,将两路信号相减可得:

从式(9)可以看出,当a1=1,δ=180°,即两测量点的相位差为 360°n(n=0,1,2…)时,叠加后的信号输出将为零。但是在两路信号相减消除螺纹信号和背景磁场信号的过程中,应避免两路信号同时检测到缺陷信 号。集成霍尔元件有正反两个感应面(图3)。根据霍尔元件的磁感应特性,在中心磁感应点相同的位置上,当霍尔元件正面朝下测量磁场的径向分量br输出电压 为v时,元件正面朝上时测得的感应输出电压为-v,因此,实现式(9)所示的差分组合检测的方法有以下两种:

(1)两元件同向布置,通过后续的减法电路来实现差分组合检测。即两霍尔元件正面朝下平放于油管螺纹表面,其轴向距离为油管的螺距p,所感应到 的同一缺陷的漏磁场信号相位差为360°,为缺陷信号的波峰位置相差一个螺距内的采样点数。两元件的周向距离相隔ss。通过电路,把两元件输出的两路信号 相减。如图4所示,s1(n),s2(n)为两单个元件独立输出的检测信号,s1(n)-s2(n)为两元件的输出信号相减。从检测信号中可以看 出,s1(n),s2(n)存在着大约106-92=14个点的相位偏差,而且两独立输出的信号受背景磁场的影响很大,而s1(n)-s2(n)保留了缺 陷信号,减小了背景磁场和螺纹周期信号的影响,提高了信噪比。

(2)两元件反向布置,通过后续的加法电路来

实现差分组合检测。即两霍尔元件一正一反平放于油管螺纹表面,轴向距离为油管的螺距p,感应到的同一缺陷的漏磁场信号相位差为360°,为缺陷 信号的波峰位置相差一个螺距内的采样点数。两元件的周向距离相隔ss。如图5所示,s1(n)为元件正面朝下的检测信号,s2(n)为元件正面朝上的检测 信号,两者存在102 - 88 = 14个点的相位偏差。

s1(n)与s2(n)相加后,保留了缺陷信号,减小了背景磁场的影响,提高了信噪比。

因霍尔元件离正、反面的距离不同,分别为0·46和1.11 mm,使其所感应到的相同大小缺陷信号的幅值有所差异。为了消除这种差异,对正面朝下的检测元件,应该增加提离补偿。

4 检测探头的设计

检测探头通过插销安装在探头架上,探头在弹簧压力的作用下,时刻紧贴油管螺纹表面[4]并保持提离距离一致。单个检测探头的结构及霍尔元件的布 置方式见图6。其检测探头的内径为36.5 mm,弧度为40°,1和3两片霍尔元件正面朝下平放于同一圆周截面上,并加以提离补偿0.55 mm;2和4两片霍尔元件正面朝上平放于另一圆周截面上,两截面轴向距离相差一个螺距p,4个元件周向均布相距ss。四个元件相叠加,输出一路组合信号, 上下共8个检测探头输出8路检测信号,进入后续处理电路。

5 试验及结果分析

4路霍尔元件阵列组合设计的油管螺纹漏磁检测探头可以减少背景磁场和螺纹漏磁场信号的影响。效果仅受各元件安装的轴向和周向位置的相对误差以及两元件灵敏度误差的影响。其突出的优点在于:

(1)能够消除背景磁场的不均匀性和油管螺纹漏磁场的影响,不受轴向磁化不一致的干扰。如图7所示,1~3处分别为油管螺纹区沿轴向分布的深为0.3,0.6和0.9 mm的三条裂纹的检测波形,基本消除了背景磁场和螺纹漏磁场信号。

(2)能够消除检测过程中探头抖动或振动引起的噪声干扰。

(3)通过对霍尔元件的差分信号相互叠加,可以减少信号输出通道,增强信号的信噪比。

参考文献:

[1] 杨叔子,康宜华.钢丝绳断丝定量检测原理与技术[m].北京:国防工业出版社,1995.

[2] 康宜华.钢丝绳断丝定量检测方法及仪器的研究[d].武汉:华中理工大学,1993:53-74.

[3] 丁劲锋,康宜华,郝鹏程,等.油管螺纹检测传感器的设计[j].仪表技术与传感器,2006,(1):4-5.

[4] ding jinfeng, kang yihua. tubing thread testing bymfl[j]. ndt&e international,2006,39(1):53-56.

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    收录时间:2015年01月03日 08:56:20 来源:中国计量测控网 作者:点击率
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