远场涡流检测传感器速度效应仿真分析 ：＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝：＝＝＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝：＝＝＝：＝＝＝ ・１３・ 远场涡流检测传感器速度效应仿真分析 王亚午，宋小春 （湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉４３００６８） 摘要：为了分析远场涡流检测中传感器运行速度对缺陷响应信号的影响，采用多场有限元方法对远场涡 流（ＲＦＥＣ）管道检测技术进行仿真研究。首先使用ＣＯＭＳＯＬ有限元软件建立远场涡流管道检测频域与 瞬态仿真分析模型，而后利用该模型对远场涡流检测原理以及传感器运行速度与缺陷响应信号的关系 进行研究。结果表明：在采用远场涡流传感器检测管道缺陷时，传感器运行速度和行进方向对检测结果 的稳定性有较大影响。当传感器运行速度过大时，缺陷检测信号与激励信号的相位差会出现较大变化； 当传感器运行速度在２ ｍ／ｓ以下，且沿着激励线圈指向检测线圈的方向运动，检测效果较理想。 关键词：远场涡流；传感器；速度效应；有限元 中图分类号：ＴＧ１１５．２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１５）０９—００１３—０４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｐｅｅｄ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＲＦＥＣ Ｓｅｎｓｏｒｓ ＷＡＮＧ Ｙａ—ｗｕ．ＳＯＮＧ Ｘｉａｏ－ｃｈｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｆｉｅｌｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ（ＲＦＥＣ）ｓｅｎｓｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅ ＲＦＥＣ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ ｉｆｅｌｄ ＦＥＭ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ＲＦＥＣ ｍｏｄ－ ｅｌ ｏｆ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｉｐｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＣＯＭＳＯＬ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ＲＥＦＣ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ’Ｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＲＦＥＣ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｔａ— ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｅｆｅｃｔ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｓｅｎｓｏｒ ｓｐｅｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｔｏｏ ｌａｒｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｂｅｌｏｗ ２ ｍ／ｓ ａｎｄ ｍｏｖｉｎｇ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｉｌ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｉｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅ ｆｉｅｌｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ（ＲＦＥＣ）；ｓｅｎｓｏｒ；ｓｐｅｅｄ ｅｆｆｅｃｔ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ） 由于不受集肤深度的影响，能以相同的灵敏度对 管壁内外表面缺陷进行检测…，因此远场涡流检测技 术在石油、天然气等管道的内检测方面表现出了显著 的优势。远场涡流检测仪器主要包括：一个与管道同 轴的低频交流激励线圈和与之相距２～３倍管道内径 感应定理，当该磁场传播至检测线圈处时，会在检测线 圈内形成带有缺陷信息的感应电流，通过分析检ｉ贝０线 的检测线圈，以及一些必要的机械结构和动力装 置 Ｊ。远场涡流检测时，由激励线圈产生的磁场经过 两次穿越管壁后，携带管壁缺陷信息，根据法拉第电磁 收稿日期：２０１４—０８—１２ 基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项（２０１３ＹＱ１４０５０５）； 湖北省自然科学基金资助项目（２０１４ＣＫＢ５０６） 作者简介：王亚午（１９９０一），男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要 圈电压信号与激励线圈电流信号的相位差，即可对管 壁缺陷进行有效评估 。 为优化传感器结构，提高其检测性能，国内外学者 对远场涡流检测技术进行了大量的仿真研究。刘洪 清＿４ 等利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对大口径油气管 道的远场涡流检测机理进行了仿真研究。吴德会 等借助有限元法分析了检测信号相位与管壁裂纹几何 参数的对应关系。肖丹 等通过有限元仿真验证了 大激励源产生的磁场有利于远场涡流检测。Ｍｉｈａｌａ－ ｃｈｅ Ｏ．［７ ３等通过建立三维有限元模型，对核电站蒸汽 发生管的远场涡流检测技术进行了研究。由于上述研 研究方向为电磁检测数值计算与仿真；宋小春（１９７２一），男，湖 北应城人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电磁声无 损检测技术。 究均以传感器在管中的速度为０ ｍ／ｓ为前提，而在实 际检测过程中，远场涡流检测仪在管道中并非处于静 止状态，因此，分析远场涡流检测中传感器运行速度对 ・１６・ 《测控技术）２ｏ１５年第３４卷第９期 ・ｖ＝Ｏｍ／ｓ ＋ｖ＝ｌｍ／ｓ —ｖ＝２ｍ／ｓ —ｖ＝３ｍ／ｓ 鲫 ∞ 加 Ｏ 加 加 ∞ ／ ／ ＋￣．ｍ／ｓ 备 ・ｖ＝３ｍ／ｓ 一激励信号（幅值等比例缩小） 盏 Ｏ ０．０２ ０．０４ ０．０６ ０．Ｏ８ ０．１ 时间／ｓ （ａ）正运动方向下检测信号图 ×１Ｏ ￣ｖ＝Ｏｍ／ｓ 一－．．’Ｆ＝一ｌｍ／ｓ －１￣ｖ＝－２ｍ／ｓ 一￣ｖ＝－３ｍ／ｓ ｌ＋ 一４ｍ／ｓ 之 Ｉ． 一５ｍ／ｓ 出 ・激励信号（幅值等比例缩小） 匿 嚣 一 窭审妲避裁奸醒 ＾。）＼ 迥 妲餐龌婶嚣 如 舵 勰 ∞ 如 加 ｍ Ｏ ０ ０．０２ ０．０４ ０．０６ ０．０８ ０．１ 时间／ｓ （ｂ）负运动方向下检测信号图 图５检测信号图 测线圈离开远场区域，进入过渡区域甚至近场区域而 失去检测能力。提取不同运行速度下检测信号与激励 信号的相位差，并进行最小二乘法拟合，结果如图６所 示。可见，①当传感器以正向０—５ ｍ／ｓ运动时，缺陷 相位信号变化约１２。，当传感器以反向一５～０ ｍ／ｓ运 动时，缺陷相位信号变化约４１。，这是因为当检测线圈 远离远场区而向后推移时，相位差变化不大，而当检测 线圈进人过渡区时，检测信号相位是跃变的（如图２ （ｂ）所示），也就是说，在远场涡流检测装置设计时，应 使其运行方向为沿激励线圈指向检测线圈方向运动。 ②不论传感器朝哪个方向运动，当传感器运行速度超 过２ ｍ／ｓ时，检测信号与激励信号的相位差出现较大 变化，也就是说，远场涡流的检ｉ贝０最大速度设计为２ ｍ／ｓ，以保证检测信号的准确稳定。 ３ 结论 ①当传感器以一定速度在管内移动时，管外磁场 沿传感器移动方向的反方向偏移。 ②当传感器沿着由激励线圈指向检测线圈的方 向运动时，检测信号的幅值减小，而检测信号与激励信 号间的相位差增大。 ／。 ／ ／ ／ ０ １ ２ ３ ４ 传感器速度ｖ／ｍ・ｓ （ａ）正方向运动时信号相位差图 ／。 ／ ／ ／ ／ ７ —５ —４ —３ —２ 一ｌ Ｏ 传感器速度ｖ／ｍ・ｓ （ｂ）负方向运动时信号相位差图 图６信号相位差与传感器速度关系图 ③当传感器沿着由检测线圈指向激励线圈的方 向运动时，检测信号的幅值增大，而检测信号与激励信 号间的相位差减小。 ④应设计远场涡流检测装置的运行方向为沿激 励线圈指向检测线圈方向，且最大速度设计为２ ｍ／ｓ， 以保证检测信号的稳定性。 参考文献： ［１］ 宋小春，黄松岭，赵伟．天然气长输管道裂纹的无损检测 方法［Ｊ］．天然气工业，２００６，２６（７）：１０３—１０６． ［２］ 邢丽冬，于盛林，曲民兴．三维远场涡流探头的设计与实 验研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００６，２７（１１）：１５２９—１５３４． ［３］ Ｚｈａｎｇ Ｙ，Ａｔｈｅ￣ｏｎ Ｄ Ｌ．Ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ ｉｆｅｌｄ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｆｒｏｍ ｎｅａｒ ａｎｄ ｆａｒ ｓｉｄｅ ｃｒａｃｋｓ ［Ｊ］．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，１９９８，１０（３）： １６３—１６９． ［４］ 刘洪清，黄松岭，陆文娟．大口径管道远场涡流缺陷检测 仿真建模［Ｊ］．无损检测，２００８，３０（４）：２４１—２４３． ［５］ 吴德会，黄松岭，赵伟，等．油气管道裂纹远场涡流检测的 仿真分析［Ｊ］．中国机械工程，２００９，２０（１２）：１４５０—１４５４． ［６］ 肖丹，师奕兵，黄博．基于远场涡流法的管道缺陷识别的 有限元仿真研究［Ｊ］．测控技术，２０１２，３１（５）：１３１—１３５． ［７］Ｍｉｈａｌａｅｈｅ ０，Ｙｏｋｏｙａｍａ Ｋ，Ｕｅｄａ Ｍ，ｅｔ ａ１．３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｒｅｍｏｔｅ ｆｉｅｌｄ ｆｌａｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｇ— ｎｅｔｉｃ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｕｂｅｓ［Ｊ］．ＡＩＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄ－ ｉｎｇｓ，２００４，７００（１）：４２１—４２８． ［８］ 夏布礼．铁磁性管道远场涡流检测仿真计算与分析［Ｄ］． 太原：中北大学，２０１０． 口 ．