射线管道爬行器用磁传感器*

2015-05-06张宏亮曹立江

传感技术学报 2015年2期

关键词：发射器定位精度磁场

张宏亮,曹立江

(廊坊北检无损检测公司,河北廊坊 065001)

射线管道爬行器用磁传感器*

张宏亮*,曹立江

(廊坊北检无损检测公司,河北廊坊 065001)

介绍一种用于射线管道爬行器定位和控制的管道爬行器电磁传感器,利用低频交变磁场能穿透钢制管道壁的原理。它由位于管道外部的磁发射器和管道内部的磁接收传感器组成,磁发射器由电池、稳压电路、直流电动机和钕铁硼永磁旋转体组成,由电池经稳压供电的直流电动机带动钕铁硼永磁旋转体旋转;磁发射器在管道外表局部空间产生交变磁场,在管道内部形成漏磁场,磁接收传感器由感应线圈、限幅器、仪表放大器、检波电路、积分电路、比较电路和防抖电路组成,输出一个开关量信号供爬行器使用,经过长期大范围使用,达到了代替原来放射性物质控制的作用,定位精度满足射线透照要求。

无损检测;爬行器;磁传感器;管道;X射线

在长输管道无损检测施工中,射线管道爬行器广泛使用[1],它是一个专门在管道内部自行行走的射线照相用机器人,操作人员在管道外部对其进行遥控,包括定位、前进、后退、休息、曝光、改变曝光时间等。这就需要有一种能在管道内外进行通讯的手段。从前,国内外所使用的传感器几乎都是在使用铯137指令源进行控制。使用放射性指令源控制器具有电路简单,控制效果好,几乎不存在各种工业干扰的特点[2-3]。然而,爬行器的放射性指令源的安全使用和运输一直是困挠着各检测公司,寻找替代手段是无损检测行业的一个难题。

解决问题的关键就是传感器技术路线的选择,研究分别分析和试验了超声波、远场涡流、微波无线电、红外线、星轮开关、视频识别、微型射线机、超低频电磁波、静态磁场等多种技术路线。早期清华大学吴知非等做过静态磁场控制爬行器的研究[4],但其穿透壁厚较小,抗干扰能力低,静态永磁体因吸附在钢管壁上致使操作困难。苏志毅、黄松岭等在油气管道缺欠漏磁检测地面标志器研制中[5],描述了利用漏磁检测仪本身的强磁体作为发射器,在管道外部设置一个高灵敏磁场检测器作为接收装置,该系统也属于静态磁场方式,因手持不便也难用于射线管道爬行器上。胜利油建刘湘宁所做的基于超低频电磁波的海底管道内缺陷定位技术研究[6]和哈尔滨工业大学李军远等所做的基于低频电磁波的管道机器人定位技术[7]都是利用超低频电磁波在空间上磁场强度的分布规律,在管道内发射超低频电磁波,在管道外部使用多个按照一定规律排布的接收天线,通过计算得到的超低频电磁波发射源的位置,实现管道内物体的示踪定位。此外,还有天津大学吴晓等所做的声传感器阵列方式[8]是利用内部设备运行声音通过声音定位,定位精度不能满足要求。成都理工大学刘念聪所做的基于γ射线的管道焊缝检测机器人关键技术研究[9]是采用了视频识别,定位精度满足要求但无法对内遥控,系统过于复杂。

以上各种技术路线有的不可行,有的虽然可控制但定位精度不能满足±5 cm的要求,或不能满足穿透厚度大于30 mm的要求,或不具备对内通讯控制。此外,还要求发射器要求为手持式、体积小、重量轻、耗电量小、便于一人灵活操作,运行于管道内部的爬行器上不能安装大的接收天线。对操作人员技术要求低,符合野外施工现场要求,价格不能太高等,最终本文选择了利用低频交变磁场代替放射性同位素指令源对爬行器进行定位控制的技术路线。

1 研制原理

1.1 原理

为了达到穿透钢制管道壁的目的,采取了利用低频交变磁场代替放射性同位素指令源对爬行器进行定位控制的技术路线,见图1。即在管道外部设计了一个能产生一定强度的交变磁场,在管道外部对钢制管壁进行反复磁化,利用了交变磁场在管壁内部产生涡流并感生出新的磁场的原理。

图1 原理示意图

由半无限大导体中的电磁场的麦克斯韦方程可以导出距离导体表面X深度处的涡流密度公式如下[10]。

式中:I0为半无限大导体表面的涡流密度,单位是A;f为电流频率,单位是Hz;μ为磁导率,单位是H/m;σ为电导率,单位是S/m;X为深度,单位是mm。

根据公式定性的可以得出一个结论,交变磁场是可以穿透钢制管道壁的,证明本方案可行。但发射频率越高穿透越困难,这将作为本设计的指导思路,同时也要避免50Hz工频干扰。

根据公式定性可知,被穿透钢管壁的导电性越好、磁导率越高也越难以穿透,但并不是完全不能穿透。因此,在管道内设计一个高灵敏度的磁场接收装置,将接收到的极其微弱的交变信号滤波、放大、采样、去干扰、解调输出一个开关量信号对爬行器进行定位及控制。

敏感元件采用了线圈,根据法拉第电磁感应定律,对于一个圈数为N圈的线圈其感生电动势遵守如下定律,根据公式可知传感器接收器接收性能与线圈圈数和磁通量变化率成正比。

式中:E为感应电动势,单位是T;N为线圈圈数;φ为磁通量。

1.2 磁发射器

磁发射器采用电动机带动钕铁硼磁体旋转产生交变磁场,代替了原来的放射性指令源部分,要求至少能穿透30mm壁厚的钢管,体积重量方面能满足单人独立操作的使用,连续工作时间大于8h。

此发射器具有磁感应强度不随着电池电压而改变的优点,原理框图如图2所示,它由电池、稳压电路、低压检测电路、直流电动机和钕铁硼永磁旋转体组成,由电池经稳压电路稳压供电的直流电动机带动钕铁硼永磁旋转体旋转,以保持磁场频率的稳定,频率为35Hz,为随时监视电池电压,在电池输出端接有低压检测电路,以防止电池电压的过度放电。

图2 磁发射器原理框图

其电路原理图如图3所示,7.2 V电池输出经开关和1 A的保险丝后一路接至由AN051运算放大器IC1及由R1和D1LED组成反馈回路的低压检测电路输入端;另一路接由LM317组成的稳压电路IC2输入端,该稳压电路的1端与地之间接电容C1,1、3端之间接二极管D2,2、3端之间接并联的二极管D3和电阻R2后再接并联的电容器C2和电位器W1到地;稳压电路输出端3并联一电容器C3及另一串联LED的电阻R3后,接到直流电动机电源输入端。

图3 磁发射器电路原理图

7.2 V电源经过IC2稳压后供给6 V直流电动机,稳定的供电电压保证了电动机转速的稳定,电动机带动的静磁体以恒速旋转,产生一个6 Hz～35 Hz的交变磁场,转速可以通过调节W1进行控制,IC1为电池电压过低判断集成电路,D1为电池电压低压告警指示灯,D4为电动机旋转工作指示。制作完成的发射器如图4所示。

图4 磁发射器

图6 磁接收器电路原理图

1.3 磁接收器

磁接收传感器原理框图如图5所示,它由感应线圈、限幅器、仪表放大器、检波电路、积分电路、比较电路和防抖电路组成;感应线圈两端接限幅器的输入,限幅器的输出顺次接仪表放大器、检波电路、积分电路、比较电路后,由比较电路输出一个开关量信号经过防抖电路(继电器)隔离输出。

图5 磁接收器原理框图

图6中,带铁芯的感应线圈L接收到管道内部的微弱交变磁场信号后,产生一个感生电动势,波形如图7,经过二极管D5、D6限幅后输入到IC3仪表运算放大器INA128的输入端,放大后的信号由二极管D7检波,通过R4、R5、C4、C5组成的积分电路变成变化缓慢的直流电平信号,输入到IC4运放组成的比较器反相LM358A输入端,TL431、R9组成的5 V基准电压源,经过W3分压给IC4同相输入端提供基准电压,当感应线圈L没有接收到磁场信号的时候,比较器IC4输出高电平,Q1截至,当有磁场信号输入时,IC4反相输入端比同相输入端电位高,比较器反转输出低电平,Q1导通,继电器吸和,输出端得到一个开关量信号,此信号提供给爬行器的PLC通过编程就可以实现随意控制过程,包括管内精确定位、前进、后退、休息、曝光等。图中W2用来调节放大器放大倍数,改变接收灵敏度,W3用于调节比较器基准值,适当的调节可以防止无效信号的干扰。制作完成的接收器如图8所示。

图7 接收到的波形

传感器接收敏感原件可以采用线圈、霍尔元件、磁敏二极管、磁阻传感器等[11-14],而线圈具有加工制作最容易,易于维护,能适应恶劣工作环境,灵敏度也可以根据需要调整匝数而随意调整,不存在温度补偿和非线性度问题,在测量变化磁场信号时,线圈是一个很好的选择。制作时,在线圈内部的导磁体铁芯选用相对导磁率ur>1 000的工业纯铁,可以显著提高线圈的检测灵敏度[15]。

图8 磁接收器

2 制作中的几个关键问题

2.1 定位精度的测量方法

取爬行器上任何一个固定点作为参照,选择一根管道进行测试,每次定位停车后,测量爬行器上参照点位置到管道端的长度,定位测量原始数据见表1,通过计算可得出定位精度误差范围,如表2。可见,本传感器定位精度能达到±16.5 mm,能够满足现场射线中心曝光法照相的需要。

表1 不同壁厚定位精度测量数据

表2 不同壁厚的定位精度误差

2.2 定位精度的分析

总定位精度与以下因素相关:1、发射磁场信号的稳定度,2、磁场频率,3、爬行速度,4、管道坡度,5、管道内表面状态(如水、沙等),6、接收传感器与管道内壁的距离,7、PLC的执行速度。

本发射器采用了永磁体、稳速电机可以解决因素1和因素2的问题,在薄壁管道中为提高定位精度可采取提高发射频率的办法,但是根据试验,当前的定位精度已经完全满足了现场无损检测拍片的需要,因此没有必要增加发射频率。增加发射频率还将带来发射器电能消耗的增加和穿透能力的下降,得不偿失,因此不建议提高发射频率方法。

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因素3与爬行器设计有关,在不考虑车速度的情况下的所谓最大误差是无意义的,在发射频率一定的情况下,爬行速度越慢,最大误差越小。

因素4是改变了爬行速度,与因素5都是现场实际面临的情况,本方法中属于不可控因素。

因素6,当接收器靠近发射器时,因磁场范围变小,接收信号更强,磁感应强度变化率提高,因此定位精度更高,接收器安装距离也与穿透厚度相关,传感器一般安装在距离管道上壁5 cm位置,如图9所示。

因素7问题,爬行器控制一般采用PLC控制,而PLC程序的输入输出采用映像刷新方式的原因,程序的执行周期对定位也有轻微影响,但因程序执行周期约1 μs～3 μs,由此导致的误差约为0.3 mm～1.0 mm以内,对射线照相可以忽略。

在去除了不可控制因素和对可控制因素进行控制的情况下,理论定位精度仅仅与磁场频率和爬行速度有关,如图10,理论最大误差为正负一个周期(±t)时间段内爬行器的行走距离,即最大误差为一个信号周期,设爬行器速度S为18 m/min时,发射器频率F为35 Hz,则最大误差ΔL:

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

即理论最大误差为±8.57 mm。

图9 管道内部传感器安装情况

图10 接收放大器——最大定位误差分析图

2.3 存在的干扰信号及抗干扰措施

在确认选择了交变磁场路线以后,我们对传感器工作中可能遇到的各种干扰进行了分析,并研究了各种干扰在接收电路输出端的干扰形式,包括干扰频谱、干扰幅度、干扰时机等,都分别进行了仔细的测试分析。

干扰信号一般包括高频的电磁干扰、50 Hz工频干扰以及其他干扰源等。有用信号十分微弱,在1 mT～10 mT之间,而工作环境十分恶劣,表现为以下几个方面:继电器和电动机等感性负载的启动、管道剩磁使检测元件在爬行器运行中的随机晃动与振动变成干扰信号、爬行器X射线高压发生器斩波器高压包电磁场干扰、强X射线辐射、电焊机电弧干扰、外部电砂轮等。此外还存在环境中的高压电线等工业50 Hz干扰,信号提取与处理电路中存在低频与高频噪声干扰。

磁场测量最易受到外界磁场的干扰,采用高导磁材料做成的屏蔽体以使屏蔽体内的接收单元免体外磁场的干扰[16],一般可将干扰减至1/5～1/8,磁屏蔽是增强抗磁干扰能力的必不可少的措施。空间电磁场也会严重影响微弱的信号的接收,因此需要电磁场的屏蔽,简单的屏蔽措施的是用良导体如铜做成筒状将线圈包围起来,并注意正确接地,对于一个600圈的线圈经测量发现屏蔽前噪声达2 V屏蔽后约1.2 mV,传递信号的导线必须使用屏蔽线。因此,接收线圈部分采用磁屏蔽外壳及环氧树脂完全密封结构,使其可工作于十分恶劣环境,甚至完全侵入水中都可工作。加上磁屏蔽罩并接地后,可以保证对空间磁场和电场的干扰减低到最小。

2.4 关于穿透厚度

增加穿透壁厚只需要从三方面考虑:①增加发射功率,即提高发射磁感应强度;②提高接收放大器灵敏度;③抬高接收传感器的高度;其中磁感应强度受磁材料的限制不能无限制的提高,本文采用了φ20 mm×40 mm的表面磁感应强度为1.2 T的柱形磁体,实际中采取方法是增加线圈圈数、提高接收放大器放大倍数,但同时必须兼顾到抗干扰的需求,以解决壁厚的问题,而提高接收器位置的办法不利于抵抗螺旋焊道造成的爬行器车体抖动造成的干扰,推荐值为5 cm。

3 应用情况

为了验证实际使用效果,现场应用在西气东输二线八标段,管径φ1 219 mm、壁厚18.4 mm,还有少量壁厚为33 mm。自2008年4月20日开工以来,截止到10月30日共检测焊口1 890道口,约22公里,在这22公里的使用中经历了春季的风沙在管道上带来的静电、夏季管道内的温度高于80 ℃的炎热考验,该爬行器始终控制稳定,定位精确。

为了进一步检验在低温条件下的应用效果,又选择在长长吉工程中进行了现场应用,施工地点在吉林省长春市,管径φ711 mm、壁厚8.7 mm和10.3 mm。在108 km检测任务中,完全取消了原来的放射性传感控制爬行器,所用的六套爬行器全部采用非放射性传感控制的管道爬行器,在工期紧、任务急的情况下,利用该设备圆满完成了检测任务,从未发生过新设备故障而影响施工的情况,经过在前线进一步的调整和优化,现以完成主体108 km约9 000道焊口的检测任务,所拍照的底片全部符合标准要求,该地区11月份的最低气温以达到零下10 ℃,该爬行器工作正常,定位准确,在两种(8.7 mm和10.3 mm)壁厚的使用中无需做任何调整。

4 结论

本磁传感器经过经过多项工程的实际应用,具备控制灵活可靠、定位精度高、抗干扰能力强的特点。爬行器的定位精度可以控制在±2 cm以内,控制爬行器的各种动作等都达到了可靠的效果,抗干扰能力满足现场使用要求,彻底取代了传统的放射性指令源控制的射线传感器,使无损检测工作人员的人身放射性损害降低到最小,大幅度降低HSE风险,已经取得了国家发明专利授权[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