非铁磁性金属材料脉冲涡流测厚探头参数的仿真分析

2019-05-07曹腾飞沈功田

中国计量大学学报 2019年1期

曹腾飞,沈功田,王强,李建

(1.中国计量大学质量与安全工程学院,浙江杭州 310018;2.中国特种设备检测研究院,北京 100029)

脉冲涡流(Pulsed eddy current,PEC)检测又称暂态涡流检测,最早由美国阿贡国家实验室的Waidelich等人[1]为测量核燃料金属护层厚度而提出,随后PEC检测技术被逐渐应用于对老龄飞机的腐蚀和裂纹检测[2]。1987年,美国ARCO公司开发出名为TEMP的PEC检测系统,用于检测带包覆层铁磁性管道的壁厚减薄[3],之后荷兰RTD公司在TEMP的基础上进行改进得到INCOTEST系统[4]。近年来,PEC技术在带包覆层铁磁性管道检测上的应用越来越多。国内的中国特种设备检测研究院与华中科技大学合作,对PEC检测做了大量研究,开发了适用于铁磁性材料检测的仪器[5-6]。相对于铁磁性材料,涡流在非铁磁性金属材料中扩散更快,检测信号也衰减更快。当探头提离较大(≥5 mm)时,由现有脉冲涡流检测仪器得到的检测结果精度较低[7]。

研究探头各参数对检测的影响规律,并据此对探头进行优化设计,有利于检测精度的提高。近年来,国内外诸多学者对此进行了研究,如国内的蔚道祥等[8]对圆台型PEC探头进行了研究,周德强等[9]对矩形差分探头做了有限元仿真和实验,研究了PEC检测矩形探头尺寸参数在对铝板进行检测时的灵敏度影响规律;国外的Arjun等[10]对带铁氧体磁芯的绝对探头、差分探头和带屏蔽层探头也做了比较,并以此优化了带磁芯探头。但大部分的研究都集中在分析线圈尺寸参数对于检测的影响,而对于这些尺寸参数影响的权重及磁芯尺寸参数对于检测的影响却没有做进一步的探究。

本文在已有对铁磁性材料PEC检测仿真研究的基础上,以304不锈钢为代表利用ANSYS仿真软件建立了非铁磁性金属材料的PEC测厚仿真模型。首先分析激励线圈高度、宽度、内径对非铁磁性金属材料PEC测厚灵敏度的影响,并进一步探究各尺寸对于灵敏度影响的权重;然后对所添加的磁芯尺寸参数进行了仿真,分析了磁芯尺寸参数对于PEC测厚灵敏度的影响。

1 PEC测厚理论基础

1.1 PEC测厚原理

如图1,当激励线圈中通有矩形波电流时,在矩形波边沿快速衰减,金属被检件表面会感应出涡流,并在被检件中快速的扩散和衰减,于此同时变化的涡流会产生变化的二次磁场,变化的二次磁场在接收元件中转化为电压信号[6]。如果被检件壁厚有变化,在被检件中感应出的涡流就会有变化,从而影响形成的二次磁场,进而影响检测到的电压信号,从电压信号中便可提取出被检件壁厚信息。

图1 PEC测厚原理示意图Figure 1 Schematic diagram of PEC thickness measurement principle

选取被检件名义壁厚的无腐蚀区域作为参考区域,用参考区域的信号减去待测区域的信号所得到的差分信号的局部放大如图2,随着被检件厚度的减小,差分信号的峰值增大,因此可以用差分信号的峰值来表征被检件的壁厚[1]。

图2 不同壁厚PEC差分信号局部放大Figure 2 Local amplification of PEC differential signals with different wall thickness

1.2 PEC探头

PEC探头主要包括激励线圈和接收元件两部分,通常PEC探头采用线圈激励,但在接收元件的材料上却有所不同。由于感应线圈可测量的磁场动态范围大,制作和维护相对容易,在PEC探头中广泛使用,本文仅研究接收元件为线圈时的情况。

对于检测探头来说,灵敏度S是一个很重要的参数。探头的灵敏度是指探头在稳态工作情况下输出量变化Δy对输入量变化Δx的比值[11]。在PEC测厚过程中,探头输入量为试件厚度Th,输出量为差分信号峰值P,因此,故定义探头灵敏度如下:

(1)

式(1)中:ΔP=Pi-Pref,ΔP为差分信号的峰值变化,是厚度为Thi试件的差分信号峰值Pi与参考试件的差分信号峰值Pref,而实际上Pref为0;ΔTh=Thi-Thref,ΔTh为试件的厚度变化,由当前试件厚度Thi减去参考试件厚度Thref。

PEC探头的灵敏度受线圈磁场分布影响,而线圈磁场分布又受线圈尺寸等直接影响[12-13]。故本文研究优化线圈尺寸等探头参数,以提高测厚的灵敏度,实现对非铁磁性材料进行PEC测厚。

2 PEC测厚仿真分析

2.1 建立模型

由于所研究的线圈、磁芯形状均具有轴对称性,且需提取的检测线圈上的电压与被检件表面的形状关系不大,因此,可以将3D模型简化为2D轴对称模型[14]。在徐志远等[15]建立的铁磁性材料PEC模型的基础上,利用ANSYS软件建立304不锈钢PEC检测模型,所建立的模型如图3,其中激励线圈与检测线圈同轴放置。

图3 PEC测厚的2D ANSYS轴对称模型Figure 3 2D ANSYS axisymmetric model for PEC thickness measurement

仿真中涉及的主要参数[15]如表1。

表1 主要仿真参数

2.2 激励线圈尺寸参数的影响

在仿真模型的其他参数不变的基础上,改变激励线圈内径,为每一种不同内径尺寸建立以2 mm为步进的38～50 mm的7个不同被检件厚度的仿真模型并求解计算,提取检测线圈上的感应电压,并以50 mm壁厚时的信号为参考信号,求出各内径尺寸下各壁厚时的差分信号峰值与试件厚度变化如图4。

图4 不同内径下峰值与试件厚度变化的关系Figure 4 Relationship between peak value and specimen thickness at different inner diameter

由图4可以看出差分信号峰值与试件厚度变化之间具有良好的线性关系,表明脉冲涡流差分信号的峰值可以作为评估试件壁厚的特征量。根据式(1)可求得各内径尺寸下,PEC检测的灵敏度如图5(a)。同理也可得到激励线圈宽度(PEW)、高度(PEH)对于检测灵敏度的影响如图5(b)、5(c)。

图5 激励线圈几何参数对PEC测厚灵敏度的影响Figure 5 Effect of geometric parameters of excitation coil on PEC thickness sensitivity

由图5可以分析得出,在保持激励线圈匝数不变的前提下:激励线圈的内径越大,PEC测厚的灵敏度越大;激励线圈的宽度越大,PEC测厚的灵敏度越大;激励线圈的高度越小,PEC测厚的灵敏度越大。

在上面的研究结论下继续探究激励线圈内径、宽度、高度影响厚度检测灵敏度的权重。对每个因素各选取三个水平的值做成一个L9正交实验表,求出灵敏度,统计每个因素每个水平值时的总灵敏度和平均值,并求出各因素三水平平均值的极差[16],结果如表2。通过极差数值的大小可以判断各因素影响检测灵敏度的权重。

表2 激励线圈尺寸参数影响权重正交试验结果

Table 2 Orthogonal test results of influence of size parameters of excitation coil on weight

试验号线圈内径/mm线圈宽度/mm线圈高度/mm灵敏度11030300.010 24921035400.011 97031040500.013 65142030400.013 76452035500.015 44262040300.021 43473030500.017 51683035300.023 99493040400.025 581T10.035 8690.041 5290.055 677-T20.050 6410.051 4060.051 315-T30.067 0910.060 6660.046 609-m10.011 9560.013 8430.018 559-m20.016 880.017 1350.017 105-m30.022 3640.020 2220.015 536-R0.010 4070.006 3790.003 022-

激励线圈尺寸参数影响权重正交试验结果中,内径灵敏度极差为0.010 407,宽度灵敏度极差为0.006 379,高度灵敏度极差为0.003 022。因此,比较灵敏度极差大小可知,在保持线圈匝数不变的情况下,激励线圈内径对灵敏度的影响最大,宽度次之,高度的影响最小。

2.3 磁芯尺寸参数的影响

为聚焦磁场、缩小探测区域、提升信号强度,从而提高检测灵敏度,保持已有的空心线圈不变并在其中添加罐型磁芯,其结构尺寸如图6。

图6 罐型磁芯结构尺寸(2D轴对称)Figure 6 Structure dimension of tank core(2D axis symmetry)

图7 有无磁芯差分信号局部放大Figure 7 Local amplification of differential signal with or without core

添加罐型磁芯前后得到的38 mm壁厚的差分信号的局部放大如图7,可以明显的看出添加磁芯后,差分信号的峰值得到了显著的提升,由原来的0.27 V提升到了0.41 V。这是由于加入了罐型磁芯后,限定了磁场范围,壁厚变化带来的磁场变化也更加强烈,从而检测到的电压信号幅值也随之提升,差分信号的峰值也会明显提升。

下面我们将探究磁芯的尺寸参数对于PEC测厚灵敏度的影响,分别改变磁芯的高度(CH)、厚度(CT)、外圈半径(CRO),提取各个模型中检测线圈上的感应电压,计算得到磁芯几何参数对PEC测厚灵敏度的影响如图8。