渦流測厚探頭的溫度影響及對策研究

渦流測厚探頭的溫度影響及對策研究
汪冬兵
(南京優(yōu)悅科技有限公司，  江蘇南京甘家巷400號，210033)

摘要： 對在用冷換設(shè)備管束進行渦流檢測，管壁測厚目前在各種標準中都沒有具體要求。其精確度的影響因素較多，溫度影響是最難消除的因素之一。我們通過理論分析并通過大量實踐改進，完全消除了這一關(guān)鍵問題。
關(guān)鍵詞：換熱管束   渦流測厚   溫度影響    檢測探頭
一、前言
在冷換設(shè)備列管的在役檢測中，雖然JB4730和ASME標準中都對渦流探傷制訂了驗收和技術(shù)要求，但并沒有對渦流測厚進行要求。而冷換設(shè)備換熱管束腐蝕減薄確是一直存在的腐蝕問題。對此，我們經(jīng)過二十多年的檢測工作，已將渦流測厚技術(shù)掌握并發(fā)展較為成熟。由于渦流測厚檢測速度快，測量精度高，并能立刻給出檢測結(jié)果，尤其適用于換熱器列管數(shù)量多，停車時間短的特點，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用。
就渦流測厚原理來說，其與一般的渦流探傷實質(zhì)上是完全一樣的。因此一般的多功能渦流檢測儀也完全適用。所不同的是采用的檢測參數(shù)和所用的檢測探頭不同。檢測參數(shù)可隨時調(diào)節(jié)，但檢測探頭必須要單獨設(shè)計制作。
設(shè)計測厚探頭的基本要求是既要滿足檢測對象的要求，又要與檢測儀器相匹配。在一般的渦流儀中，連接探頭的前端網(wǎng)絡(luò)為一個交流電橋線路，由于電橋的檢測靈敏度高，能將微小的探頭信號（一般為幾毫伏）有效地放大，而且對探頭的電阻和電感變化都能感受到，符合渦流信號的變化特點。在渦流測厚中，采用的是外比較式差動線圈，參考探頭和檢測探頭分別連到橋路的兩臂，見下圖。

      



二、影響因素分析
1，由于壁厚的減薄是較均勻的緩慢變化，若采用探傷用的自比較線圈就無法得到信號，必須采用外比較線圈：將參考線圈置于標準管壁厚處（標樣管內(nèi)），而將檢測線圈均勻地穿過被測管，從而得到兩個線圈的阻抗差，在其它條件相同時，阻抗變化就唯一地反映了管壁厚的差異，與標準壁厚相比即可得到被測管的壁厚絕對值。由于渦流儀的采樣速率很高，這一過程可看成是連續(xù)進行的，壁厚的變化也是連續(xù)的，通過電腦進行快速分析，將采集到的電壓信號與預(yù)先建立的壁厚值電壓方程進行比較，實時得出每一點的壁厚值，最后只保留每一根管的最薄截面壁厚值即可。
為能檢測到管內(nèi)外壁厚的變化，必須有較大的滲透深度，即應(yīng)采用較低的檢測頻率，這樣還可使信號電壓與壁厚變化基本呈線性關(guān)系，使讀數(shù)更準確。
還需說明，由于管壁內(nèi)渦流是由內(nèi)向外衰減的，還要考慮到探頭填充系數(shù)的變化，因此對于列管內(nèi)壁腐蝕減薄（內(nèi)徑增大，填充系數(shù)減小）和外壁腐蝕減薄，其渦流變化是不同的，因此對上述兩種情況，需要分別制作對比樣管。
2，影響檢測的因素
在實際檢測中，凡是能影響探頭阻抗變化的一切外部因素都會影響檢測結(jié)果。例如被測管的材質(zhì)差異，熱處理狀態(tài)不同，尺寸變化，探頭與管間隙大小，周圍電磁場影響，環(huán)境溫度變化，儀器零點漂移，電源的較大波動等。
在以上諸多因素中，若選定了穩(wěn)定的儀器和探頭，并保證被測管材質(zhì)規(guī)格與對比樣管完全一致（甚至要求被測管與對比樣管為熱處理為同一爐批號），則影響測厚精度的主要原因就是環(huán)境的影響。而環(huán)境溫度的變化又是很重要又常被忽略的因素，本文著重討論溫度對測厚精度的影響及解決方法。
3，探頭的阻抗
   檢測探頭實際上是一個繞制在尼龍骨架上的線圈，由高強度漆包線繞制。其交流阻抗由電阻、感抗和容抗三部分組成，由于線圈的分布電容很小，一般忽略不計，因此阻抗由電阻和感抗矢量相加而成。
  其幅值為 ： Z  =  
以上只是線圈本身的阻抗，稱為空載阻抗。在實際檢測中，線圈中通有交流電流，通過電磁感應(yīng)，在被測管中也產(chǎn)生渦流，相當于變壓器的次級線圈，通過電磁耦合也會對原線圈產(chǎn)生影響，使原線圈的阻抗發(fā)生變化，得到視在阻抗，詳見下式：
    Z =R1+  +J［ －  ］
從式中可看出，線圈在空氣中時表現(xiàn)出空載阻抗，插入被測管后，由于渦流的影響使其阻抗中的電阻分量增加，而電感分量減小，阻抗圖上由P。點變?yōu)镻1點。詳見下圖：
           
上式表明了渦流對檢測線圈阻抗的影響。但由于式中的許多量無法準確得出，故在實用中視在阻抗無法準確計算。我們通過對實際探頭的準確測試，可知上式中的視在阻抗與線圈的空載阻抗實際上相差很小，即有了渦流的影響，只使原線圈阻抗改變了約0.5%~2% 。因此在對探頭進行分析計算時，仍可采用線圈的空載阻抗。
4，橋路輸出的靈敏度
  根據(jù)對電橋線路的分析，當橋路兩臂平衡時，其輸出為零。當某一臂阻抗變化時，橋路失去平衡，有電壓信號輸出，經(jīng)放大檢波等處理即可送去顯示。
具體計算及分析如下：
                                   
如右圖，在無缺陷時電橋應(yīng)平衡：（式中Z為復(fù)數(shù)，下同）
      
  若Z3（檢測線圈）遇到缺陷，則變?yōu)閆3+ Z3，則電橋不平衡，輸出為
Ucd=Uac－Uad
  Ucd=[ － ]?E
化簡后，令     A稱為橋路比
        令K=      K稱為橋臂系數(shù)
        令  =    阻抗的相對變化量
則有   
由計算得知，信號輸出取決于三個因素：
a、        電源電壓 ，即儀器施加到橋路上的電壓，當儀器選定參數(shù)設(shè)定后這一項不變。
b、        檢測線圈的阻抗相對變化率  ，當被測管壁厚減薄一定時，取決于線圈本身及與被測管的耦合情況：即當壁厚變化引起的線圈阻抗變化量一定時，若線圈阻抗 適當小一些，則 較大，靈敏度較高；同時填充系數(shù) 越大越好。
c、        取決于橋臂系數(shù)
對復(fù)數(shù) 進一步分析如下：
  
式中  是 的幅值
      － =  是 的相角
      為幅值    為相角


可看出：當 （等臂電橋）時， 取得極大值。
因檢測線圈為感性負載，故 取值在－90°～0°之間。
進一步分析表明，當線圈阻抗與橋路平衡電阻相等時，輸出達到極大值，當然還應(yīng)考慮阻抗的性質(zhì)影響，并且這里所說的線圈阻抗應(yīng)為視在阻抗。

在實際的線圈繞制和反復(fù)的測試實驗中，我們發(fā)現(xiàn)片面追求靈敏度沒有好處，只要能對標樣管的不同壁厚值能明顯區(qū)分即可，否則又會帶來其它的不利影響（例如干擾信號增大和儀器的零點漂移嚴重）。因此，一般線圈的阻抗都小于平衡電阻，這樣線圈的溫度穩(wěn)定性會提高，同時， 和 較小也會使渦流引起的線圈阻抗變化率 較大，有利于提高靈敏度。
三、環(huán)境溫度的影響
   對于自比較式檢測線圈（探傷探頭）來說，由于兩個線圈靠在一起，線圈本身又參數(shù)相同，因而環(huán)境溫度的影響是相互抵消的。但對于外比較式測厚線圈來說，由于參考探頭放在標樣管中， 而檢測探頭要插入被測管，在一般情況下影響不大，但有時因設(shè)備停車不久，溫度沒降下來，致使檢測探頭的溫度高于參考探頭；或由于寒風吹而使置于管內(nèi)的檢測探頭溫度低于參考探頭，這都將給檢測帶來很大誤差，甚至由于光點迅速漂移而根本無法檢測。見下圖



我們在現(xiàn)場的實際檢測中已多次遇到這種情況，這時僅靠調(diào)節(jié)儀器平衡是沒用的，必須從探頭上找原因。
1，        分析
從前面分析可知，線圈的阻抗由感抗和純電阻組成，其中感抗ωL與線圈的形狀尺寸和頻率有關(guān)，溫度變化對它不會造成影響，而檢測線圈是用紫銅漆包線繞制而成，漆包線的電阻由線徑、長度和電阻率決定，而電阻率會因溫度的變化而變化，即由電阻溫度系數(shù)決定：
　
式中 為銅的電阻溫度系數(shù)，其值為   1/oC
當環(huán)境溫度變化時，線圈的電阻也會發(fā)生變化，若參考線圈和檢測線圈處于不同的溫度下，其電阻也不同，因而兩線圈的阻抗也會發(fā)生變化，經(jīng)過放大后，就會產(chǎn)生測量誤差。
例如：某探頭線圈的阻抗值為50 歐姆，其中純電阻為30歐姆，當環(huán)境溫度變化5℃，電阻就會變化0.6歐姆，總阻抗就會變化1.5％，幾乎相當于管壁厚度變化引起的探頭阻抗改變，經(jīng)放大后，平衡點就會發(fā)生明顯偏移。
2，        改進設(shè)計
檢測時盡可能保證檢測線圈與參考線圈所處的環(huán)境溫度相同，這樣可將溫度的影響減到最小。在無法消除溫度差時，就應(yīng)從根本上改進探頭設(shè)計，使之對環(huán)境的溫度變化不敏感，從而保證檢測的順利進行。
線圈的阻抗是由感抗和電阻疊加而成，受溫度影響的只是純電阻部分，因此，改進設(shè)計的關(guān)鍵是既要保證線圈有足夠的阻抗值，又要使純電阻盡量小，也即盡量提高線圈的品質(zhì)因數(shù)，使 Q值 越大越好，使阻抗矢量盡可能靠近縱軸。
減小純電阻的措施有：適當增大漆包線線徑；減少漆包線長度（減少線圈圈數(shù)n）。但減小線圈的圈數(shù)，同時也會使線圈的阻抗明顯減小（因線圈的電感與圈數(shù)的平方成正比）。為了保證電感不會明顯減小，一個有效的辦法是線圈內(nèi)加鐵芯，可用鐵氧體或純鐵制作鐵芯，通電后因磁通大大增加，從而使線圈的電感增加，導(dǎo)致阻抗增加，而線圈的純電阻并不增加，一般能使阻抗增大6～10倍。這就能有效地增大線圈的品質(zhì)因數(shù)。
關(guān)于探頭的外引線電阻也不可忽視，若被測管較長，引線電阻也會有明顯影響，我們在制作探頭時，往往將屏蔽電纜的雙股芯線并聯(lián)使用，可使截面積增大一倍，有效降低了這個電阻。
實例計算：
探頭1：      
      
     品質(zhì)因數(shù) Q=0.55
探頭2：        
      
     品質(zhì)因數(shù) Q=1.88
當檢測探頭與參考探頭溫度相差5℃時，
         
對于探頭1：      
對于探頭2：      
可見，由于探頭的設(shè)計不同，品質(zhì)因數(shù)不同，對同樣的溫度變化，探頭2的影響僅為探頭1的1/20 。這就大大提高了探頭的溫度穩(wěn)定性。
3，        檢測操作時的改進
通常檢測時，檢測儀器和參考探頭放在設(shè)備外面，而檢測探頭必須放在被測管內(nèi)，這就不可避免帶來了溫度差異，給檢測帶來誤差。因此，若有可能，應(yīng)將儀器放在設(shè)備內(nèi)部，力求檢測探頭和參考探頭所處的環(huán)境溫度一致，減少溫度的影響。
4，        實驗室測試
探頭改進前參數(shù)：
L=4.10mH  R=49.88Ω

將探頭加熱到不同的溫度并測出其電阻值的變化，結(jié)果如下：
t1=23℃  t2=49℃  R1=50.10Ω R2=54.30Ω   ΔR=4.2Ω
取Δt=10℃來對比計算，則ΔR10=1.6154Ω
因線圈的電感不隨溫度而改變，由此引起的線圈阻抗變化為:
ΔZ10=1.441Ω   ΔZ10/Z0=0.02567  引起的電壓變化為11.809mv
實測檢測線圈的空載電壓為447.5mv 在標準壁厚下電壓為460.0mv，每個壁厚臺階（0.5mm）引起的電壓變化為1.0mv。
由上面比較可知，探頭溫度變化10℃引起的漂移量約相當于一個壁厚臺階變化的12倍！即使溫度只變化1℃（這是經(jīng)常遇到的），由此引起的漂移量也超過一個大壁厚臺階的變化量，達到0.7mm之多。這將使檢測根本無法進行。
同樣，對我們研制的新探頭也進行了同樣的測試，結(jié)果如下：
探頭改進前參數(shù)：
L=1.032mH   R=3.41Ω  Z0=7.323Ω
將探頭加熱到不同的溫度并測出其電阻值的變化，結(jié)果如下：
t1=23℃  t2=52℃  R1=3.45Ω R2=3.58Ω   ΔR=0.13Ω
取Δt=10℃來對比計算，則ΔR10=0.0448Ω
   由此引起的線圈阻抗變化為:
ΔZ10=0.021Ω   ΔZ10/Z0=0.0028676  引起的電壓變化為0.255mv
實測檢測線圈的空載電壓為93.1mv 在標準壁厚下電壓為89.4mv，每個壁厚臺階（0.5mm）引起的電壓變化為0.2mv。

由上面比較可知，探頭溫度變化10℃引起的漂移量約相當于一個壁厚臺階變化量，即約為0.5mm。即在同樣條件下，改進后的探頭由溫度變化引起的漂移量只是原來舊探頭的1/12。大大提高了探頭的溫度穩(wěn)定性。在實際檢測中，溫度突變1℃，漂移量小于0.05mm，在檢測許可范圍內(nèi)。完全不會影響正常的檢測。

總之，按照上述分析，我們改進了各種不同規(guī)格的測厚探頭共16只，經(jīng)現(xiàn)場使用證明效果良好，在環(huán)境溫度變化劇烈時，基本不會對檢測數(shù)據(jù)造成影響，保證了測厚數(shù)據(jù)的準確性，提高了檢測速度。
四、抑制溫度效應(yīng)的最新進展
綜上所述，由于改變了探頭的技術(shù)參數(shù)，使它的溫度穩(wěn)定性大大提高，但從檢測原理上講還是測量交流電橋的阻抗變化，因此從根本上還不能完全擺脫溫度變化帶來的影響。為此，我們又對渦流檢測的原理進行了深入分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一種全新的檢測理念，徹底拋棄了橋路原理，采用A-B型探頭專門用來進行測厚,從而徹底抑制了溫度變化帶來的誤差。
其原理線路如下圖：

該探頭的檢測結(jié)構(gòu)圖如下：







在探頭的激勵線圈中通以一定功率的交變電流，在被測管中就會感應(yīng)出渦流，從而在檢測線圈中感應(yīng)出交變電壓，當被測管壁厚發(fā)生變化時，渦流的變化也會影響到檢測線圈感應(yīng)電壓的變化，將這一變化電壓放大輸出就可測出管壁厚度的變化。
檢測線圈的感應(yīng)電壓如下：
根據(jù)電磁感應(yīng)定律，檢測線圈感應(yīng)電壓為   ，經(jīng)推導(dǎo)后可得到：
     （空心線圈 ）
取幅值   
     
  
所以，最大值   伏
式中： E～檢測線圈的感應(yīng)電壓  伏特
       f ～激勵電流頻率  Hz
       n ～檢測線圈圈數(shù)
       D ～檢測線圈有效直徑  cm
       H ～檢測線圈處的有效磁場強度  奧斯特
根據(jù)公式進行分析，當儀器選定，探頭也選定以后，只有磁場強度 為變量，它主要受到儀器檢測頻率、輸出功率和被測管有效電導(dǎo)率的影響。當儀器檢測頻率及輸出功率選定后，基本只受到管壁厚度變化的影響。當壁厚增加時，管壁內(nèi)的渦流加強，消耗的電磁功率較大，因而檢測線圈的感應(yīng)電壓就減小，反之，當壁厚減小時，管壁內(nèi)渦流強度減弱，檢測線圈的感應(yīng)電壓就增大，因此，線圈電壓的變化就反映了管壁厚度的變化。這就是采用A-B型探頭測管壁厚度的基本原理。
溫度的影響：環(huán)境溫度的變化（在儀器的正常使用范圍內(nèi)）只會影響檢測線圈銅線的電阻率，從而影響線圈的電阻值和總阻抗但并不會直接影響到激勵線圈的磁場強度，從上述公式中也可看出，等式右端并沒有出現(xiàn)電阻 ，因此，檢測線圈電壓的改變也基本不會受到溫度變化的影響，這就是這種A-B型探頭能夠不受溫度變化的影響的理論基礎(chǔ)。

檢測靈敏度分析
由上式分析，影響檢測靈敏度的因素主要有以下幾個：
1、檢測頻率f   適當增大激勵頻率可提高靈敏度，但頻率過高會使渦流的滲透深度降低，同時使檢測厚度的線性變差。
2、線圈圈數(shù)n  增加線圈圈數(shù)可有效增加靈敏度，但受結(jié)構(gòu)影響這也是有限度的。
3、檢測線圈平均直徑D  受到被測管內(nèi)徑的限制，還要考慮探頭耐用性，線圈的最大外徑必須要小于探頭外徑。
4、磁場強度H   增大激勵線圈的輸出功率，可以使磁場強度增加，從而可增加靈敏度，但實際上相對于一定的壁厚變化，所引起的磁場變化ΔH才是提高靈敏度的決定因素，單純增大H，并不能保證ΔH有效增大。
綜上所述，片面追求增大靈敏度沒有必要，只要相對于一定的管壁厚變化能得到一個穩(wěn)定的電壓輸出，且線性度也好即可。




實際測試：
1、        探頭參數(shù)
幾何參數(shù)：  如下圖：

2、測試儀器：
ET-556H型電腦渦流檢測儀
3、測試標樣管：
材料 25-22-2不銹鋼  壁厚值  2.5-2.0-1.5  mm
4、儀器參數(shù)：
頻率f=2.5KHz  增益G=30   相位P=10  濾波N=10  
5、參數(shù)測試：
當激勵頻率分別為2.5K和5.0KHz時，測試檢測線圈在不同壁厚值下的電壓值變化情況（未經(jīng)放大）如下：
                單位：  mv      
壁厚值mm        空 載        2.5mm        2.0mm        1.5mm
f = 2.5KHz        84.0        82.3        82.8        83.3
F= 5.0KHz        167.2        157.0        159.8        162.5

由以上測試結(jié)果可看出：
1）        檢測線圈的感應(yīng)電壓隨壁厚值的減小而均勻增加，且與壁厚變化成線性關(guān)系。
2）        空載時因沒有渦流存在，其感應(yīng)電壓為最大。
3）        在一定范圍內(nèi)，當激勵頻率提高時，可有效地提高檢測線圈的輸出電壓，且電壓與頻率成線性關(guān)系。事實上這已清楚地反映在上述公式中。
4）        實驗室測試
a)        在室溫下測試：對不同的管壁厚度值可得到明顯的信號輸出，且線性度良好。如下圖：

                    

5）        溫度變化時測試：將探頭放入溫水中，對同樣的標樣管測試，可看出當壁厚不變時，儀器輸出信號也不改變，仍為一條直線，說明溫度的變化對測試結(jié)果沒有任何影響。
測試數(shù)據(jù)如下：   （f=2.5KHz）        單位： mv
        空載        壁厚2.5mm        壁厚2.0mm        壁厚1.5mm
T1=15℃        83.8        82.2        82.7        83.2
T2=25℃        83.8        82.2        82.7        83.1













可以看出，在儀表測量誤差內(nèi)，檢測線圈電壓基本沒有變化。阻抗圖的變化如下：
    由以上三幅圖形可清楚地看出：
改進前的老探頭，當溫度變化時光點的漂移量非常大，實際上檢測根本無法進行。
改進后的探頭當溫度變化同樣數(shù)值時，阻抗平衡點仍有微小的變化，也即溫度對檢測有影響但不大，可以保證在允許的誤差范圍之內(nèi)。
A-B 型探頭當溫度變化時光點沒有任何可察覺的變化，也即溫度的變化對壁厚測量沒有任何影響。
說明：以上三幅圖形為了便于比較，溫度變化選定為10℃，實際上是不可能達到這樣大的。
5) 現(xiàn)場應(yīng)用效果
改進前的探頭由于現(xiàn)場的微小溫度變化就會帶來較大誤差，因而實際上在現(xiàn)場無法使用。
采用最新型的A-B探頭，由于從原理上擺脫了溫度的影響，又因為它不需要參考探頭，也減小了不必要的干擾，因而在各種不同的檢測環(huán)境下都能地進行檢測且得到的數(shù)據(jù)都準確可靠。
經(jīng)改進后的橋路探頭由于對溫度變化不敏感，在一般的檢測環(huán)境下都能夠正常使用，即使在較特殊的大溫差環(huán)境下，只要采取一些特定措施，也能把溫度效應(yīng)減到最小，完全能夠滿足現(xiàn)場的使用。

向樓主問好，多謝你上次的電話答復(fù)！

汪工，您好，您發(fā)的帖子中的圖片看不到啊

yanyingjuanli 發(fā)表于 2014-11-13 23:11
汪工，您好，您發(fā)的帖子中的圖片看不到啊

傳不上去

汪工，請教您一個問題，我看到一些教材上寫到：“電導(dǎo)率和頻率對阻抗的影響是一致的，即電導(dǎo)率增加導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向下移動，頻率增加也導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向下移動。”但又看到說：“電導(dǎo)率增加導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向下移動，頻率增加也導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向上移動。”請您幫忙看一下這兩種說法哪個正確？謝謝

汪工，請教您一個問題，我看到一些教材上寫到：“電導(dǎo)率和頻率對阻抗的影響是一致的，即電導(dǎo)率增加導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向下移動，頻率增加也導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向下移動。”但又看到說：“電導(dǎo)率增加導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向下移動，頻率增加也導(dǎo)致阻抗沿阻抗平面分析圖沿切線向上移動。”請您幫忙看一下這兩種說法哪個正確？謝謝

f/fg∝σ，這里只是因為fg∝1/σ，所以f對阻抗的影響與σ對阻抗的影響是一直的。

初學(xué)者報道

初學(xué)者報道

汪冬兵 發(fā)表于 2014-11-19 08:32
f/fg∝σ，這里只是因為fg∝1/σ，所以f對阻抗的影響與σ對阻抗的影響是一直的。 ...

謝謝汪工的答復(fù)，那就是說電導(dǎo)率增加或者試驗頻率增加，都會導(dǎo)致阻抗值沿曲線切線向下移動。