高速漏磁检测中的速度效应及信号补偿
    

1引言

漏磁检测法是对铁磁性材料进行无损检测的主要方法之一,因其具有对检测环境要求低、可进行快速在线检测、对多种缺陷都可进行有效识别等优点,在管材、板材、钢丝绳、铸件等的检测领域被广泛应用,尤其在地下油气管道的检测方面占有重要地位。在地下油气管道的检测中,漏磁检测装置依靠介质压力在管道中运动。由于管道是弯曲的,且有弯头、三通等连接部分,所以漏磁检测装置的运行速度变化很大,有时必须在较高的速度下运行。在这种情况下,因运动速度较高而产生的涡流将会导致漏磁检测信号变形,从而对缺陷的定量检测造成不利影响[1][2]。

2漏磁检测中的速度效应

2.1速度效应的原理

在漏磁检测过程中,漏磁检测设备运动速度的增加引起磁极附近的感应涡流,涡流引起的磁场叠加在原有磁场上,使原有漏磁场发生了改变。在静态下,不考虑速度因素,由Maxwell方程推导出的磁场微分方程为:

由于在实际在线检测过程中设备是运动的,因此必须考虑速度因素的影响,此时的磁场微分方程变为:

在高速检测情况下,方程(2)右端的后两项反映了检测速度对检测信号影响,其中方程(2)右端第二项体现磁矢势变化感应的涡流,其大小同磁矢势变化频率成比例;第三项体现出速度感应的涡流,其大小同速度及磁场强度成比例。这两项直接影响了漏磁检测信号[3]。

2.2高速漏磁检测信号的分析

2.2.1信号基线的变化

随着检测速度的增加,霍尔传感器输出信号的基线幅值发生了改变。图1所示为不同检测速度下不同放大倍数的霍尔传感器输出信号的基线变化情况。由于霍尔传感器安放方向的不同,径向信号和轴向信号的基线一个呈上升趋势,一个呈下降趋势,变化都非常明显,其中径向信号变化幅度大于轴向信号的变化幅度。对于放大倍数较大的传感器,其基线变化就更加显著。

基线的漂移引起漏磁检测信号的失真,对径向漏磁检测信号的影响更加明显。随着速度的提高,信号的下半部失真越来越严重。当检测速度达到4.5m/s以上时,放大倍数较大的传感器输出的径向信
号已达极限,漏磁信号产生了严重失真,如图2所示。这样的信号已无法进行缺陷的识别与检测。

2.2.2漏磁信号形状的变化

随着速度的增加,漏磁信号的形状也有较明显的变化。由图3可见,轴向和径向漏磁信号的幅值在高速时都有所减少,信号的前后沿坡度变小,且信号峰值的位置发生偏移。由于缺陷的识别和检测依赖信号的幅值和形状,信号幅值的减小影响了对缺陷深度的检测,信号形状的变化影响了对缺陷形状的检测。

2.2.3速度效应对不同深度缺陷漏磁信号的影响

速度效应对漏磁信号的影响随缺陷深度的不同而变化。由图4可知,随着缺陷深度的减少,速度效应的影响越来越大:漏磁信号的幅值更小,形状畸变得更严重。所以,深度较浅的缺陷的漏磁场比较深的缺陷的漏磁场更易被影响,在高速检测的情况下,浅缺陷的检测更加困难。

3基于维纳滤波的信号补偿

3.1维纳滤波

维纳滤波是对平稳时间序列进行平滑和预测的一种方法。它用最小均方误差准则设计一个线性时不变的滤波算子,可以从被干扰的信号中最佳估计出源信号,是反卷积和信号复原的常用技术[4]。为了克服速度效应带来的影响,除了在磁路设计和电路设计上进行改进外,利用补偿算法对变形的漏磁信号进行补偿,也是提高检测精度的一种有效手段。在漏磁信号的补偿算法中,用一组已知的高速漏磁信号x(n)和低速漏磁信号s(n) ,由维纳-霍夫方程即可得到维纳滤波器的冲激响应,标准的维纳-霍夫方程如式(3)所示。

式中Rsx(m)—s(n)与x(n)的互相关函数

Rxx—x(n)的自相关函数

对(3)式进行z变换得

H(z) =Sxp(z)/Sxx(z) (4)

式中Sxp—自功率谱密度

Sxx—互功率谱密度

这就得到了非因果IIR维纳滤波器的转移函数。由于非因果滤波器不是物理可实现的,所以需设计因果滤波器。将Sxx(z)分解为

Sxx(z) =Sxx+(z)Sxx-(z) (5)

式中Sxx+(z)—包括Sxx(z)在单位圆内的所有极点和零点

Sxx-(z)—包括Sxx(z)在单位圆外的所有极点和零点则因果IIR维纳滤波器的转移函数由下式给出H(z) =1Sxx+(z)Sxp(z)Sxx-(z)+(6)

这样由该维纳滤波器就可以将同样速度下发生畸变的漏磁信号转变为正常的信号,从而保证了缺陷定量检测的精度

3.2基于维纳滤波的信号补偿结果

图5所示为宽度为2 cm、深度为50%的缺陷的径向漏磁检测信号,可以看出,补偿前后的信号相差较大。在速度为4 m/s时,信号的基线很低,信号的峰-峰值和信号的前后沿坡度较小。补偿后基线恢复到正常值,信号幅值及形状与正常信号基本一致。因速度效应而畸变的漏磁信号得到了很好的补偿。由图6可知,严重失真的径向漏磁信号经补偿后也可以正确地反映被检测缺陷的参数信息。

4结论

随着漏磁检测装置速度的增加,漏磁检测中的速度效应越来越明显,使得漏磁信号发生基线漂移、幅值减小、形状畸变等变化,这些变化直接影响了缺陷的识别与检测。通过基于维纳滤波的信号补偿算法,因速度效应而畸变的漏磁信号得到了很好的补偿,其形状与正常信号基本一致,可以正确地反映被检测缺陷的参数信息。

摘自:中国计量测控网


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    收录时间:2016年12月29日 13:58:40 来源:国家标准物质网 作者:匿名
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