CN112197685A

CN112197685A - 一种基于动生涡流的金属管壁厚测量方法及装置

Info

Publication number: CN112197685A
Application number: CN202011056669.4A
Authority: CN
Inventors: 冯搏; 康宜华; 邱公喆
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-01-08

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，并具体公开了一种基于动生涡流的金属管壁厚测量方法及装置，其包括如下步骤：S1、使多个不同壁厚的标准金属管以标定速度通过恒定磁场，在恒定磁场作用下，金属管壁内产生动生涡流，该动生涡流会产生涡流磁场，该涡流磁场与恒定磁场叠加形成叠加磁场，分别测得各标准金属管对应的叠加磁场值；S2、根据标准金属管壁厚及其对应的叠加磁场值，拟合得到叠加磁场关于壁厚的拟合函数；S3、将待测金属管以标定速度通过所述恒定磁场，测得其对应的叠加磁场值，进而根据所述拟合函数得到待测金属管壁厚。本发明基于动生涡流效应对金属管壁厚进行检测，特别适用于金属管高速检测环境，且检测结果准确。

Description

一种基于动生涡流的金属管壁厚测量方法及装置

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更具体地，涉及一种基于动生涡流的金属管壁厚测量方法及装置。

背景技术

金属管作为生产建设的重要材料，被广泛用于工业生产和市政建设中。受目前轧管工艺限制，生产的金属管可能出现壁厚不均的问题。由于金属管在生产过程中要经过定径的过程，因此其外径变化较小，壁厚不均主要由金属管内壁变化导致。为了保证产品质量和使用时的安全性，金属管在出厂前需要进行壁厚测量。

常规壁厚测量方法主要包括压电超声、电磁超声、射线和脉冲涡流法，但现有测厚方法的检测速度都受到各自检测机理的限制，无法实现对金属管的高速、准确测厚。随着金属管需求量的加大和生产节奏的加快，测厚速度无法跟上生产速度的矛盾日益凸显。因此，亟需一种能够解决金属管高速测厚难题的方法和装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于动生涡流的金属管壁厚测量方法及装置，其目的在于，基于动生涡流效应，使金属管在电磁铁产生的磁场中运动，从而产生涡流，根据动生涡流产生的磁场对壁厚进行检测；由于动生涡流强度随金属管运动速度的增大而增大，因此本发明尤其适用于金属管高速检测环境。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，包括如下步骤：

S1、使多个不同壁厚的标准金属管以标定速度通过恒定磁场，在恒定磁场作用下，金属管壁内产生动生涡流，该动生涡流会产生涡流磁场，该涡流磁场与恒定磁场叠加形成叠加磁场，分别测得各标准金属管对应的叠加磁场值；

S2、根据标准金属管壁厚及其对应的叠加磁场值，拟合得到叠加磁场关于壁厚的拟合函数；

S3、将待测金属管以标定速度通过所述恒定磁场，测得其对应的叠加磁场值，进而根据所述拟合函数得到待测金属管壁厚。

作为进一步优选的，所述恒定磁场的磁场值大于1.5T。

作为进一步优选的，所述标定速度为6m/s～10m/s。

作为进一步优选的，所述标准金属管、待测金属管在恒定磁场中螺旋前进。

作为进一步优选的，所述步骤S2中，通过分段线性拟合得到叠加磁场关于壁厚的拟合函数。

作为进一步优选的，检测叠加磁场值时，在不同位置进行多次测量，从而拟合得到不同位置的多个拟合函数，进而得到多个待测金属管壁厚，对其取平均值，得到最终待测金属管壁厚。

作为进一步优选的，根据6～10个不同壁厚的标准金属管及其对应的叠加磁场值，拟合得到叠加磁场关于壁厚的拟合函数。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述基于动生涡流的金属管壁厚测量方法的测量装置，包括直流电源、电磁铁、V型轮、磁传感器，其中：

所述直流电源与所述电磁铁相连，用于为电磁铁提供恒定电压，进而使电磁铁产生恒定磁场；所述V型轮用于带动金属管通过所述恒定磁场；所述磁传感器设置在所述电磁铁和金属管之间，用于检测涡流磁场与恒定磁场叠加形成叠加磁场。

作为进一步优选的，所述V型轮在水平面上与金属管前进方向呈一定角度，使得金属管在V型轮的作用下螺旋前进。

作为进一步优选的，还包括瓦状支架，该瓦状支架形状与金属管外表面贴合，且多个磁传感器呈矩形阵列布置在该瓦状支架上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明基于动生涡流效应，当金属管在电磁铁产生的非均匀磁场中运动时，金属管中的电子受洛伦兹力作用而产生运动，从而产生涡流。当金属管壁厚恒定时，管壁内的涡流处于似稳态，位于管壁上方的阵列磁传感器将拾取到稳定的磁场信号；当出现壁厚不均时，金属管壁厚出现变化，从而影响动生涡流分布和相应的磁场分布。本发明提供的测厚方法与脉冲涡流测厚法相比，类似之处在于两种方法都是通过磁传感器拾取涡流产生磁场对壁厚进行评估，但在激励方式上，脉冲涡流测厚法通过给激励线圈施加周期***变电流的方式在被测试件中产生涡流，而本发明给激励线圈施加的是直流电，是通过金属管在磁场中的运动进行涡流的自激发。因此基于动生涡流强度随金属管运动速度的增大而增强，本发明尤其适用于高速检测环境，例如热轧钢管生产线。

2.本发明设定恒定磁场的磁场值大于1.5T，以产生较大的动生涡流和较大的检测信号，从而提高壁厚检测精度；同时根据电磁学理论，动生涡流的强度与金属管运动速度呈正相关变化，因此增加金属管运动速度将有利于壁厚测量，但若速度过大，金属管在前进时将会有较大的抖动，从而影响传感器和管壁之间的距离，进而影响信号，综合考虑两方面的影响，将壁厚测量时金属管前进速度设定为6m/s～10m/s。

3.本发明检测叠加磁场值时，通过磁传感器矩形阵列在不同位置进行多次测量，拟合得到不同位置的多个拟合函数，进而得到多个待测金属管壁厚，取平均值得到最终壁厚，采用阵列传感器能获得不同空间位置的磁场对壁厚的表征，每个传感器测得的磁场变化都能反映壁厚值的变化，通过多传感器数据的融合，能提升壁厚评估精度；同时通过分段线性拟合得到拟合函数，能够较准确反映磁场随壁厚的变化规律，且用于标定的标准管越多拟合结果越准确，考虑到经济成本，采用6～10个金属管进行标定。

4.本发明通过V型轮带动金属管运动，并使V型轮在水平面上与金属管前进方向呈一定角度，从而使金属管在V型轮的作用下螺旋前进，以贴合实际工况，可以在保证加工精度的同时直接在产线上进行壁厚测量，进一步加快检测速度，增强自动化程度。

5.由于涡流产生的磁场随距离的增大而减小，因此需尽量减小磁传感器与金属管表面的距离，以减小提离效应影响，本发明设置形状与金属管外表面贴合的瓦状支架来放置磁传感器矩形阵列，使瓦状支架内径与金属管外径相一致，以保证传感器到金属管表面的距离最小。

附图说明

图1为本发明实施例基于动生涡流的金属管壁厚测量装置示意图；

图2为本发明实施例传感器检测到的磁场随壁厚变化的拟合曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-线圈，2-铁芯，3-瓦状支架，4-磁传感器，5-待测金属管，6-V型轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于动生涡流的金属管壁厚测量装置，如图1所示，包括直流电源、电磁铁、V型轮6、磁传感器4、瓦状支架3，其中：

所述电磁铁包括铁芯2和缠绕在铁芯2上的线圈1，所述直流电源与线圈1相连，用于为线圈1提供设定电压，在检测过程中保持电压恒定，由此产生空间恒定磁场，而铁芯2能对线圈1产生的磁场进行增强；

多个V型轮6沿直线布置，并与电机相连，用于带动金属管通过所述恒定磁场；进一步的，所述V型轮6在水平面上与金属管前进方向呈一定角度，使金属管在V型轮6的作用下螺旋前进，通过恒定磁场区域；

多个磁传感器4呈m×n的矩形阵列布置在瓦状支架3上，用于检测金属管产生的涡流磁场与恒定磁场叠加形成叠加磁场；所述瓦状支架3设置在所述电磁铁和金属管之间，瓦状支架3形状与金属管外表面贴合，其内径应与金属管外径相一致，以保证磁传感器4到金属管表面的距离最小。

上述测量装置工作时，将金属管置于V型轮上，当V型轮与钢管前进方向呈一定角度时，能够带动被测金属管螺旋前进，穿过电磁铁产生的直流磁场区域。根据电磁学理论，当金属管在磁场中运动时，管壁内将产生动生涡流，涡流强度为J＝v×B，其中，v为金属管相对电磁铁的运动速度，B是空间磁感应强度，可见动生涡流强度随金属管运动速度的增大而增强，相应的动生涡流产生的磁场和传感器拾取到的信号也随之增大。因此，动生涡流法将尤其适用于高速运动的导体材料的测厚。

根据上述原理，进行金属管壁厚快速测量时，具体包括如下步骤：

S1、通过电磁铁在空间激励恒定磁场；

S2、利用V型轮以标定速度带动壁厚为T₁的标准壁厚金属管通过恒定磁场，在恒定磁场作用下，金属管壁内产生动生涡流，该动生涡流会产生涡流磁场，该涡流磁场与恒定磁场叠加形成叠加磁场，阵列磁传感器该叠加磁场，得到壁厚T₁时各个磁传感器测得的磁场值B_mn(T₁)；

S3、用不同壁厚(T₂,T₃,T₄…)的标准金属管重复步骤S2，得到不同壁厚时各个磁传感器磁场随壁厚的变化规律，进而通过分段线性拟合方式得到磁场关于壁厚的拟合函数B_mn＝f(T)，如图2所示。

S4、用所述V型轮以标定速度带动待测金属管5通过所述恒定磁场，当壁厚出现波动时，每个磁传感器检测到的磁场均发生变化，通过阵列磁传感器测得其对应的叠加磁场值，进而根据拟合函数B_mn＝f(T)得到壁厚值，如当测得的磁场为B时，在图2所示的拟合曲线找到对应的壁厚值T_x，T_x即为该传感器对待测金属管壁厚评估的结果；对阵列中的每个传感器分别执行上述操作，可分别得到各个传感器的壁厚评估值；最后，对所有传感器的壁厚评估值取平均，得到待测金属管5壁厚值。

进一步的，所述恒定磁场的磁场值大于1.5T，所述标定速度为6m/s～10m/s。

进一步的，选取标准管的壁厚范围应覆盖待测管的壁厚，同时，用于标定的标准管越多拟合结果越准确，考虑到经济成本，采用6～10个不同壁厚的标准金属管进行标定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，其特征在于，所述恒定磁场的磁场值大于1.5T。

3.如权利要求1所述的基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，其特征在于，所述标定速度为6m/s～10m/s。

4.如权利要求1所述的基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，其特征在于，所述标准金属管、待测金属管在恒定磁场中螺旋前进。

5.如权利要求1所述的基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过分段线性拟合得到叠加磁场关于壁厚的拟合函数。

6.如权利要求1所述的基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，其特征在于，检测叠加磁场值时，在不同位置进行多次测量，从而拟合得到不同位置的多个拟合函数，进而得到多个待测金属管壁厚，对其取平均值，得到最终待测金属管壁厚。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于动生涡流的金属管壁厚测量方法，其特征在于，根据6～10个不同壁厚的标准金属管及其对应的叠加磁场值，拟合得到叠加磁场关于壁厚的拟合函数。

8.一种用于实现如权利要求1-7任一项所述基于动生涡流的金属管壁厚测量方法的测量装置，其特征在于，包括直流电源、电磁铁、V型轮(6)、磁传感器(4)，其中：

所述直流电源与所述电磁铁相连，用于为电磁铁提供恒定电压，进而使电磁铁产生恒定磁场；所述V型轮(6)用于带动金属管通过所述恒定磁场；所述磁传感器(4)设置在所述电磁铁和金属管之间，用于检测涡流磁场与恒定磁场叠加形成叠加磁场。

9.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述V型轮(6)在水平面上与金属管前进方向呈一定角度，使得金属管在V型轮(6)的作用下螺旋前进。

10.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，还包括瓦状支架(3)，该瓦状支架(3)形状与金属管外表面贴合，且多个磁传感器(4)呈矩形阵列布置在该瓦状支架(3)上。