涡流测厚探头的温度影响及对策研究

涡流测厚探头的温度影响及对策研究
汪冬兵
(南京优悦科技有限公司，  江苏南京甘家巷400号，210033)

摘要： 对在用冷换设备管束进行涡流检测，管壁测厚目前在各种标准中都没有具体要求。其精确度的影响因素较多，温度影响是最难消除的因素之一。我们通过理论分析并通过大量实践改进，完全消除了这一关键问题。
关键词：换热管束   涡流测厚   温度影响    检测探头
一、前言
在冷换设备列管的在役检测中，虽然JB4730和ASME标准中都对涡流探伤制订了验收和技术要求，但并没有对涡流测厚进行要求。而冷换设备换热管束腐蚀减薄确是一直存在的腐蚀问题。对此，我们经过二十多年的检测工作，已将涡流测厚技术掌握并发展较为成熟。由于涡流测厚检测速度快，测量精度高，并能立刻给出检测结果，尤其适用于换热器列管数量多，停车时间短的特点，因而得到了较为广泛的应用。
就涡流测厚原理来说，其与一般的涡流探伤实质上是完全一样的。因此一般的多功能涡流检测仪也完全适用。所不同的是采用的检测参数和所用的检测探头不同。检测参数可随时调节，但检测探头必须要单独设计制作。
设计测厚探头的基本要求是既要满足检测对象的要求，又要与检测仪器相匹配。在一般的涡流仪中，连接探头的前端网络为一个交流电桥线路，由于电桥的检测灵敏度高，能将微小的探头信号（一般为几毫伏）有效地放大，而且对探头的电阻和电感变化都能感受到，符合涡流信号的变化特点。在涡流测厚中，采用的是外比较式差动线圈，参考探头和检测探头分别连到桥路的两臂，见下图。

      



二、影响因素分析
1，由于壁厚的减薄是较均匀的缓慢变化，若采用探伤用的自比较线圈就无法得到信号，必须采用外比较线圈：将参考线圈置于标准管壁厚处（标样管内），而将检测线圈均匀地穿过被测管，从而得到两个线圈的阻抗差，在其它条件相同时，阻抗变化就唯一地反映了管壁厚的差异，与标准壁厚相比即可得到被测管的壁厚绝对值。由于涡流仪的采样速率很高，这一过程可看成是连续进行的，壁厚的变化也是连续的，通过电脑进行快速分析，将采集到的电压信号与预先建立的壁厚值电压方程进行比较，实时得出每一点的壁厚值，最后只保留每一根管的最薄截面壁厚值即可。
为能检测到管内外壁厚的变化，必须有较大的渗透深度，即应采用较低的检测频率，这样还可使信号电压与壁厚变化基本呈线性关系，使读数更准确。
还需说明，由于管壁内涡流是由内向外衰减的，还要考虑到探头填充系数的变化，因此对于列管内壁腐蚀减薄（内径增大，填充系数减小）和外壁腐蚀减薄，其涡流变化是不同的，因此对上述两种情况，需要分别制作对比样管。
2，影响检测的因素
在实际检测中，凡是能影响探头阻抗变化的一切外部因素都会影响检测结果。例如被测管的材质差异，热处理状态不同，尺寸变化，探头与管间隙大小，周围电磁场影响，环境温度变化，仪器零点漂移，电源的较大波动等。
在以上诸多因素中，若选定了稳定的仪器和探头，并保证被测管材质规格与对比样管完全一致（甚至要求被测管与对比样管为热处理为同一炉批号），则影响测厚精度的主要原因就是环境的影响。而环境温度的变化又是很重要又常被忽略的因素，本文着重讨论温度对测厚精度的影响及解决方法。
3，探头的阻抗
   检测探头实际上是一个绕制在尼龙骨架上的线圈，由高强度漆包线绕制。其交流阻抗由电阻、感抗和容抗三部分组成，由于线圈的分布电容很小，一般忽略不计，因此阻抗由电阻和感抗矢量相加而成。
  其幅值为 ： Z  =  
以上只是线圈本身的阻抗，称为空载阻抗。在实际检测中，线圈中通有交流电流，通过电磁感应，在被测管中也产生涡流，相当于变压器的次级线圈，通过电磁耦合也会对原线圈产生影响，使原线圈的阻抗发生变化，得到视在阻抗，详见下式：
    Z =R1+  +J［ －  ］
从式中可看出，线圈在空气中时表现出空载阻抗，插入被测管后，由于涡流的影响使其阻抗中的电阻分量增加，而电感分量减小，阻抗图上由P。点变为P1点。详见下图：
           
上式表明了涡流对检测线圈阻抗的影响。但由于式中的许多量无法准确得出，故在实用中视在阻抗无法准确计算。我们通过对实际探头的准确测试，可知上式中的视在阻抗与线圈的空载阻抗实际上相差很小，即有了涡流的影响，只使原线圈阻抗改变了约0.5%~2% 。因此在对探头进行分析计算时，仍可采用线圈的空载阻抗。
4，桥路输出的灵敏度
  根据对电桥线路的分析，当桥路两臂平衡时，其输出为零。当某一臂阻抗变化时，桥路失去平衡，有电压信号输出，经放大检波等处理即可送去显示。
具体计算及分析如下：
                                   
如右图，在无缺陷时电桥应平衡：（式中Z为复数，下同）
      
  若Z3（检测线圈）遇到缺陷，则变为Z3+ Z3，则电桥不平衡，输出为
Ucd=Uac－Uad
  Ucd=[ － ]•E
化简后，令     A称为桥路比
        令K=      K称为桥臂系数
        令  =    阻抗的相对变化量
则有   
由计算得知，信号输出取决于三个因素：
a、        电源电压 ，即仪器施加到桥路上的电压，当仪器选定参数设定后这一项不变。
b、        检测线圈的阻抗相对变化率  ，当被测管壁厚减薄一定时，取决于线圈本身及与被测管的耦合情况：即当壁厚变化引起的线圈阻抗变化量一定时，若线圈阻抗 适当小一些，则 较大，灵敏度较高；同时填充系数 越大越好。
c、        取决于桥臂系数
对复数 进一步分析如下：
  
式中  是 的幅值
      － =  是 的相角
      为幅值    为相角


可看出：当 （等臂电桥）时， 取得极大值。
因检测线圈为感性负载，故 取值在－90°～0°之间。
进一步分析表明，当线圈阻抗与桥路平衡电阻相等时，输出达到极大值，当然还应考虑阻抗的性质影响，并且这里所说的线圈阻抗应为视在阻抗。

在实际的线圈绕制和反复的测试实验中，我们发现片面追求灵敏度没有好处，只要能对标样管的不同壁厚值能明显区分即可，否则又会带来其它的不利影响（例如干扰信号增大和仪器的零点漂移严重）。因此，一般线圈的阻抗都小于平衡电阻，这样线圈的温度稳定性会提高，同时， 和 较小也会使涡流引起的线圈阻抗变化率 较大，有利于提高灵敏度。
三、环境温度的影响
   对于自比较式检测线圈（探伤探头）来说，由于两个线圈靠在一起，线圈本身又参数相同，因而环境温度的影响是相互抵消的。但对于外比较式测厚线圈来说，由于参考探头放在标样管中， 而检测探头要插入被测管，在一般情况下影响不大，但有时因设备停车不久，温度没降下来，致使检测探头的温度高于参考探头；或由于寒风吹而使置于管内的检测探头温度低于参考探头，这都将给检测带来很大误差，甚至由于光点迅速漂移而根本无法检测。见下图



我们在现场的实际检测中已多次遇到这种情况，这时仅靠调节仪器平衡是没用的，必须从探头上找原因。
1，        分析
从前面分析可知，线圈的阻抗由感抗和纯电阻组成，其中感抗ωL与线圈的形状尺寸和频率有关，温度变化对它不会造成影响，而检测线圈是用紫铜漆包线绕制而成，漆包线的电阻由线径、长度和电阻率决定，而电阻率会因温度的变化而变化，即由电阻温度系数决定：
　
式中 为铜的电阻温度系数，其值为   1/oC
当环境温度变化时，线圈的电阻也会发生变化，若参考线圈和检测线圈处于不同的温度下，其电阻也不同，因而两线圈的阻抗也会发生变化，经过放大后，就会产生测量误差。
例如：某探头线圈的阻抗值为50 欧姆，其中纯电阻为30欧姆，当环境温度变化5℃，电阻就会变化0.6欧姆，总阻抗就会变化1.5％，几乎相当于管壁厚度变化引起的探头阻抗改变，经放大后，平衡点就会发生明显偏移。
2，        改进设计
检测时尽可能保证检测线圈与参考线圈所处的环境温度相同，这样可将温度的影响减到最小。在无法消除温度差时，就应从根本上改进探头设计，使之对环境的温度变化不敏感，从而保证检测的顺利进行。
线圈的阻抗是由感抗和电阻叠加而成，受温度影响的只是纯电阻部分，因此，改进设计的关键是既要保证线圈有足够的阻抗值，又要使纯电阻尽量小，也即尽量提高线圈的品质因数，使 Q值 越大越好，使阻抗矢量尽可能靠近纵轴。
减小纯电阻的措施有：适当增大漆包线线径；减少漆包线长度（减少线圈圈数n）。但减小线圈的圈数，同时也会使线圈的阻抗明显减小（因线圈的电感与圈数的平方成正比）。为了保证电感不会明显减小，一个有效的办法是线圈内加铁芯，可用铁氧体或纯铁制作铁芯，通电后因磁通大大增加，从而使线圈的电感增加，导致阻抗增加，而线圈的纯电阻并不增加，一般能使阻抗增大6～10倍。这就能有效地增大线圈的品质因数。
关于探头的外引线电阻也不可忽视，若被测管较长，引线电阻也会有明显影响，我们在制作探头时，往往将屏蔽电缆的双股芯线并联使用，可使截面积增大一倍，有效降低了这个电阻。
实例计算：
探头1：      
      
     品质因数 Q=0.55
探头2：        
      
     品质因数 Q=1.88
当检测探头与参考探头温度相差5℃时，
         
对于探头1：      
对于探头2：      
可见，由于探头的设计不同，品质因数不同，对同样的温度变化，探头2的影响仅为探头1的1/20 。这就大大提高了探头的温度稳定性。
3，        检测操作时的改进
通常检测时，检测仪器和参考探头放在设备外面，而检测探头必须放在被测管内，这就不可避免带来了温度差异，给检测带来误差。因此，若有可能，应将仪器放在设备内部，力求检测探头和参考探头所处的环境温度一致，减少温度的影响。
4，        实验室测试
探头改进前参数：
L=4.10mH  R=49.88Ω

将探头加热到不同的温度并测出其电阻值的变化，结果如下：
t1=23℃  t2=49℃  R1=50.10Ω R2=54.30Ω   ΔR=4.2Ω
取Δt=10℃来对比计算，则ΔR10=1.6154Ω
因线圈的电感不随温度而改变，由此引起的线圈阻抗变化为:
ΔZ10=1.441Ω   ΔZ10/Z0=0.02567  引起的电压变化为11.809mv
实测检测线圈的空载电压为447.5mv 在标准壁厚下电压为460.0mv，每个壁厚台阶（0.5mm）引起的电压变化为1.0mv。
由上面比较可知，探头温度变化10℃引起的漂移量约相当于一个壁厚台阶变化的12倍！即使温度只变化1℃（这是经常遇到的），由此引起的漂移量也超过一个大壁厚台阶的变化量，达到0.7mm之多。这将使检测根本无法进行。
同样，对我们研制的新探头也进行了同样的测试，结果如下：
探头改进前参数：
L=1.032mH   R=3.41Ω  Z0=7.323Ω
将探头加热到不同的温度并测出其电阻值的变化，结果如下：
t1=23℃  t2=52℃  R1=3.45Ω R2=3.58Ω   ΔR=0.13Ω
取Δt=10℃来对比计算，则ΔR10=0.0448Ω
   由此引起的线圈阻抗变化为:
ΔZ10=0.021Ω   ΔZ10/Z0=0.0028676  引起的电压变化为0.255mv
实测检测线圈的空载电压为93.1mv 在标准壁厚下电压为89.4mv，每个壁厚台阶（0.5mm）引起的电压变化为0.2mv。

由上面比较可知，探头温度变化10℃引起的漂移量约相当于一个壁厚台阶变化量，即约为0.5mm。即在同样条件下，改进后的探头由温度变化引起的漂移量只是原来旧探头的1/12。大大提高了探头的温度稳定性。在实际检测中，温度突变1℃，漂移量小于0.05mm，在检测许可范围内。完全不会影响正常的检测。

总之，按照上述分析，我们改进了各种不同规格的测厚探头共16只，经现场使用证明效果良好，在环境温度变化剧烈时，基本不会对检测数据造成影响，保证了测厚数据的准确性，提高了检测速度。
四、抑制温度效应的最新进展
综上所述，由于改变了探头的技术参数，使它的温度稳定性大大提高，但从检测原理上讲还是测量交流电桥的阻抗变化，因此从根本上还不能完全摆脱温度变化带来的影响。为此，我们又对涡流检测的原理进行了深入分析，并在此基础上提出了一种全新的检测理念，彻底抛弃了桥路原理，采用A-B型探头专门用来进行测厚,从而彻底抑制了温度变化带来的误差。
其原理线路如下图：

该探头的检测结构图如下：







在探头的激励线圈中通以一定功率的交变电流，在被测管中就会感应出涡流，从而在检测线圈中感应出交变电压，当被测管壁厚发生变化时，涡流的变化也会影响到检测线圈感应电压的变化，将这一变化电压放大输出就可测出管壁厚度的变化。
检测线圈的感应电压如下：
根据电磁感应定律，检测线圈感应电压为   ，经推导后可得到：
     （空心线圈 ）
取幅值   
     
  
所以，最大值   伏
式中： E～检测线圈的感应电压  伏特
       f ～激励电流频率  Hz
       n ～检测线圈圈数
       D ～检测线圈有效直径  cm
       H ～检测线圈处的有效磁场强度  奥斯特
根据公式进行分析，当仪器选定，探头也选定以后，只有磁场强度 为变量，它主要受到仪器检测频率、输出功率和被测管有效电导率的影响。当仪器检测频率及输出功率选定后，基本只受到管壁厚度变化的影响。当壁厚增加时，管壁内的涡流加强，消耗的电磁功率较大，因而检测线圈的感应电压就减小，反之，当壁厚减小时，管壁内涡流强度减弱，检测线圈的感应电压就增大，因此，线圈电压的变化就反映了管壁厚度的变化。这就是采用A-B型探头测管壁厚度的基本原理。
温度的影响：环境温度的变化（在仪器的正常使用范围内）只会影响检测线圈铜线的电阻率，从而影响线圈的电阻值和总阻抗但并不会直接影响到激励线圈的磁场强度，从上述公式中也可看出，等式右端并没有出现电阻 ，因此，检测线圈电压的改变也基本不会受到温度变化的影响，这就是这种A-B型探头能够不受温度变化的影响的理论基础。

检测灵敏度分析
由上式分析，影响检测灵敏度的因素主要有以下几个：
1、检测频率f   适当增大激励频率可提高灵敏度，但频率过高会使涡流的渗透深度降低，同时使检测厚度的线性变差。
2、线圈圈数n  增加线圈圈数可有效增加灵敏度，但受结构影响这也是有限度的。
3、检测线圈平均直径D  受到被测管内径的限制，还要考虑探头耐用性，线圈的最大外径必须要小于探头外径。
4、磁场强度H   增大激励线圈的输出功率，可以使磁场强度增加，从而可增加灵敏度，但实际上相对于一定的壁厚变化，所引起的磁场变化ΔH才是提高灵敏度的决定因素，单纯增大H，并不能保证ΔH有效增大。
综上所述，片面追求增大灵敏度没有必要，只要相对于一定的管壁厚变化能得到一个稳定的电压输出，且线性度也好即可。




实际测试：
1、        探头参数
几何参数：  如下图：

2、测试仪器：
ET-556H型电脑涡流检测仪
3、测试标样管：
材料 25-22-2不锈钢  壁厚值  2.5-2.0-1.5  mm
4、仪器参数：
频率f=2.5KHz  增益G=30   相位P=10  滤波N=10  
5、参数测试：
当激励频率分别为2.5K和5.0KHz时，测试检测线圈在不同壁厚值下的电压值变化情况（未经放大）如下：
                单位：  mv      
壁厚值mm        空 载        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

由以上测试结果可看出：
1）        检测线圈的感应电压随壁厚值的减小而均匀增加，且与壁厚变化成线性关系。
2）        空载时因没有涡流存在，其感应电压为最大。
3）        在一定范围内，当激励频率提高时，可有效地提高检测线圈的输出电压，且电压与频率成线性关系。事实上这已清楚地反映在上述公式中。
4）        实验室测试
a)        在室温下测试：对不同的管壁厚度值可得到明显的信号输出，且线性度良好。如下图：

                    

5）        温度变化时测试：将探头放入温水中，对同样的标样管测试，可看出当壁厚不变时，仪器输出信号也不改变，仍为一条直线，说明温度的变化对测试结果没有任何影响。
测试数据如下：   （f=2.5KHz）        单位： mv
        空载        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，在仪表测量误差内，检测线圈电压基本没有变化。阻抗图的变化如下：
    由以上三幅图形可清楚地看出：
改进前的老探头，当温度变化时光点的漂移量非常大，实际上检测根本无法进行。
改进后的探头当温度变化同样数值时，阻抗平衡点仍有微小的变化，也即温度对检测有影响但不大，可以保证在允许的误差范围之内。
A-B 型探头当温度变化时光点没有任何可察觉的变化，也即温度的变化对壁厚测量没有任何影响。
说明：以上三幅图形为了便于比较，温度变化选定为10℃，实际上是不可能达到这样大的。
5) 现场应用效果
改进前的探头由于现场的微小温度变化就会带来较大误差，因而实际上在现场无法使用。
采用最新型的A-B探头，由于从原理上摆脱了温度的影响，又因为它不需要参考探头，也减小了不必要的干扰，因而在各种不同的检测环境下都能地进行检测且得到的数据都准确可靠。
经改进后的桥路探头由于对温度变化不敏感，在一般的检测环境下都能够正常使用，即使在较特殊的大温差环境下，只要采取一些特定措施，也能把温度效应减到最小，完全能够满足现场的使用。

向楼主问好，多谢你上次的电话答复！

汪工，您好，您发的帖子中的图片看不到啊

yanyingjuanli 发表于 2014-11-13 23:11
汪工，您好，您发的帖子中的图片看不到啊

传不上去

汪工，请教您一个问题，我看到一些教材上写到：“电导率和频率对阻抗的影响是一致的，即电导率增加导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向下移动，频率增加也导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向下移动。”但又看到说：“电导率增加导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向下移动，频率增加也导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向上移动。”请您帮忙看一下这两种说法哪个正确？谢谢

汪工，请教您一个问题，我看到一些教材上写到：“电导率和频率对阻抗的影响是一致的，即电导率增加导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向下移动，频率增加也导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向下移动。”但又看到说：“电导率增加导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向下移动，频率增加也导致阻抗沿阻抗平面分析图沿切线向上移动。”请您帮忙看一下这两种说法哪个正确？谢谢

f/fg∝σ，这里只是因为fg∝1/σ，所以f对阻抗的影响与σ对阻抗的影响是一直的。

初学者报道

初学者报道

汪冬兵 发表于 2014-11-19 08:32
f/fg∝σ，这里只是因为fg∝1/σ，所以f对阻抗的影响与σ对阻抗的影响是一直的。 ...

谢谢汪工的答复，那就是说电导率增加或者试验频率增加，都会导致阻抗值沿曲线切线向下移动。