Quantificare lo spessore relativo dei materiali Ferromagnetici conduttivi utilizzando sensori di corrente eddy a coil e urio

Summary

Qui presentiamo un protocollo per quantificare lo spessore relativo (cioè lo spessore come percentuale rispetto a un riferimento) dei materiali ferromagnetici conduttivi utilizzando sensori di corrente eddy a base di bobina del rivelatore, superando la calibrazione Requisito.

Abstract

La quantificazione dello spessore dei materiali ferromagnetici conduttivi mediante la valutazione non distruttiva (NDE) è una componente cruciale del monitoraggio strutturale della salute delle infrastrutture, in particolare per valutare le condizioni di grandi diametri tubi ferromagnetici presenti nei settori dell'energia, dell'acqua, del petrolio e del gas. Il rilevamento della corrente eddy pulsata (PEC), in particolare l'architettura del sensore PEC basata sulla bobina del rivelatore, si è affermata nel corso degli anni come mezzo efficace per servire questo scopo. Negli approcci per la progettazione di sensori PEC e di elaborazione sono stati presentati approcci per la progettazione di sensori PEC e di elaborazione. Negli ultimi anni, è stato studiato l'uso del tasso di decadimento del segnale PEC del dominio temporale basato sulla bobina del rivelatore ai fini della quantificazione dello spessore. Tali opere hanno stabilito che il metodo basato sul tasso di decadimento mantiene generalità all'architettura del sensore basato sulla bobina del rivelatore, con un grado di immunità a fattori come la forma e le dimensioni del sensore, il numero di giri di bobina e la corrente di eccitazione. Inoltre, questo metodo ha dimostrato la sua efficacia in NDE di grandi tubi in ghisa grigia. Seguendo tale letteratura, l'obiettivo di questo lavoro è esplicitamente il rivelatore di sensori PEC del rilevamento del decadimento della tensione della bobina- quantificazione dello spessore del materiale ferromagnetico basato. Tuttavia, la sfida che questo metodo deve affrontare è la difficoltà di calibrazione, soprattutto quando si tratta di applicazioni come la valutazione delle condizioni del tubo in situ poiché la misurazione delle proprietà elettriche e magnetiche di alcuni materiali da tubo o l'ottenimento della calibrazione campioni è difficile nella pratica. Motivato da tale sfida, a differenza della stima dello spessore effettivo come fatto da alcuni lavori precedenti, questo lavoro presenta un protocollo per utilizzare il metodo basato sul tasso di decadimento per quantificare lo spessore relativo (cioè lo spessore di una particolare posizione rispetto a un spessore massimo), senza la necessità di calibrazione.

Introduction

La tecnica di rilevamento della corrente eddy pulsata (PEC) è forse il membro più versatile della famiglia delle tecniche di valutazione non distruttiva della corrente eddy (NDE) e ha molte applicazioni nel rilevamento e nella quantificazione dei difetti, e la geometria dei metalli e delle strutture metalliche¹. La quantificazione dello spessore di strutture conduttive simili a pareti ferromagnetiche, con spessori di parete non superiori a pochi millimetri a poche decine di millimetri, è un servizio di ingegneria ad alta richiesta nel campo del monitoraggio strutturale della salute delle infrastrutture. Infrastrutture critiche fatte di leghe ferromagnetiche che richiedono questo servizio sono comunemente disponibili nelle industrie dell'energia, dell'acqua, del petrolio e del gas. Mentre i sensori PEC possono essere progettati seguendo diverse architetture, l'architettura basata sulla bobina del rivelatore è stata determinata come la più efficace e comunemente utilizzata nella valutazione delle condizioni dei materiali ferromagnetici^2,3,4,5. Pertanto, è l'architettura del sensore PEC basata sulla bobina del rivelatore che pone le basi per il problema della quantificazione dello spessore dei materiali ferromagnetici conduttivi.

L'architettura del sensore PEC basata sulla bobina del rivelatore è tipicamente costituita da due bobine di rame concentricamente, a giuntozza dell'aria,^2,3,4,5^,6(tipicamente bobine di rame). È abbastanza comune avvolgere queste bobine per essere circolari nella forma^2,3,4,5^,6, ma occasionalmente sono state utilizzate bobine a forma rettangolare^6. Dalle due bobine nel sensore, una si comporta come una bobina di eccitatore mentre l'altra agisce come la bobina del rivelatore. In un sensore PEC, la bobina di eccitatore è eccitata da un impulso di tensione - qualcosa che può essere caratterizzato come una funzione di passo pesante in linea di principio. Questa eccitazione pulsata genera un campo magnetico transitorio (chiamato campo primario) intorno al sensore. Quando il sensore è posizionato accanto a un pezzo di prova conduttivo (ad esempio, una struttura a parete ferromagnetica conduttiva), questo campo magnetico transitorio induce correnti eddy variabili nel pezzo di prova. Queste correnti eddy generano un campo magnetico secondario (chiamato campo secondario) che si oppone al campo primario. In risposta all'effetto risultante dei campi primario e secondario, una tensione transitoria viene indotta nella bobina del rivelatore - che diventa il segnale PEC del dominio temporale di interesse per questo lavoro.

Il tasso di decadimento della tensione della bobina del sensore PEC (indicato come -) è stato segnalato^6,7,8 per mostrare la proporzionalità - d², quando si acquisisce un segnale posizionando un sensore PEC al di sopra di uno strato ferromagnetico conduttivo di permeabilità magnetica, conduttività elettrica e spessore d. Anche se questa caratteristica del segnale di decadimento ha una notevole immunità a parametri come la dimensione del sensore, la forma del sensore e il decollo^6,7,8, il che rende il tasso di decadimento altamente desiderabile per scenari NDE impegnativi come la valutazione della condizione del tubo in situ^9,10,11, questa caratteristica deve essere calibrata (cioè, , s stimato da , il materiale ispezionato) per abilitare lo spessore (cioè , d) quantificazione. Per abilitare i metodi convenzionali di quantificazione dello spessore basata sul tasso di decadimento^6,8, questa calibrazione deve essere effettuata estraendo campioni di calibrazione^6,8 o coinvolgendo i metodi di caratterizzazione delle proprietà del materiale basato sulla corrente^{eddy 12,13}. In alternativa, la complessità della calibrazione può essere evitata rappresentando lo spessore sotto forma di spessore relativo. Si supponga che venga eseguito un esercizio di NDE e che vengano estratti i valori di , quindi, il valore di , qualitativamente rappresentativo del punto di spessore massimo nel pezzo di prova, viene considerato come un riferimento (ad esempio, , ref ,_rifmax ²); quindi, lo spessore di qualsiasi altra posizione può essere rappresentato come percentuale dello spessore massimo nella forma , presentando uno spessore relativo come l'output, che è ancora utile informazioni qualitative come un output NDE che porta anche la semplicità di non dover calibrare per . Il protocollo qui presentato descrive i passi da seguire per raggiungere questo obiettivo.

Dal momento che il tasso di decadimento - mostra generalità all'architettura del sensore PEC basato sulla bobina del rivelatore, mentre mostra l'immunità ai parametri del design del sensore e al decollo^6,7,8,14, i praticanti possono utilizzare qualsiasi sistema di rilevamento PEC basato sulla bobina del rivelatore di loro scelta su un materiale ferromagnetico conduttivo adatto per eseguire la quantificazione relativa dello spessore seguendo il protocollo qui. Un esempio di progettazione di sensori PEC per un materiale ferromagnetico conduttivo è disponibile per i lettori interessati¹⁵. I segnali e i risultati presentati in questo lavoro sono stati acquisiti utilizzando il sistema PEC sviluppato dall'Università di Tecnologia Sydney^6,8. Il materiale ferromagnetico conduttivo utilizzato per risultati rappresentativi acquisiti dal sistema PEC è il gesso grigio estratto da un tubo di prova-letto^9,10,11 a Sydney Australia.

Va notato che i metodi, i risultati e le discussioni presentate in questa pubblicazione si concentrano esplicitamente sull'uso del tasso di decadimento del segnale DEL dominio temporale dell'architettura del segnale del dominio temporale del segnale del dominio temporale del rivelatore per la quantificazione dello spessore dei materiali ferromagnetici conduttivi. La pubblicazione non include una discussione più ampia sulle convenzioni generali dei principi di rilevamento PEC e sulle configurazioni dei sensori. Altri lavori pubblicati^16,17,18 possono essere utili per i lettori per ottenere maggiori informazioni sulle configurazioni dei sensori PEC diverse dall'architettura dei sensori basati sulla bobina del rilevatore.

Protocol

1. Estrazione del tasso di decadimento da un segnale PEC basato sulla bobina del rilevatore disponibile

1. Esprimere un segnale PEC catturato sperimentalmente disponibile (ad esempio, una tensione della bobina del rivelatore di dominio temporale (indicata come V(t))) nella forma logaritmica di ln[V(t)]. Un tipico segnale PEC espresso sotto forma di ln[V(t)] è mostrato nella Figura 1.
2. Trovare una regione lineare sotto forma di tale che il segnale soddisfi la condizione in cui . Secondo il segnale in Figura 1, sembra essere una regione lineare soddisfacente e praticabile.
3. Come illustrato nella Figura 2, adattare il modello in linea retta ai dati del segnale sperimentale all'interno della regione lineare identificata e stimare il valore di .

2. Quantificazione dello spessore relativo

1. Supponiamo che ci siano più segnali (Figura 3) acquisiti da un'attività NDE eseguita su un pezzo di prova ferromagnetico conduttivo con spessore variabile. In primo luogo, identificare una regione lineare comune a tutti i segnali ed estrarre i valori . Secondo i segnali nella Figura 3, sembra essere una regione lineare adeguata e praticabile.
2. Selezionate il valore massimo di , quindi etichettatelo come _rif, poiché il valore massimo deve in linea di principio corrispondere allo spessore massimo in base alla ^{proporzionalità 6,7,8}.
3. Esprimere la percentuale di spessore relativo nel modulo , in cui l'indice corrisponde alla misurazione ^th.

3. installazione PEC_Signal_Processor

1. Individuare il file PEC_Signal_Processor.exe. Fare doppio clic sul file e consentire l'esecuzione.
2. Quando viene visualizzata l'interfaccia seguente, fare clic su Avanti. Quando l'interfaccia si apre, specificare il percorso del file per l'installazione e selezionare la casella di controllo Aggiungi un collegamento al desktop per aggiungere l'icona del software al desktop. Quindi fare clic su Avanti.
3. Specificare il percorso di installazione per l'ambiente di runtime richiesto, quindi fare clic su Avanti. Se l'ambiente di runtime richiesto è già installato, è sufficiente fare clic su Avanti.
4. Leggere e accettare di richiedere le condizioni e le condizioni di licenza. Quindi fare clic su Installa.
5. Al termine dell'installazione, fare clic su Fine. Apparirà l'icona del desktop.

4. Preparazione dei segnali

1. Assicurarsi che le uscite del sensore PEC [segnali grezzi, cioè V(t)] siano disposte come una tabella.
2. Copiare la tabella contenente i segnali sul desktop (o in una cartella contenuta all'interno della directory padre in cui è installata l'applicazione). Per comodità, si consiglia il desktop.

5. Esecuzione dell'applicazione

1. Fare doppio clic sull'icona del desktop per eseguire l'applicazione. L'interfaccia si aprirà.
2. Caricare i segnali facendo clic sulla scheda Carica segnali e selezionare il file contenente i segnali per importare i segnali nell'interfaccia software.
3. Attendere fino a quando il numero di segnali contenuti all'interno della tabella contenente i segnali raw appaiono davanti al numero di segnali .
4. Fare clic su Segnali di stampa e osservare i segnali tracciati in scala logaritmica.
5. Fare clic sulla scheda Ingrandimento e regolare la finestra di stampa affinché l'area lineare sia chiaramente visibile.
6. Dopo l'osservazione, decidere i margini inferiore e superiore ragionevoli per l'area lineare e immettere i valori negli spazi di testo modificabili.
7. Fare clic su Traccia margini e attendere che i margini vengano tracciati in verde.
8. Fare clic su Estrai funzioni e osservare come i segmenti di linea retta vengono tracciati in rosso.
9. Fare clic su Calcola spessore relativo e osservare come viene tracciato un istogramma dei valori di spessore relativo calcolati.
10. Fare clic su Salva spessore relativo per salvare i valori di spessore relativo calcolati. Specificare un nome di file e fare clic su OK.
11. Confermare il nome del file facendo di nuovo clic su OK per confermare il nome del file. I valori di spessore relativi verranno salvati come tabella sul desktop.

Results

I risultati rappresentativi all'interno di questa sezione sono stati generati utilizzando i segnali PEC forniti come materiale supplementare con riferimento⁸; come accennato in precedenza, i segnali sono stati catturati su campioni di ghisa grigia estratti dal letto di prova del tubo a Sydney in Australia, la cui posizione e dettagli vintage sono forniti nei riferimenti^9,10,11.

Discussion

È stato presentato un protocollo per quantificare lo spessore relativo (cioè lo spessore come percentuale rispetto a un riferimento) dei materiali ferromagnetici conduttivi utilizzando sensori PEC basati sulla bobina del rivelatore. Il vantaggio principale di questo metodo è la capacità di superare il requisito di calibrazione (cioè superare la necessità di misurare o stimare la permeabilità magnetica e la conduttività elettrica del materiale ispezionato per consentire la quantificazione degli spessori). Il protocollo pr...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Un sistema di rilevamento PEC basato su bobina di rivelatore.	N/A		I risultati rappresentativi di questo lavoro sono stati generati utilizzando il sistema PEC sviluppato dall'Università di Tecnologia di Sydney (UTS), Australia e pubblicato negli stabilimenti 6,8. Questo sistema può essere accessibile ai lettori collaborando con UTS.
Un materiale ferromagnetico conduttivo adatto di spessore variabile.	N/A		I risultati rappresentativi di questo lavoro sono stati ottenuti dall'acquisizione di misure PEC su provini in ghisa grigia estratti da un banco di prova per tubi situato a Sydney, in Australia, la cui ubicazione e i dettagli dell'epoca sono disponibili nelle referenze 9-11. Il banco di prova del tubo e i campioni di calibrazione estratti possono essere accessibili ai lettori collaborando con UTS.
Una piattaforma di calcolo per l'elaborazione del segnale PEC	MathWorks, Natick, MA, USA.		È necessaria una piattaforma di calcolo in cui l'algoritmo di elaborazione del segnale PEC possa essere codificato ed eseguito. In questa pubblicazione, l'elaborazione del segnale PEC è stata eseguita utilizzando un eseguibile software denominato "PEC_Signal_Processor", prodotto utilizzando MATLAB R2017b, Editore: MathWorks, Natick, MA, USA.
Un'applicazione in grado di produrre una tabella contenente segnali PEC grezzi (ad esempio, Microsoft Office Excel).	Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Redmond, Washington, Stati Uniti.		Per il lavoro di questa pubblicazione è stato utilizzato Microsoft Office Excel (Office 16).