Kwantificeren van de relatieve dikte van geleidende Ferromagnetische materialen met behulp van detector Coil-gebaseerde gepulseerde wervelstroom sensoren

Summary

Hier presenteren we een protocol om de relatieve dikte (d.w.z. dikte als een percentage met betrekking tot een referentie) van geleidende Ferromagnetische materialen te kwantificeren met behulp van detector Coil-gebaseerde gepulseerde wervelstroom sensoren, terwijl het overwinnen van de kalibratie Vereiste.

Abstract

De dikte kwantificering van geleidende Ferromagnetische materialen door middel van niet-destructieve evaluatie (NDE) is een cruciaal onderdeel van de structurele gezondheidsmonitoring van infrastructuur, met name voor de beoordeling van de toestand van grote diameter geleidende Ferromagnetische buizen gevonden in de sectoren energie, water, olie en gas. Gepulseerde Eddy Current (PEC) sensing, met name de op de detector op de spoel gebaseerde PEC-sensor architectuur, heeft zich in de loop der jaren gevestigd als een effectief middel om dit doel te dienen. In eerdere werken zijn benaderingen voor het ontwerpen van PEC-sensoren en verwerkings signalen gepresenteerd. In de afgelopen jaren is het gebruik van de verval snelheid van het tijddomein PEC-signaal van de melder Coil met het oog op de dikte kwantificering onderzocht. Dergelijke werken hebben vastgesteld dat de methode op basis van verval snelheid de algemeenheid van de detector Coil-based sensor architectuur behoudt, met een mate van immuniteit voor factoren zoals sensor vorm en-grootte, aantal spoel bochten en excitatie stroom. Bovendien heeft deze methode zijn effectiviteit aangetoond in NDE van grote buizen gemaakt van grijs gietijzer. Na dergelijke literatuur, de focus van dit werk is expliciet PEC sensor detector Coil voltage verval snelheid gebaseerde geleidende Ferromagnetische materiaaldikte kwantificering. De uitdaging waarmee deze methode wordt geconfronteerd, is echter de moeilijkheid van kalibratie, vooral als het gaat om toepassingen zoals in-situ-buis voorwaarde beoordeling sinds het meten van elektrische en magnetische eigenschappen van bepaalde leiding materialen of het verkrijgen van kalibratie monsters zijn in de praktijk moeilijk. Gemotiveerd door die uitdaging, in tegenstelling tot het inschatten van de werkelijke dikte zoals gedaan door een aantal eerdere werken, presenteert dit werk een protocol voor het gebruik van de op verval snelheid gebaseerde methode om de relatieve dikte te kwantificeren (d.w.z. dikte van een bepaalde locatie met betrekking tot een maximale dikte), zonder de vereiste voor kalibratie.

Introduction

De gepulseerde Eddy Current (PEC) sensing techniek is misschien wel het meest veelzijdige lid van de familie van Eddy Current (EC) niet-destructieve evaluatie (NDE) technieken en heeft vele toepassingen in de detectie en kwantificering van defecten, en de geometrie van metalen en metalen constructies¹. Dikte kwantificering van geleidende Ferromagnetische wand-achtige structuren, met wanddiktes van niet meer dan een paar millimeter tot enkele tientallen millimeter, is een high demand engineering service op het gebied van structurele gezondheidsmonitoring van de infrastructuur. Kritieke infrastructuur gemaakt van Ferromagnetische legeringen die deze service nodig hebben, zijn algemeen beschikbaar in de energie-, water-, olie-en gasindustrie. Terwijl PEC-sensoren kunnen worden ontworpen na verschillende architecturen, werd de op de detector Coil gebaseerde architectuur bepaald als de meest effectieve en meest gebruikte in Conditiebeoordeling van Ferromagnetische materialen^2,3,4,5. Daarom is het de detector Coil-based PEC sensor architectuur die de fundering legt op het probleem van de dikte kwantificering van geleidende Ferromagnetische materialen.

De op de detector Coil gebaseerde PEC-sensor architectuur bestaat meestal uit twee concentrisch gewonden, lucht gevulde, geleidende spoelen^2,3,4,5,6 (meestal koper spoelen). Het is vrij gebruikelijk om deze spoelen circulair te maken in vorm^2,3,4,5,6, maar af en toe zijn rechthoekige spiralen⁶ gebruikt. Van de twee spoelen in de sensor, men gedraagt zich als een Exciter Coil, terwijl de andere fungeert als de detector Coil. In een PEC-sensor wordt de Exciter-spoel opgewekt door een spannings puls-iets dat in principe als een Heaviside-stapfunctie kan worden gekarakteriseerd. Deze gepulseerde excitatie genereert een voorbijgaande magnetisch veld (het primaire veld genoemd) rond de sensor. Wanneer de sensor naast een geleidend teststuk wordt geplaatst (bijv. een geleidende Ferromagnetische wand structuur), induceert dit voorbijgaande magnetische veld tijd wisselende wervelstromen in het proefstuk. Deze wervelstromen genereren een secundair magnetisch veld (het secundaire veld genoemd) dat zich tegen het primaire veld verzet. Als reactie op het resulterende effect van de primaire en secundaire velden, wordt een voorbijgaande spanning geïnduceerd in de detector spoel-die het tijddomein PEC-signaal van belang voor dit werk wordt.

De PEC sensor detector spoel spannings verval snelheid (aangeduid als β) is gemeld^6,7,8 om de evenredigheid β μσd², wanneer een signaal wordt verkregen plaatsen van een PEC-sensor boven een geleidende Ferromagnetische laag van magnetische permeabiliteit μ, elektrische geleidbaarheid σ, en dikte d. Hoewel deze functie van het verval cijfer een aanzienlijke immuniteit heeft tegen parameters zoals sensor grootte, sensor vorm, en lift-off^6,7,8, waardoor de verval snelheid zeer wenselijk is voor uitdagende nde scenario's zoals in situ pipe conditiebeoordeling^9,10,11, moet deze functie worden gekalibreerd (d.w.z. μ, σ van het te inspecteren materiaal) om dikte mogelijk te maken (d.w.z. , d) kwantificering. Om conventionele methoden voor het bederf op basis van dikte kwantificering van^6,8mogelijk te maken, moet deze kalibratie worden uitgevoerd door kalibratie monsters^6,8 te extraheren of door op wervelstroom gebaseerde materiaaleigenschappen karakterisatie methoden^12,13te betrekken. Als alternatief kan de complexiteit van kalibratie worden vermeden door dikte in de vorm van relatieve dikte te vertegenwoordigen. Stel dat een nde oefening wordt uitgevoerd en dat β -waarden worden geëxtraheerd uit signalen, dan wordt de β -waarde die kwalitatief representatief is voor het maximale dikte punt in het proefstuk beschouwd als een referentie (d.w.z. β_Ref μσd_Max²); vervolgens kan de dikte van een andere locatie worden weergegeven als een percentage van de maximale dikte in de vorm , met een relatieve dikte als de uitvoer, wat nog steeds nuttige kwalitatieve informatie is als een nde-uitgang die ook de eenvoud draagt van het niet hoeven te kalibreren voor μ, σ. Het hierin gepresenteerde protocol beschrijft de stappen die moeten worden gevolgd om dit te bereiken.

Aangezien de verval snelheid β toont algemeenheid aan de detector Coil-based PEC sensor architectuur terwijl het tonen van immuniteit tegen parameters van het ontwerp van de sensor en de lift-off^6,7,8,14, beoefenaren kunnen gebruik maken van elke detector Coil gebaseerde PEC sensing systeem van hun keuze op een geschikte geleidende ferromagnetisch materiaal voor het uitvoeren van relatieve dikte kwantificering naar aanleiding Een PEC sensor design voorbeeld voor een geleidende ferromagnetisch materiaal is beschikbaar voor geïnteresseerde lezers¹⁵. De signalen en resultaten die in dit werk werden gepresenteerd, werden verkregen met behulp van het PEC-systeem ontwikkeld door de University of Technology Sydney^6,8. Het geleidende Ferromagnetische materiaal dat wordt gebruikt voor representatieve resultaten verkregen door het PEC-systeem is grijs gietijzer geëxtraheerd uit een pijp test-bed^9,10,11 in Sydney Australia.

Opgemerkt moet worden dat de methoden, resultaten en discussies die in deze publicatie worden gepresenteerd, zich expliciet richten op het gebruik van de detector Coil-based PEC sensor architectuur tijddomeinsignaal verval snelheid voor dikte kwantificering van geleidende Ferromagnetische materialen. De publicatie bevat geen bredere discussie over algemene conventies van PEC sensing Principles en sensor configuraties. Andere gepubliceerde werk^16,17,18 kan nuttig zijn voor lezers om meer inzicht te krijgen over PEC sensor configuraties anders dan de detector Coil-gebaseerde sensor architectuur.

Protocol

1. de afbraaksnelheid β uit een beschikbaar detector Coil-gebaseerd PEC-signaal extraheren

1. Express een beschikbaar experimenteel opgenomen PEC-signaal (d.w.z. een tijddomein detector spoelspanning (aangeduid als V(t))) in de logaritmische vorm van LN [V(t)]. Een typisch PEC-signaal uitgedrukt in de vorm van LN [V(t)] wordt weergegeven in Figuur 1.
2. Zoek een lineair gebied in de vorm van zodanig dat het signaal voldoet aan de voor waarde waar. Volgens het signaal in Figuur 1, toevallig een bevredigend en uitvoerbaar lineair gebied.
3. Zoals geïllustreerd in Figuur 2, past u het lineaire model toe op de experimentele signaal gegevens binnen het geïdentificeerde lijn gebied en schat u de waarde van β.

2. kwantificering van relatieve dikte

1. Veronderstel dat er meerdere signalen (Figuur 3) zijn verkregen van een nde taak die wordt uitgevoerd op een geleidend ferromagnetisch teststuk met verschillende diktes. Identificeer eerst een lineair gebied dat voor alle signalen gebruikelijk is en β -waarden extraheert. Volgens de signalen in Figuur 3, lijkt een adequaat en uitvoerbaar lineair gebied.
2. Selecteer de maximale β -waarde en label deze als_{β ref} omdat de maximale β -waarde in principe overeenkomt met de maximale dikte volgens de β μσd² proportionaliteit^6,7,8.
3. Percentage relatieve dikte in het formulier, waarbij de index overeenkomt met de ^th -meting.

3. PEC_Signal_Processor installatie

1. Zoek het bestand PEC_Signal_Processor. exe. Dubbelklik op het bestand en laat het uitvoeren.
2. Wanneer de onderstaande interface wordt weergegeven, klikt u op volgende. Wanneer de interface verschijnt, geeft u de bestandslocatie voor de installatie op en vinkt u het selectievakje aan Voeg een snelkoppeling toe aan het bureaublad om het softwarepictogram aan het bureaublad toe te voegen. Klik vervolgens op volgende.
3. Geef de installatielocatie voor de vereiste runtime-omgeving op en klik op volgende. Als de vereiste runtime-omgeving al is geïnstalleerd, klikt u op volgende.
4. Lees en ga akkoord met de gevraagd licentievoorwaarden. Klik vervolgens op installeren.
5. Klik op Voltooien wanneer de installatie is voltooid. Het bureaubladpictogram wordt weergegeven.

4. voorbereiding van de signalen

1. Zorg ervoor dat de PEC-sensor uitgangen [RAW-signalen, d.w.z. V(t)] als een tafel zijn gerangschikt.
2. Kopieer de tabel met signalen naar het bureaublad (of naar een map in de bovenliggende map waarin de toepassing is geïnstalleerd). Voor het gemak wordt het bureaublad aanbevolen.

5. uitvoering van de aanvraag

1. Dubbelklik op het bureaubladpictogram om de toepassing uit te voeren. De interface wordt geopend.
2. Laad signalen door op het tabblad laad signalen te klikken en het bestand met de signalen te selecteren om de signalen naar de software-interface te importeren.
3. Wacht tot het aantal signalen dat zich in de tabel met onbewerkte signalen bevindt, voor het aantal signalenwordt weergegeven =.
4. Klik op plot signalen en observeer de signalen uitgezet in logaritmische schaal.
5. Klik op het tabblad zoomen en pas het plot venster aan zodat het lineaire gebied duidelijk zichtbaar is.
6. Bepaal na observatie de redelijke lagere en bovenste marges voor de lineaire regio en voer de waarden in de bewerkbare tekst ruimten in.
7. Klik op plot marges en wacht tot de marges in het groen worden getekend.
8. Klik op Extraheer functies en Bekijk hoe lineaire segmenten in het rood worden uitgezet.
9. Klik op Bereken relatieve dikte en kijk hoe een histogram van berekende relatieve dikte waarden wordt uitgezet.
10. Klik op relatieve dikte opslaan om de berekende relatieve dikte waarden op te slaan. Geef een bestandsnaam op en klik op OK.
11. Bevestig de bestandsnaam door nogmaals op OK te klikken om de bestandsnaam te bevestigen. De relatieve dikte waarden worden opgeslagen als een tabel op het bureaublad.

Results

De representatieve resultaten in deze sectie zijn gegenereerd met behulp van de PEC-signalen die als aanvullend materiaal met verwijzing⁸worden verstrekt; zoals hierboven vermeld, zijn de signalen vastgelegd op grijs gietijzer monsters geëxtraheerd uit de pipe test bed in Sydney Australia, waarvan de locatie en vintage details zijn voorzien in de referenties^9,10,11.

Discussion

Een protocol voor het kwantificeren van de relatieve dikte (d.w.z. dikte als percentage met betrekking tot een referentie) van geleidende Ferromagnetische materialen met behulp van detector Coil-gebaseerde PEC-sensoren werd gepresenteerd. Het belangrijkste voordeel van deze methode is de mogelijkheid om de kalibratie vereiste te overwinnen (d.w.z., overwin de noodzaak om de magnetische permeabiliteit en elektrische geleiding van het materiaal dat wordt geïnspecteerd te meten of te schatten om de dikte kwantificering moge...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
A Detector Coil-based PEC Sensing System.	N/A		De representatieve resultaten in dit werk zijn gegenereerd met behulp van het PEC-systeem dat is ontwikkeld door de University of Technology Sydney (UTS), Australië en gepubliceerd in werken 6,8. Dit systeem kan voor lezers toegankelijk zijn via samenwerking met UTS.
A suitable conductive ferromagnetic material of varying thickness.	N/A		De representatieve resultaten in dit werk zijn gegenereerd door het verwerven van PEC-metingen op grijs gietijzeren teststukken die zijn verkregen uit een pijptestbed in Sydney, Australië, waarvan de locatie en vintagedetails beschikbaar zijn in referenties 9-11. Het pijptestbed evenals de verkregen kalibratiemonsters kunnen voor lezers toegankelijk zijn via samenwerking met UTS.
A computation platform for PEC signal processing	MathWorks, Natick, MA, USA.		Er is een berekeningsplatform vereist waarin het PEC-signaalverwerkingsalgoritme kan worden gecodeerd en uitgevoerd. In deze publicatie werd PEC-signaalverwerking uitgevoerd met behulp van een software-uitvoerbaar genaamd "PEC_Signal_Processor", geproduceerd met behulp van MATLAB R2017b, Uitgever: MathWorks, Natick, MA, USA.
An application that can produce a table containing raw PEC signals (e.g., Microsoft Office Excel).	Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Redmond, Washington, USA.		Microsoft Office Excel (Office 16) werd gebruikt voor het werk van deze publicatie.