Quantificando a espessura relativa de materiais ferromagnéticos condutores usando sensores de corrente pulsados à base de bobina de detector

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para quantificar a espessura relativa (ou seja, espessura como uma porcentagem em relação a uma referência) de materiais ferromagnéticos condutores usando sensores de corrente de redemoinho pulsados à base de bobina de detector, ao mesmo tempo em que superam a calibração Exigência.

Abstract

A quantificação da espessura de materiais ferromagnéticos condutores por meio de avaliação não destrutiva (NDE) é um componente crucial do monitoramento estrutural da saúde da infraestrutura, especialmente para avaliar a condição de grande diâmetro canos ferromagnéticos encontrados nos setores de energia, água, petróleo e gás. A detecção de corrente de redemoinho pulsada (PEC), especialmente a arquitetura do sensor PEC baseada em bobinas de detector, estabeleceu-se ao longo dos anos como um meio eficaz para servir a esse propósito. Abordagens para a concepção de sensores pec, bem como sinais de processamento foram apresentados em obras anteriores. Nos últimos anos, o uso da taxa de decaimento do sinal pec de domínio de tempo baseado em bobina de detector com fins para fins de quantificação de espessura tem sido estudado. Tais obras estabeleceram que o método baseado em taxa de decaimento mantém a generalidade da arquitetura de sensores baseadas em bobinas do detector, com um grau de imunidade a fatores como forma e tamanho do sensor, número de curvas de bobina e corrente de excitação. Além disso, este método tem mostrado a sua eficácia em NDE de tubos de grande papel ão feitos de ferro fundido cinza. Seguindo tal literatura, o foco deste trabalho é explicitamente o detetor do detetor do sensor do PEC que bobina a redução da taxa de decadência do material ferromagnético condutor da espessura do material. No entanto, o desafio enfrentado por este método é a dificuldade de calibração, especialmente quando se trata de aplicações como a avaliação da condição do tubo in situ desde a medição de propriedades elétricas e magnéticas de certos materiais de tubulação ou a obtenção de calibração amostras é difícil na prática. Motivado por esse desafio, em contraste com a estimativa da espessura real, como feito por alguns trabalhos anteriores, este trabalho apresenta um protocolo para o uso do método baseado na taxa de decaimento para quantificar a espessura relativa (ou seja, espessura de um determinado local em relação a um espessura máxima), sem a exigência de calibração.

Introduction

A técnica de detecção de corrente de redemoinho pulsada (PEC) é talvez o membro mais versátil da família de técnicas de avaliação não destrutiva (NDE) de corrente de redemoinho (CE) e tem muitas aplicações na detecção e quantificação de defeitos, e a geometria de metais e estruturas metálicas^1. A quantificação da espessura de estruturas condutivas semelhantes a paredes ferromagnéticas, com espessuras de parede não superiores a alguns milímetros a algumas dezenas de milímetros, é um serviço de engenharia de alta demanda no campo do monitoramento estrutural da saúde da infraestrutura. Infra-estrutura crítica feita de ligas ferromagnéticas que exigem este serviço estão comumente disponíveis nas indústrias de energia, água, petróleo e gás. Enquanto sensores PEC podem ser projetados seguindo várias arquiteturas, a arquitetura baseada em bobina sumo do detector foi determinada como a mais eficaz e comumente usada na avaliação da condição de materiais ferromagnéticos^2,3,4,5. Portanto, é a arquitetura do sensor PEC à base de bobina de detector que define as bases para o problema da quantificação da espessura dos materiais ferromagnéticos condutores.

A arquitetura do sensor pec à base de bobina de detector é tipicamente composta por duas feridas concentricamente, ar cored, bobinas condutoras^2,3,4,5,6 (tipicamente bobinas de cobre). É bastante comum para o vento estas bobinas para ser circular em forma^2,3,4,5,6, mas, ocasionalmente, bobinas retangulares em forma⁶ têm sido utilizados. Das duas bobinas no sensor, uma se comporta como uma bobina de imposto de consumo, enquanto a outra atua como a bobina do detector. Em um sensor pec, a bobina de imposto de consumo é animado por um pulso de tensão - algo que pode ser caracterizado como uma função passo Heaviside, em princípio. Esta excitação pulsada gera um campo magnético transitório (chamado campo primário) em torno do sensor. Quando o sensor é colocado ao lado de uma peça de teste condutor (por exemplo, uma estrutura condutora semelhante a uma parede ferromagnética), este campo magnético transitório induz o tempo variando as correntes de redemoinho na peça de teste. Essas correntes de redemoinho geram um campo magnético secundário (chamado campo secundário) que se opõe ao campo primário. Em resposta ao efeito resultante dos campos primários e secundários, uma tensão transitória é induzida na bobina do detector - que se torna o sinal de interesse pec de domínio do tempo para este trabalho.

A taxa de decaimento de tensão da bobina de detector de sensores PEC (denotada como β)foi relatada^6,7,8 para mostrar a proporcionalidade β μσd², quando um sinal é adquirido colocando um sensor PEC acima de uma camada ferromagnética condutora de permeabilidade magnética μ,condutividade elétrica σ, e espessura d. Embora esta característica de sinal de taxa de decaimento tenha imunidade considerável a parâmetros como tamanho do sensor, forma do sensor e decolagem^6,7,8,o que torna a taxa de decaimento altamente desejável para cenários desafiadores de NDE, como a avaliação da condição de tubo in situ^9,10,11,esse recurso deve ser calibrado (ou seja, μ , μ, σ do material que está sendo inspecionado seja estimado) para permitir a espessura (ou seja,. , d)quantificação. Para permitir métodos convencionais de quantificação de espessura baseada em taxa de decaimento^6,8,essa calibração deve ser feita extraindo amostras de calibração^6,8 ou envolvendo métodos de caracterização de propriedade material baseados em rede eddy^12,13. Alternativamente, a complexidade da calibração pode ser evitada representando a espessura a forma da espessura relativa. Suponha que um exercício nde é realizado e β valores são extraídos de sinais, então, o valor β qualitativamente representativo do ponto de espessura máxima na peça de teste é considerado como uma referência (ou seja, β_ref μσd_max^2); em seguida, a espessura de qualquer outro local pode ser representada como uma porcentagem da espessura máxima na forma, apresentando uma espessura relativa como a saída, que ainda é útil informações qualitativas como uma saída nde que também carrega a simplicidade de não ter que calibrar para μ, σ. O protocolo aqui apresentado descreve os passos a serem seguidos para conseguir isso.

Uma vez que a taxa de decaimento β mostra generalidade para o detector de bobina baseada pec sensor arquitetura ao mostrar imunidade aos parâmetros do sensor de design, bem como decolagem^6,7,8,14, os profissionais podem usar qualquer detector de bobina baseada PEC sensoramento sistema de sua escolha em um material condutor adequado ferromagnética para realizar relativa espessura quantificação seguindo o protocolo aqui. Um exemplo de design de sensor PEC para um material ferromagnético condutor está disponível para leitores interessados¹⁵. Os sinais e resultados apresentados neste trabalho foram adquiridos usando o sistema pec desenvolvido pela Universidade de Tecnologia de Sydney^6,8. O material ferromagnético condutor utilizado para resultados representativos adquiridos pelo sistema PEC é ferro fundido cinza extraído de um tubo de teste de cama^9,10,11 em Sydney Austrália.

Note-se que os métodos, resultados e discussões apresentados nesta publicação se concentram explicitamente no uso da taxa de decaimento do sinal de domínio pec baseado em bobina de detector para quantificação de materiais ferromagnéticos condutores. A publicação não inclui uma discussão mais ampla sobre convenções gerais de princípios de detecção de PEC e configurações de sensores. Outros trabalhos publicados^16,17,18 podem ser úteis para que os leitores obtenham mais informações sobre as configurações do sensor PEC além da arquitetura de sensores baseadas em bobinas do detector.

Protocol

1. Extrair a taxa de decaimento β de um sinal pec à base de bobina de detector disponível

1. Expresse um sinal pec capturado experimentalmente disponível (ou seja, uma tensão de bobina de detector de domínio do tempo (denotada como V(t)))na forma logarítica de ln[V(t)]. Um sinal típico pec expresso na forma de ln[V(t)]é mostrado na Figura 1.
2. Encontre uma região linear na forma de tal que o sinal satisfaça a condição em que . De acordo com o sinal na Figura 1,passa a ser uma região linear satisfatória e praticável.
3. Conforme ilustrado na Figura 2, encaixe o modelo de linha reta com os dados de sinal experimental dentro da região linear identificada e estime o valor do β.

2. Quantificação de espessura relativa

1. Suponha que existam vários sinais (Figura 3)adquiridos de uma tarefa NDE realizada em uma peça de teste ferromagnético condutor com espessura variável. Primeiro, identifique uma região linear comum a todos os sinais e extraia valores β. De acordo com os sinais na Figura 3,parece ser uma região linear adequada e praticável.
2. Selecione o valor máximo β e rotulá-lo como β_ref uma vez que o valor β máximo deve, em princípio, corresponder à espessura máxima de acordo com o βσd ² proporcionalidade^6,7,8.
3. Expresse percentual de espessura relativa na forma, onde o índice corresponde à ^{medida th.}

Instalação de 3. PEC_Signal_Processor

1. Localizar o arquivo PEC_Signal_Processor.exe. Clique duas vezes no arquivo e deixe executar.
2. Quando a interface abaixo aparecer, clique em seguida. Quando a interface aparecer, especificar a localização do arquivo para instalação e marcar a caixa de seleção adicione um atalho à área de trabalho para adicionar o ícone do software à área de trabalho. Em seguida, clique em seguida.
3. Especifique o local de instalação para o ambiente de tempo de execução necessário e clique em seguida. Se o ambiente de tempo de execução necessário já estiver instalado, basta clicar em next.
4. Leia e concorde com os termos e condições da licença solicitado. Em seguida, clique em instalar.
5. Clique no acabamento quando a instalação estiver concluída. O ícone da área de trabalho aparecerá.

4. Preparação de sinais

1. Certifique-se de que as saídas do sensor PEC [sinais brutos, ou seja, V(t)]sejam organizadas como uma tabela.
2. Copie a tabela contendo sinais para a área de trabalho (ou para uma pasta contida no diretório dos pais onde o aplicativo é instalado). Por conveniência, o desktop é recomendado.

5. Executar o aplicativo

1. Clique duas vezes no ícone da área de trabalho para executar o aplicativo. A interface será aberta.
2. Carregue sinais clicando na aba Carregador de Sinais e selecione o arquivo contendo os sinais para importar os sinais para a interface de software.
3. Espere até que o número de sinais que está contido dentro da tabela contendo sinais brutos aparecem na frente do número de sinais =.
4. Clique nos Sinais de Enredo e observe os sinais traçados em escala logarítica.
5. Clique na aba Zoom e ajuste a janela do enredo para que a região linear seja claramente visível.
6. Após a observação, decida sobre margens razoáveis inferiores e superiores para a região linear e entre nos valores dos espaços de texto editáveis.
7. Clique nas margens do enredo e aguarde que as margens sejam traçadas em verde.
8. Clique em Extrato Recursos e observe como segmentos de linha reta são traçados em vermelho.
9. Clique no Calcular a Espessura Relativa e observe como um histograma de valores calculados de espessura relativa é traçado.
10. Clique em Salvar espessura relativa para salvar os valores calculados de espessura relativa. Fornecer um nome de arquivo e clique OK.
11. Confirme o nome do arquivo clicando ok novamente para confirmar o nome do arquivo. Os valores relativos da espessura serão conservados como uma tabela no desktop.

Results

Os resultados representativos desta seção foram gerados usando os sinais pec fornecidos como material suplementar com referência^8; como mencionado acima, os sinais foram capturados em amostras de ferro fundido cinza extraído do leito de teste de tubos em Sydney Austrália, cuja localização e detalhes vintage são fornecidos em referências^9,10,11.

A Figura 1

Discussion

Foi apresentado um protocolo para quantificar a espessura relativa (ou seja, espessura em percentagem no que diz respeito a uma referência) de materiais ferromagnéticos condutores utilizando sensores pec à base de bobina de detector. A principal vantagem deste método é a capacidade de superar o requisito de calibração (ou seja, superar a necessidade de medir ou estimar a permeabilidade magnética e a condutividade elétrica do material que está sendo inspecionado para permitir a quantificação da espessura). O protocolo env...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Um sistema de detecção PEC baseado em bobina detectora.	N/A		Os resultados representativos deste trabalho foram gerados utilizando o sistema PEC desenvolvido pela University of Technology Sydney (UTS), Austrália e publicado em trabalhos 6,8. Este sistema pode ser acessível aos leitores por meio da colaboração com a UTS.
Um material ferromagnético condutor adequado de espessura variável.	N/A		Os resultados representativos deste trabalho foram gerados pela aquisição de medições de PEC em peças de teste de ferro fundido cinzento extraídas de um banco de testes de tubos localizado em Sydney, Austrália, cuja localização e detalhes de safra estão disponíveis nas referências 9-11. O banco de ensaio de tubos, bem como as amostras de calibração extraídas, podem ser acessíveis aos leitores através da colaboração com a UTS.
Uma plataforma de computação para processamento de sinais PEC	MathWorks, Natick, MA, EUA.		É necessária uma plataforma de computação na qual o algoritmo de processamento de sinal PEC possa ser codificado e executado. Nesta publicação, o processamento do sinal PEC foi feito usando um executável de software denominado "PEC_Signal_Processor", produzido usando MATLAB R2017b, Editora: MathWorks, Natick, MA, EUA.
Um aplicativo que pode produzir uma tabela contendo sinais PEC brutos (por exemplo, Microsoft Office Excel).	Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Redmond, Washington, EUA.		O Microsoft Office Excel (Office 16) foi utilizado para o trabalho desta publicação.