Summary
Ici, nous présentons un protocole pour quantifier l'épaisseur relative (c.-à-d., l'épaisseur en pourcentage par rapport à une référence) des matériaux ferromagnetic conductifs utilisant des capteurs de courant pulsé à bobine de détecteur, tout en surmontant l'étalonnage Exigence.
Abstract
La quantification de l'épaisseur des matériaux ferromagnetic conductifs au moyen d'une évaluation non destructive (NDE) est un élément crucial de la surveillance structurelle de la santé de l'infrastructure, en particulier pour évaluer l'état de la conduite de grand diamètre les tuyaux ferromagnetic trouvés dans les secteurs de l'énergie, de l'eau, du pétrole et du gaz. La détection du courant de remous pulsé (PEC), en particulier l'architecture des capteurs PEC à bobines de détecteur, s'est imposée au fil des ans comme un moyen efficace de servir cet objectif. Des approches pour la conception de capteurs PEC ainsi que des signaux de traitement ont été présentées dans des travaux antérieurs. Ces dernières années, l'utilisation du taux de décomposition du signal PEC du domaine de la bobine de détecteur aux fins de quantification de l'épaisseur a été étudiée. Ces travaux ont établi que la méthode basée sur le taux de désintégration détient la généralité de l'architecture du capteur à bobine s'appuie sur le détecteur, avec un certain degré d'immunité à des facteurs tels que la forme et la taille du capteur, le nombre de virages enroulés, et l'excitation. En outre, cette méthode a montré son efficacité dans NDE de grands tuyaux en fonte grise. À la suite de cette littérature, l'objectif de ce travail est explicitement PEC détecteur détecteur de tension de carie de carie de carie de carie à base de taux de quantification de l'épaisseur du matériau ferromagnetic basé sur le taux. Cependant, le défi rencontré par cette méthode est la difficulté de l'étalonnage, en particulier quand il s'agit d'applications telles que l'évaluation in situ de l'état des tuyaux depuis la mesure des propriétés électriques et magnétiques de certains matériaux de tuyauterie ou l'obtention de l'étalonnage échantillons est difficile dans la pratique. Motivé par ce défi, contrairement à l'estimation de l'épaisseur réelle comme l'ont fait certains travaux antérieurs, ce travail présente un protocole pour l'utilisation de la méthode basée sur le taux de décomposition pour quantifier l'épaisseur relative (c.-à-d. l'épaisseur d'un endroit particulier par rapport à un l'épaisseur maximale), sans l'exigence d'étalonnage.
Introduction
La technique de détection du courant de remous pulsé (PEC) est peut-être le membre le plus polyvalent de la famille des techniques d'évaluation non destructive (NDE) du courant de remous (EC) et a de nombreuses applications dans la détection et la quantification des défauts, ainsi que la géométrie des métaux et des structures métalliques1. La quantification d'épaisseur des structures ferromagnetic conductrices de mur-comme, ayant des épaisseurs de mur de pas plus de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres, est un service d'ingénierie à forte demande dans le domaine de la surveillance structurale de santé de l'infrastructure. Les infrastructures essentielles faites d'alliages ferromagnetic qui nécessitent ce service sont couramment disponibles dans les industries de l'énergie, de l'eau, du pétrole et du gaz. Alors que les capteurs PEC peuvent être conçus suivant plusieurs architectures, l'architecture à bobinede détecteur a été déterminé pour être le plus efficace et couramment utilisé dans l'évaluation de l'état des matériaux ferromagnetic2,3,4,5. Par conséquent, c'est l'architecture du capteur PEC à bobine de détecteur qui pose les bases du problème de la quantification de l'épaisseur des matériaux ferromagnetic conductifs.
L'architecture du capteur PEC à base de bobines de détecteur est généralement composée de deux bobines concentriquement enroulées, cœur d'air,conductrices 2,3,4,5,6 (généralement bobines de cuivre). Il est assez fréquent de vent ces bobines d'être circulaire dans la forme2,3,4,5,6, mais parfois, rectangulaire bobines de forme6 ont été utilisés. Des deux bobines dans le capteur, l'une se comporte comme une bobine d'exciteur tandis que l'autre agit comme la bobine de détecteur. Dans un capteur PEC, la bobine d'excitant est excitée par une impulsion de tension - quelque chose qui peut être caractérisé comme une fonction d'étape Heaviside en principe. Cette excitation pulsée génère un champ magnétique transitoire (appelé le champ principal) autour du capteur. Lorsque le capteur est placé à côté d'une pièce d'essai conductrice (p. ex., une structure conductrice ressemblant à une paroi ferromagnétique), ce champ magnétique transitoire induit des courants de remous variables dans la pièce d'essai. Ces courants de remous génèrent un champ magnétique secondaire (appelé champ secondaire) qui s'oppose au champ primaire. En réponse à l'effet résultant des champs primaires et secondaires, une tension transitoire est induite dans la bobine de détecteur - qui devient le signal de PEC de domaine de temps d'intérêt pour ce travail.
Le taux de désuture de la tension de la tension de la bobine de détecteur de détecteur de PEC (dénoté comme étant ') a été rapporté6,7,8 pour montrer la proportionnalité de 
2, lorsqu'un signal est acquis plaçant un capteur PEC au-dessus d'une couche ferromagnetic conductive de perméabilité magnétique, conductivité électrique , et l'épaisseur d. Bien que cette fonction de signal de débit de désuétude ait une immunité considérable à des paramètres tels que la taille du capteur, la forme du capteur et le décollage6,7,8, ce qui rend le taux de désintégration hautement souhaitable pour les scénarios de NDE difficiles tels que l'évaluation de l'état du tuyau in situ9,10,11, cette fonctionnalité doit être calibrée (c.-à-d., , , de l'estimation du matériau inspecté) pour permettre l'épaisseur (c.-à-d. , d) quantification. Pour permettre des méthodes conventionnelles de quantification d'épaisseur basée sur le taux de décomposition6,8, cet étalonnage doit être fait en extrayant des échantillons d'étalonnage6,8 ou en impliquant des méthodes de caractérisation des matériaux à base de courant de remous12,13. Alternativement, la complexité de l'étalonnage peut être évitée en représentant l'épaisseur sous forme d'épaisseur relative. Supposons qu'un exercice NDE soit effectué et que les valeurs de l'A soient extraites des signaux, alors, la valeur de la valeur du point d'épaisseur maximum dans la pièce d'essai est considérée comme une référence (c.-à-d. , ref 'max max2); puis, l'épaisseur de tout autre emplacement peut être représentée en 
pourcentage de l'épaisseur maximale dans la forme, présentant une épaisseur relative comme la sortie, qui est toujours utile information qualitative comme une sortie NDE qui porte également la simplicité de ne pas avoir à calibrer pour ' ,. Le protocole présenté ici décrit les étapes à suivre pour y parvenir.
Étant donné que le taux de désintégration montre la généralité à l'architecture du capteur PEC à bobine de détecteur tout en montrant l'immunité aux paramètres de la conception du capteur ainsi que le décollage6,7,8,14, les praticiens peuvent utiliser n'importe quel détecteur à bobine basée sur le système de détection PEC de leur choix sur un matériau ferromagnetic conductif approprié pour effectuer la quantification relative de l'épaisseur suivant le protocole ici. Un exemple de conception de capteur PEC pour un matériau ferromagnetic conducteur est disponible pour les lecteurs intéressés15. Les signaux et les résultats présentés dans ce travail ont été acquis à l'aide du système PEC développé par l'Université de technologie de Sydney6,8. Le matériau ferromagnetic conducteur utilisé pour les résultats représentatifs acquis par le système PEC est la fonte grise extraite d'un lit d'essai de tuyau9,10,11 à Sydney en Australie.
Il convient de noter que les méthodes, les résultats et les discussions présentés dans cette publication se concentrent explicitement sur l'utilisation du taux de désintégration du signal de désuture du signal de domaine du domaine PEC basé sur la bobine de détecteur pour la quantification de l'épaisseur des matériaux ferromagnetic conductifs. La publication n'inclut pas une discussion plus large sur les conventions générales des principes de détection pec et les configurations de capteurs. D'autres travaux publiés16,17,18 peuvent être utiles pour les lecteurs d'acquérir plus de perspicacité sur les configurations de capteurs PEC autres que l'architecture de capteur à bobine de détecteur.
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Protocol
1. Extraire le taux de désintégration à partir d'un signal PEC à bobine s'il y a du détecteur disponible
- Exprimer un signal PEC capturé expérimentalement (c.-à-d. une tension de bobine de détecteur de domaine temporel (dénotée comme V(t)))sous la forme logarithmique de ln[V(t)]. Un signal PEC typique exprimé sous la forme de ln[V(t)] est indiqué à la figure 1.
- Trouver une région linéaire
sous la forme de telle que 
le signal satisfait à la condition où . Selon le signal de 
la figure 1, il se trouve qu'il s'agit d'une région linéaire satisfaisante et réalisable. - Comme l'illustre la figure 2
, s'adapter au modèle linéaire aux données de signal expérimental dans la région linéaire identifiée et estimer la valeur de l'utilisationde l'accès à l'objet de l'utilisation .
sous la forme de telle que 
le signal satisfait à la condition où . Selon le signal de 
la figure 1, il se trouve qu'il s'agit d'une région linéaire satisfaisante et réalisable.
, s'adapter au modèle linéaire aux données de signal expérimental dans la région linéaire identifiée et estimer la valeur de l'utilisationde l'accès à l'objet de l'utilisation .2. Quantification de l'épaisseur relative
- Supposons qu'il y ait plusieurs signaux (figure 3) acquis à partir d'une tâche NDE effectuée sur une pièce d'essai furomagnetic conductrice ayant une épaisseur variable. Tout d'abord, identifier une région linéaire commune à tous les signaux et extraire des valeurs. Selon les signaux de
la figure 3, semble être une région linéaire adéquate et réalisable. - Sélectionnez la valeur maximale de l'étiquette et étiquetez-la comme « ref » puisque la valeur maximale de l'aétée doit en principe correspondre à l'épaisseur maximale selon la
proportionnalité del'étiquettedel'ad 2 6,7,8. - Exprimer le pourcentage d'épaisseur relative dans la forme,
où l'indice 
correspond à la 
mesure e.
la figure 3, semble être une région linéaire adéquate et réalisable.
correspond à la 
mesure e.3. installation PEC_Signal_Processor
- Localiser le fichier PEC_Signal_Processor.exe. Double cliquez sur le fichier et permettre d'exécuter.
- Lorsque l'interface ci-dessous apparaît, cliquez sur Suivant. Lorsque l'interface apparaît, spécifiez l'emplacement du fichier pour l'installation, et cochez la case à cocher Ajouter un raccourci au bureau pour ajouter l'icône logicielle au bureau. Ensuite, cliquez sur Suivant.
- Spécifiez l'emplacement d'installation pour l'environnement De runtime requis, puis cliquez sur Suivant. Si l'environnement Runtime requis est déjà installé, cliquez sur Suivant.
- Lisez et acceptez d'obtenir des conditions de licence. Ensuite, cliquez sur Installer.
- Cliquez sur Terminer lorsque l'installation est terminée. L'icône de bureau s'affiche.
4. Préparation des signaux
- Assurez-vous que les sorties du capteur PEC [signaux bruts, c'est-à-à-d., V(t)sont disposées comme une table.
- Copiez le tableau contenant des signaux au bureau (ou à un dossier contenu dans l'annuaire parent où l'application est installée). Pour plus de commodité, le bureau est recommandé.
5. Exécution de l'application
- Double cliquez sur l'icône de bureau pour exécuter l'application. L'interface s'ouvrira.
- Chargez les signaux en cliquant sur l'onglet Signaux de charge et sélectionnez le fichier contenant les signaux afin d'importer les signaux à l'interface logicielle.
- Attendez que le nombre de signaux contenus dans le tableau contenant des signaux bruts apparaisse devant le nombre de signaux.
- Cliquez sur Plot Signals et observez les signaux tracés à l'échelle logarithmique.
- Cliquez sur l'onglet Zoom et ajustez la fenêtre de l'intrigue pour que la région linéaire soit clairement visible.
- Après observation, décider des marges inférieures et supérieures raisonnables pour la région linéaire et entrer les valeurs dans les espaces de texte modifiables.
- Cliquez sur les marges de parcelle et attendez que les marges soient tracées en vert.
- Cliquez sur Extrait Caractéristiques et observez comment les segments en ligne droite sont tracés en rouge.
- Cliquez sur Calculer l'épaisseur relative et observer comment un histogramme de valeurs d'épaisseur relative calculées est tracé.
- Cliquez sur Enregistrer l'épaisseur relative pour enregistrer les valeurs d'épaisseur relatives calculées. Fournir un nom de fichier et cliquez sur OK.
- Confirmez le nom de fichier en cliquant à nouveau sur OK pour confirmer le nom du fichier. Les valeurs d'épaisseur relatives seront enregistrées sous forme de table sur le bureau.
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Representative Results
Des résultats représentatifs dans cette section ont été générés à l'aide des signaux du PEC fournis comme matériel supplémentaire avec la référence8; comme mentionné ci-dessus, les signaux ont été capturés sur des échantillons de fonte grise extraits du lit d'essai de pipe à Sydney en Australie, dont l'emplacement et les détails vintage sont fournis dans les références9,10,11.
La figure 1 montre la forme typique d'un signal de domaine temporel (exprimé sous la forme logarithmique) capturé à partir d'un capteur PEC basé sur la bobine de détecteur tandis que la figure 2 montre une région linéaire indicative du signal logarithmique comme t 'gt;gt; 0 à partir de laquelle la fonction de taux de désintégration est extraite. Plusieurs signaux PEC sont indiqués à la figure 3; un signal indiquant une valeur maximale indicative est inclus. Une telle valeur maximale peut être utilisée comme valeurs de 
référence pour quantifier l'épaisseur relative à l'aide de l'équation.
Le tableau 1 montre certaines valeurs extraites ainsi que des valeurs d'épaisseur relative qui ont été quantifiées à l'aide d'elles. Les résultats du tableau 1 ont été produits pour le boîtier de décollage de 14 mm présenté à la figure 20 de la référence8; les signaux PEC bruts correspondants capturés sur la fonte grise sont disponibles dans le matériel supplémentaire fourni avec la référence8. La première colonne du tableau 1 fournit l'épaisseur réelle (en millimètres) des pièces d'essai en fonte grise sur lesquelles les signaux PEC ont été capturés tandis que la deuxième colonne contient les valeurs correspondantes. La valeur maximale de l'aisance (c.-à-d. 0,010078491) est considérée comme la valeur de référence (c.-à-d. ref). Dans la troisième colonne sont fournies les valeurs 
d'épaisseur relative correspondantes résultant d'une quantification comme et la dernière colonne énumère les valeurs d'épaisseur relative réelles correspondantes calculées à l'aide des valeurs d'épaisseur réelles énumérées dans la première colonne. Une parcelle des valeurs d'épaisseur relative réelles par rapport aux valeurs d'épaisseur relatives calculées à partir des signaux PEC (c.-à-d., calculées à l'aide de valeurs de l'identation) est indiquée à la figure 4. Une corrélation de plus de 99 % entre les estimations et la réalité observée sur cet ensemble de données indique l'efficacité de la méthode de quantification de l'épaisseur relative.
Figure 1 : Forme typique d'un signal PEC, c'est-à-d., tension de bobine de détecteur induite (c.-à-d., V(t)) exprimée sous la forme de ln[V(t)]. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Région représentative d'un signal PEC à bobine s'est exprimée sous la forme ln[V(t)], comme t 'gt; 0, d'où la fonction de taux de désintégration (c.-à-d., )devrait être extraite. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Signaux PEC multiples résultant d'un exercice NDE (exécuté sur fonte grise) affichant un signal indiquant indicatif une valeur maximale, qui devrait en principe représenter qualitativement une épaisseur maximale selon la proportionnalité6,15: 'd2. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Corrélation entre l'épaisseur relative % quantifiée à partir de l'épaisseur réelle et l'épaisseur relative % quantifiée à partir de l'épaisseur (d'après les mesures effectuées sur la fonte grise). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Épaisseur réelle de la pièce d'essai (mm) | Valeur extraite du signal PEC | Épaisseur relative % Quantifié e à partir de | Épaisseur relative % Quantifiée de l'épaisseur réelle |
| 3 | 0.000228395 | 15.05379428 | 15 |
| 5 | 0.000538137 | 23.10728068 | 25 |
| 7 | 0.001018941 | 31.79631773 | 35 |
| 9 | 0.001701758 | 41.09141494 | 45 |
| 11 | 0.003091023 | 55.38005157 | 55 |
| 15 | 0.005853939 | 76.2125254 | 75 |
| 20 | 0.010078491 | 100 | 100 |
Tableau 1 : Certaines valeurs extraites ainsi que l'épaisseur relative quantifiée de la fonte grise.
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Discussion
Un protocole pour quantifier l'épaisseur relative (c.-à-d. l'épaisseur en pourcentage par rapport à une référence) des matériaux ferromagnetic conductrices utilisant des capteurs PEC à bobines de détecteur a été présenté. Le principal avantage de cette méthode est la capacité de surmonter l'exigence d'étalonnage (c.-à-d., surmonter la nécessité de mesurer ou d'estimer la perméabilité magnétique et la conductivité électrique du matériau inspecté pour permettre la quantification de l'épaisseur). Le protocole comprend la représentation logarithmique du signal PEC du domaine temporel, l'identification d'une région linéaire aux stades postérieurs du signal, l'ajustement d'une ligne droite à la région linéaire et l'extraction du taux de décomposition (c.-à-d., )et la quantification de l'épaisseur relative par rapport à une référence à travers l'équation , qui annule les propriétés matérielles (c.-à-d., ) et produit une épaisseur relative due à la proportionnalité de l'ad2. Les résultats expérimentaux(tableau 1 et figure 4) montrent l'efficacité de la méthode de quantification de l'épaisseur relative du protocole dans ce travail.
Assurez-vous que les lignes directrices de la section 4 sont suivies lors de la préparation des données en cours d'importation vers l'interface logicielle. Pour éviter une lourde charge sur le matériel de calcul et de graphiques, organisez les signaux dans plusieurs tables afin que les fichiers de données de plus petite taille puissent être traités séparément. Il n'est pas facile d'imposer des restrictions réelles sur la taille des fichiers de données car cela dépend de la puissance de calcul disponible pour les utilisateurs. Quelques essais et erreurs sont recommandés pour identifier les restrictions de taille de fichier qui peuvent s'appliquer en fonction de la puissance de calcul disponible pour les utilisateurs. En termes de modifications, les utilisateurs peuvent être en mesure de programmer leurs propres progiciels avec plusieurs, ou n'importe quel algorithme de traitement de signal PEC de leur choix, en utilisant n'importe quelle plate-forme de calcul de leur choix. Un examen des algorithmes de traitement de signal pec récemment publiés pour la quantification d'épaisseur des matériaux ferromagnetic conductrices est disponible19.
Un facteur crucial qui affectera la précision des valeurs d'épaisseur relatives estimées est l'adéquation de la force d'excitation. La référence8 a indiqué que trop peu de force d'excitation peut limiter la profondeur de pénétration réduisant la sensibilité aux valeurs d'épaisseur élevées tandis que trop de force d'excitation peut limiter la sensibilité aux valeurs basses d'épaisseur. Ce problème avec la force d'excitation signifie que si une plage d'épaisseur particulière d'un matériau particulier est évaluée avec une force d'excitation inadéquate, bien que le taux de décomposition résultant puisse encore être sensible à l'épaisseur, il peut être inexact en valeur de suivre universellement le principe de 2 , ce qui peut éventuellement entraîner des valeurs d'épaisseur relative erronées quantifiées comme . Cette limitation doit être prise en compte par les praticiens dans les situations où la précision stricte dans les résultats quantitatifs NDE importe. Toutefois, cela ne devient pas un problème dans les situations où les extrants quantitatifs ne sont pas essentiels et où la représentation qualitative de l'état de la pièce d'essai suffit. Puisque la définition d'une procédure pour régler la force d'excitation sans l'utilisation d'échantillons d'étalonnage ayant connu l'épaisseur n'est pas triviale, une bonne pratique pour contrer toute ambiguïté avec la force d'excitation sera de recueillir des signaux sous une gamme d'excitation des forces. Ces approches généreront des ensembles de données riches qui forment des bases pour certains post-traitement avancés et peuvent être utiles pour les tâches NDE effectuées par des moyens robotiques10,11. De plus, les propriétés électriques et magnétiques de certains matériaux ferromagnetic conducteurs inhomogènes, comme la fonte grise rencontrée dans certaines conduites d'eau critiques vieillies, présentent une variance considérable8. Cette variance impose que les propriétés soient différentes au sein d'une cohorte de tuyaux, ou parfois même dans un seul tuyau d'un endroit à l'autre, ce qui rend l'étalonnage d'autant plus difficile. Une telle variation des propriétés matérielles servira également de source d'erreur pour la méthode prescrite dans ce travail lorsque la NDE est effectuée sur ces matériaux inhomogènes.
Des travaux récents ont démontré l'utilisation fréquente et continue de la détection PEC pour l'évaluation de l'état des tuyaux critiques8,9,10,11,20,21,22. Ces travaux ont tendance à produire de grandes quantités de données PEC et bénéficieraient de protocoles et de cadres d'analyse de signaux similaires à celui présenté dans ce travail. En parallèle aux travaux sur les tuyaux critiques, il ya eu un intérêt accru pour la recherche sur l'évaluation de l'état des égouts en béton ainsi ces dernières années23,24,25,26,27,28,29,30,31. Avec ces travaux, la technique de détection PEC a trouvé l'utilisation dans l'évaluation de l'état des égouts renforcés en acier ainsi32. Les protocoles d'analyse de signaux du PEC, comme celui présenté dans le présent ouvrage, peuvent être utiles pour l'analyse des grandes quantités de données PEC produites à la suite de ces travaux liés à l'évaluation de l'état.
Les étapes critiques de la méthode peuvent être énumérées comme : (1) l'organisation des signaux bruts de PEC [V(t)] comme table ; (2) charger les signaux bruts à l'interface logicielle; (3) tracer les signaux à l'échelle logarithmique et visualiser (c.-à-d. tracer des signaux sous formeln[t)] ); (4) inspecter visuellement les signaux tracés et identifier une plage linéaire appropriée; (5) extraction d'entités d'exécution; (6) quantification relative de l'épaisseur; et (7) enregistrer les résultats. La section 3 fournit des lignes directrices étape par étape plus détaillées pour effectuer les tâches énumérées ci-dessus.
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Disclosures
Les auteurs n'ont aucun conflit d'intérêts à divulguer. Les auteurs aimeraient recommander des œuvres2,6,7,8,9,10,11 comme matériel de lecture supplémentaire.
Acknowledgments
Les auteurs tient à souligner les contributions de Michael Behrens et Damith Abeywardana dans la conception et la mise en œuvre de plusieurs composants matériels de détection. Les rôles de supervision de la recherche joués par Alen Alempijevic, Teresa Vidal-Calleja, Gamini Dissanayake et Sarath Kodagoda, ainsi que les contributions de toutes les personnes et organisations qui ont financé et établi un partenariat avec le Projet des tuyaux critiques, sont également reconnus .
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| A Detector Coil-based PEC Sensing System. | N/A | The representative results in this work were generated using the PEC system developed by University of Technology Sydney (UTS), Australia and published in works 6,8. This system may be accessible to readers via collaborating with UTS. | |
| A suitable conductive ferromagnetic material of varying thickness. | N/A | The representative results in this work were generated by acquiring PEC measurements on grey cast iron test pieces extracted from a pipe test-bed located in Sydney Australia, whose location and vintage details are available in references 9-11. The pipe test-bed as well as the extracted calibration samples may be accessible to readers via collaborating with UTS. | |
| A computation platform for PEC signal processing | MathWorks, Natick, MA, USA. | A computation platform in which the PEC signal processing algorithm can be coded and executed is required. In this publication, PEC signal processing was done using a software executable named "PEC_Signal_Processor", produced using MATLAB R2017b, Publisher: 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) was used for the work of this publication. |
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