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 ferromagnetici2,3,4,5. 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 forma2,3,4,5,6, ma occasionalmente sono state utilizzate bobine a forma rettangolare6. 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 segnalato6,7,8 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 decollo6,7,8, il che rende il tasso di decadimento altamente desiderabile per scenari NDE impegnativi come la valutazione della condizione del tubo in situ9,10,11, 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 decadimento6,8, questa calibrazione deve essere effettuata estraendo campioni di calibrazione6,8 o coinvolgendo i metodi di caratterizzazione delle proprietà del materiale basato sulla correnteeddy 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 decollo6,7,8,14, 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 Sydney6,8. Il materiale ferromagnetico conduttivo utilizzato per risultati rappresentativi acquisiti dal sistema PEC è il gesso grigio estratto da un tubo di prova-letto9,10,11 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 pubblicati16,17,18 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.
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Protocol
1. Estrazione del tasso di decadimento da un segnale PEC basato sulla bobina del rilevatore disponibile
- 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.
- 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. - 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 .
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.
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
- 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. - 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. - Esprimere la percentuale
di spessore 
relativo 
nel modulo , in cui l'indice corrisponde alla misurazione th.
Figura 3, sembra essere una regione lineare adeguata e praticabile.
relativo 
nel modulo , in cui l'indice corrisponde alla misurazione th.3. installazione PEC_Signal_Processor
- Individuare il file PEC_Signal_Processor.exe. Fare doppio clic sul file e consentire l'esecuzione.
- 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.
- 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.
- Leggere e accettare di richiedere le condizioni e le condizioni di licenza. Quindi fare clic su Installa.
- Al termine dell'installazione, fare clic su Fine. Apparirà l'icona del desktop.
4. Preparazione dei segnali
- Assicurarsi che le uscite del sensore PEC [segnali grezzi, cioè V(t)] siano disposte come una tabella.
- 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
- Fare doppio clic sull'icona del desktop per eseguire l'applicazione. L'interfaccia si aprirà.
- Caricare i segnali facendo clic sulla scheda Carica segnali e selezionare il file contenente i segnali per importare i segnali nell'interfaccia software.
- Attendere fino a quando il numero di segnali contenuti all'interno della tabella contenente i segnali raw appaiono davanti al numero di segnali .
- Fare clic su Segnali di stampa e osservare i segnali tracciati in scala logaritmica.
- Fare clic sulla scheda Ingrandimento e regolare la finestra di stampa affinché l'area lineare sia chiaramente visibile.
- Dopo l'osservazione, decidere i margini inferiore e superiore ragionevoli per l'area lineare e immettere i valori negli spazi di testo modificabili.
- Fare clic su Traccia margini e attendere che i margini vengano tracciati in verde.
- Fare clic su Estrai funzioni e osservare come i segmenti di linea retta vengono tracciati in rosso.
- Fare clic su Calcola spessore relativo e osservare come viene tracciato un istogramma dei valori di spessore relativo calcolati.
- Fare clic su Salva spessore relativo per salvare i valori di spessore relativo calcolati. Specificare un nome di file e fare clic su OK.
- 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.
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Representative 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 riferimenti9,10,11.
La figura 1 mostra la forma tipica di un segnale di dominio temporale (espresso nella forma logaritmica) acquisito da un sensore PEC basato sulla bobina del rilevatore, mentre la figura 2 mostra una regione lineare indicativa del segnale logaritmico come t >> 0 da cui viene estratta la funzione di decadimento. Più segnali PEC sono mostrati nella Figura 3; è incluso un segnale che mostra un valore di valore indicativo massimo. Tale valore massimo può essere utilizzato come valore di riferimento per 
quantificare lo spessore relativo utilizzando l'equazione .
La tabella 1 mostra alcuni valori estratti di z insieme a valori di spessore relativi che sono stati quantificati utilizzandoli. I risultati della tabella 1 sono stati prodotti per il caso di decollo di 14 mm presentato nella figura 20 del riferimento8; i corrispondenti segnali PEC grezzi catturati sulla ghisa grigia sono disponibili nel materiale supplementare fornito con riferimento8. La prima colonna della Tabella 1 fornisce lo spessore effettivo (in millimetri) dei pezzi di prova in ghisa grigia su cui sono stati catturati i segnali PEC, mentre la seconda colonna contiene i corrispondenti valori . Il valore massimo di , ovvero, 0,010078491, è considerato come il valore di riferimento (ad es. Nella terza colonna sono riportati i corrispondenti valori 
di spessore relativo risultanti quando quantificati come e l'ultima colonna elenca i valori di spessore relativo effettivi corrispondenti calcolati utilizzando i valori di spessore effettivi elencati nella prima colonna. Nella figura 4è riportato un grafico dei valori di spessore relativo effettivi rispetto ai valori di spessore relativi calcolati dai segnali PEC (cioè calcolati utilizzando i valori di z). Una correlazione di oltre il 99% tra le stime e la realtà osservata in questo set di dati indica l'efficacia del metodo di quantificazione dello spessore relativo.
Figura 1: forma tipica di un segnale PEC, cioè la tensione della bobina del rivelatore indotta (cioè V(t)) espressa sotto forma di ln[V(t)]. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Una regione rappresentativa di un segnale PEC basato sulla bobina del rivelatore espresso nella forma ln[V(t)], come t >> 0, da cui deve essere estratta la funzione di decadimento (cioè, ). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: più segnali PEC risultanti da un esercizio NDE (eseguito su ghisa grigia) che mostra un segnale indicativo che mostra un valore massimo di z, che dovrebbe in linea di principio rappresentare qualitativamente uno spessore massimo in base alla proporzionalità6,15: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figura 4: Correlazione tra la % dell'spessore relativo quantificata dallo spessore effettivo e la % di spessore relativo quantificata da , (in base alle misurazioni eseguite sulla ghisa grigia). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Spessore effettivo del pezzo di prova (mm) | - Valore estratto dal segnale PEC | % spessore relativo Quantificato da | % spessore relativo quantificato dall'spessore effettivo |
| 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 |
Tabella 1: Alcuni valori estratti con lo spessore relativo quantificato della ghisa grigia.
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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 prevede la rappresentazione logaritmica del segnale PEC del dominio temporale, l'identificazione di una regione lineare nelle fasi successive del segnale, l'adattamento di una linea retta alla regione lineare e l'estrazione del tasso di decadimento (ad es., )e la quantificazione dello spessore relativo rispetto a un riferimento tramite l'equazione , che annulla le proprietà del materiale (ad es. I risultati sperimentali (Tabella 1 e Figura 4) mostrano l'efficacia del metodo di quantificazione dello spessore relativo dal protocollo in questo lavoro.
Assicurarsi che le linee guida nella Sezione 4 siano seguite durante la preparazione dei dati per l'importazione nell'interfaccia software. Per evitare un carico pesante sul calcolo e l'hardware grafico, disporre i segnali in più tabelle in modo che i file di dati di dimensioni inferiori possano essere elaborati separatamente. Non è facile imporre restrizioni effettive sulla dimensione dei file di dati in quanto ciò dipende dalla potenza di calcolo disponibile per gli utenti. Si consigliano alcuni test di prova ed errori per identificare eventuali restrizioni relative alle dimensioni dei file che possono essere applicate in base alla potenza di calcolo disponibile per gli utenti. In termini di modifiche, gli utenti possono essere in grado di programmare i propri pacchetti software con più, o qualsiasi algoritmi di elaborazione del segnale PEC di loro scelta, utilizzando qualsiasi piattaforma di calcolo di loro scelta. È disponibile una revisione degli algoritmi di elaborazione del segnale PEC pubblicati di recente per la quantificazione degli spessori di materiali ferromagnetici conduttivi19.
Un fattore cruciale che influenzerà l'accuratezza dei valori di spessore relativo stimati è l'adeguatezza della forza di eccitazione. Il riferimento8 ha riportato come una forza di eccitazione troppo bassa possa limitare la profondità di penetrazione riducendo la sensibilità ai valori di spessore elevato, mentre troppa forza di eccitazione può limitare la sensibilità a valori di spessore basso. Questo problema con la forza di eccitazione significa che se un particolare intervallo di spessore di un particolare materiale viene valutato con una forza di eccitazione inadeguata, anche se il tasso di decadimento risultante potrebbe essere ancora sensibile allo spessore, potrebbe essere impreciso valore per seguire universalmente il principio - 2 ,che può eventualmente provocare valori di spessore relativo errati quantificati come . Questa limitazione deve essere presa in considerazione dai professionisti in situazioni in cui la precisione rigorosa nei risultati NDE quantitativi conta. Tuttavia, questo non diventa un problema in situazioni in cui i risultati quantitativi non sono essenziali e la rappresentazione qualitativa della condizione del pezzo di prova è sufficiente. Poiché la definizione di una procedura per regolare la forza di eccitazione senza l'uso di campioni di calibrazione con spessore noto non è banale, una buona pratica per contrastare qualsiasi ambiguità con la forza di eccitazione sarà quella di raccogliere i segnali in una gamma di punti di forza di eccitazione. Tali approcci genereranno set di dati avanzati che formano basi per alcune post-elaborazione avanzate e possono essere utili per le attività NDE eseguite tramite mezzi robotici10,11. Inoltre, le proprietà elettriche e magnetiche di alcuni materiali ferromagnetici conduttivi inomogenei, come la ghisa grigia incudibili in alcuni tubi critici invecchiati dell'acqua, mostrano una notevole varianza8. Questa varianza impone che le proprietà siano diverse all'interno di una coorte di tubi, o a volte anche all'interno di un singolo tubo da una posizione all'altra, rendendo la calibrazione ancora più impegnativa. Tale variazione nelle proprietà dei materiali agirà anche come fonte di errore per il metodo prescritto in questo lavoro quando NDE viene eseguita su tali materiali inomogenei.
Recenti lavori hanno dimostrato l'uso frequente e continuato del rilevamento PEC per la valutazione delle condizioni dei tubi critici8,9,10,11,20,21,22. Tali lavori tendono a produrre grandi quantità di dati PEC e trarrebbero vantaggio da protocolli e quadri di analisi del segnale simili a quello presentato in questo lavoro. Parallelamente al lavoro sui tubi critici, c'è stato un crescente interesse per la ricerca sulla valutazione delle condizioni delle fogne di cemento e negli ultimi anni23,24,25,26,27,28,29,30,31. Insieme a tale lavoro, la tecnica di rilevamento PEC ha trovato uso nella valutazione delle condizioni delle fogne rinforzate in acciaio e32. I protocolli di analisi del segnale PEC come quello presentato in questo lavoro possono essere utili per l'analisi delle grandi quantità di dati PEC prodotti a seguito di tale lavoro relativo alla valutazione delle condizioni.
Le fasi critiche del metodo possono essere elencate come: (1) organizzare i segnali PEC non elaborati [V(t)] come tabella; (2) caricare i segnali raw sull'interfaccia software; (3) tracciare i segnali in scala logaritmica e visualizzare (cioè tracciare i segnali in forma ln[V(t)]); (4) ispezionare visivamente i segnali tracciati e identificare un intervallo lineare adatto; (5) eseguire l'estrazione delle funzioni; (6) l'esecuzione della quantificazione relativa degli spessori; e (7) salvare i risultati. Nella sezione 3 vengono fornite linee guida dettagliate per eseguire le attività elencate in precedenza.
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Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare. Gli autori desiderano consigliare opere2,6,7,8,9,10,11 come materiale di lettura aggiuntivo.
Acknowledgments
Gli autori desiderano riconoscere i contributi di Michael Behrens e Damith Abeywardana nella progettazione e nell'implementazione di diversi componenti hardware di rilevamento. Sono riconosciuti anche i ruoli di supervisione della ricerca svolti da Alen Alempijevic, Teresa Vidal-Calleja, Gamini Dissanayake e Sarath Kodagoda, nonché i contributi di tutte le persone e le organizzazioni che hanno finanziato e collaborato con il Critical Pipes Project .
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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