МАГНИТНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПА С ПРОДОЛЬНЫМ НАМАГНИЧИВАНИЕМ НА ОСНОВЕ БЛОКОВ ДАТЧИКОВ КОМБИНИРОВАННЫХ

Полезная модель относится к области магнитной дефектоскопии, к устройствам для неразрушающего контроля трубопроводов и касается магнитной измерительной системы внутритрубного дефектоскопа.
Известен комбинированный магнитный дефектоскоп с продольным намагничиванием (pipeline inspection apparatus) патент GB 2376077 А (ЗАО «НГКС») дата публикации 26.12.2000), где функции: выявления дефектов по полю рассеяния, возникшему в месте их расположения; определение принадлежности дефекта к внутренней стенке трубы; индикация искажений геометрии внутренней стенки трубы, связанной с вмятинами, поперечными швами и др., выполняются двумя кольцами с блоками датчиков, расположенных на отдельных секциях, соединенных при помощи карданового подвеса. Основным недостатком данной модели является то, что кольца с блоками датчиков размещены на разных секциях дефектоскопа, соединенных кардановым соединением, что приводит к погрешности измерения геометрии дефектов.
Наиболее близким прототипом заявленной полезной модели является магнитный дефектоскоп компании «ROSEN», описанный Markus Brors & Thomas Beuker в презентации «Combined In-Line Inspection in the Context of Pipeline Integrity» 22-September-2011, в котором определение искажений геометрии внутренней стенки трубы и определение принадлежности дефекта к внутренней стенке трубы производится двумя кольцами с блоками датчиков, каждое из которых расположено на отдельной секции, соединенных при помощи карданового соединения. Работа датчика основана на принципе возбуждения вихревых токов в стенке трубы. Искажения геометрии внутренней стенки и внутренние дефекты приводят к изменению распределения вихревых токов, которое регистрируется приемной катушкой. Внешние дефекты на работу датчика влияния не оказывают, так как вихревые токи сосредоточены в области вблизи скин-слоя, а поле намагничивания стенки трубы практически отсутствует. От типа дефекта «внутренний/внешний» - зависит алгоритм определения размеров дефекта программами постобработки данным. Основным недостатком прототипа является то, что кольцо с блоками датчиков Холла и кольцо с блоками из вихретоковых датчиков размещены на разных секциях дефектоскопа, соединенных кардановым соединением, что приводит к погрешности измерения геометрии дефектов.
Цель полезной модели - увеличить надежность прохождения дефектоскопа по трубам со сложной геометрией за счет уменьшения количества секций, уменьшить погрешность измерения геометрии дефектов и уменьшить себестоимость модели.
Технический результат получен за счет того, что два кольца с датчиками, расположенные на разных секциях дефектоскопа и соединенные кардановым соединением, объединены в одно кольцо с блоками датчиков комбинированных, которые установлены на магнитопроводе односекционного дефектоскопа с помощью подвижных кронштейнов между двух колец магнитов противоположной полярности и элементами, передающими магнитный поток в стенку трубы (фиг. 1б). В одном блоке датчиков комбинированных совмещены следующие функции: измерение магнитного поля рассеяния дефектов; определение принадлежности дефекта к внутренней стенке трубы; индикации искажений геометрии внутренней стенки. За счет уменьшения материалоемкости уменьшилась себестоимость изготовления дефектоскопа, объединение секций позволило устранить погрешности измерения, связанные с люфтом карданового соединения, уменьшение габаритов дефектоскопа позволило увеличить надежность прохождения трубопровода с поворотами.
На фиг. 1а изображен прототип магнитной измерительной системы, состоящий из двух секций, соединенных кардановым соединением;
На фиг. 1б изображена заявляемая магнитная измерительная система, состоящая из одной секции, с комбинированными блоками датчиков;
На фиг. 2 представлена функциональная схема, поясняющая работу комбинированного блока датчиков;
На фиг. 3 показаны вид блоков датчиков комбинированных со стороны стенки трубы и разрез по радиальной плоскости трубы;
На фиг. 4 изображен модуль катушек индуктивности вихретокового датчика блоков датчиков комбинированных в разрезе.
На фиг. 1б приняты следующие обозначения:
1 - кольцо из блоков датчиков комбинированных;
2 - элементы, передающие магнитный поток от магнитов к стенке трубы.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1 - катушки индуктивности;
2 - фазовые детекторы;
3 - генератор высокой частоты;
4 - дифференциальный усилитель;
5 - микросхема мультиплексора в функциональном представлении;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - преобразователь кода;
8 - датчики Холла, измеряющие поперечную составляющую индукции магнитного поля;
9 - датчики Холла, измеряющие продольную составляющую индукции магнитного поля.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:
1 - заливка компаундом;
2 - керамические вставки;
3 - датчики Холла, измеряющие продольную составляющую индукции магнитного поля;
4 - датчики Холла, измеряющие поперечную составляющую индукции магнитного поля;
5 - защитная неферромагнитная пластина, покрытая слоем износоустойчивого материала;
6 - плата;
7 - модуль катушек индуктивности.
На фиг. 4 приняты следующие обозначения:
1 - заливка компаундом;
2 - керамическая вставка;
3 - модуль катушек индуктивности вихретокового датчика блоков датчиков комбинированных;
4 - катушки индуктивности;
5 - защитная неферромагнитная пластина;
6 - плата;
7 - экранированный отсек, в котором размещена эталонная катушка индуктивности,
8 - исследуемая труба;
9 - обнаруживаемый дефект.
Заявленная магнитная измерительная система на основе блоков датчиков комбинированных состоит из цилиндрического магнитопровода, на котором между двумя кольцами магнитов противоположной полярности с помощью подвижных кронштейнов закреплено кольцо с блоками датчиков комбинированных 1 (фиг. 1б), равномерно распределенных по длине окружности кольца. Магнитный поток от магнитов к стенке трубы передается при помощи элементов 2 (фиг. 1б).
В заявленной магнитной измерительной системе для дефектоскопов один блок датчиков комбинированный (фиг. 2) совмещает в себе функции: измерение магнитного поля рассеяния дефектов, возникающего в зоне их расположения; определение принадлежности дефекта к внутренней стенке трубы; индикация искажений геометрии внутренней стенки трубы. Вихретоковый датчик состоит из двух катушек индуктивности 1 (фиг. 2), объединенных в модуле 3 (фиг. 4), расположенных соосно, одна над другой. Катушки являются элементами моста, который подключен к генератору высокой частоты 3 (фиг. 2). Напряжение с моста подается на фазовые детекторы 2 (фиг. 2), с детекторов - на дифференциальный усилитель 4 (фиг. 2). Аналогично построены еще два вихретоковых канала блоков датчиков комбинированных. При помощи мультиплексора 5 (фиг. 2) сигналы с разных вихретоковых каналов последовательно подаются на аналого-цифровой преобразователь 6 (фиг. 2). На аналого-цифровой преобразователь также последовательно коммутируются сигналы датчиков Холла 8 (фиг. 2), измеряющих поперечную составляющую индукции магнитного поля, и датчиков Холла 9 (фиг. 2), измеряющих продольную составляющую индукции магнитного поля. С выхода аналого-цифрового преобразователя параллельный цифровой код преобразуется в последовательный преобразователем 7 (фиг. 2). С выхода преобразователя цифровой сигнал по кабелю поступает на блок мультиплексора, который объединяет цифровые потоки с группы блоков датчиков комбинированных. Затем с блоков мультиплексоров цифровой сигнал поступает в блок бортовой аппаратуры, где записывается на цифровой носитель. При изменении расстояния от катушки индуктивности 1 L1 (фиг. 2) до поверхности трубы, связанном с внутренним дефектом, прохождением вмятины или другим искажениям геометрии внутренней поверхности трубы, изменяется индуктивность катушки L1, что приводит к нарушению баланса моста и появлению сигнала на выходе дифференциального усилителя. Изменение индуктивности связано с возникновением вихревых токов на внутренней поверхности трубы, которые изменяют электромагнитный поток через катушку. Катушка индуктивности 1 L2 (фиг. 2) является эталонной, так как по электромагнитному полю она изолирована от внешней среды.
Отличительные особенности заявленной магнитной измерительной системы: во-первых, вихретоковые датчики, входящие в состав блока датчиков комбинированных, располагаются в области сильного магнитного поля магнитной системы (более 6 кА/м), которое обеспечивает намагничивание участка трубы между щетками до состояния технического насыщения, поэтому вихретоковые датчики, предназначенные для обнаружения только внутренних дефектов, становятся чувствительными и к внешними дефектам, так как внешние дефекты могут создавать значительное поле рассеяния во внутренней области трубы, которое модулирует толщину скин-слоя «δ», где существуют вихревые токи: , где σ - проводимость материала; f - частота возбуждения; µ - магнитная проницаемость или дифференциальная магнитная проницаемость материала трубы µ=dB/dH. Изменение толщины скин-слоя приводит к изменению индуктивности катушки и формирует ложный сигнал. Для минимизации этого влияния рабочая частота вихретокового датчика выбрана достаточно большой, чтобы толщина скин-слоя для стали составляла всего несколько микрон, что значительно меньше глубины минимального дефекта; во-вторых, для минимизации помех от внешних дефектов введен дополнительный фазовый сдвиг напряжения с катушек вихретокового датчика, который достигается настройкой резонанса последовательных контуров L1C1 и L2C2 моста ниже частоты возбуждения генератора 3. Поэтому помеха от внешнего дефекта и полезный сигнал приобретают разные знаки отклонения, что легко учитывается при обработке пороговым методом; в-третьих, использование эталонной катушки индуктивности 1 L2 (фиг. 2) позволило значительно ослабить воздействие внешней среды: температуры и давления; в-четвертых, для обеспечения электромагнитной связи катушек с поверхностью трубы в защитной неферромагнитной пластине 5 (фиг. 3 и фиг. 4) блока датчиков комбинированного введены отверстия, закрытые керамическими вставками 2 (фиг. 3 и фиг. 4).
Расчеты магнитной системы производились при помощи программного комплекса «ANSYS» относительно скалярного потенциала, расчеты и оптимизация вихретокового датчика на катушках 1 (фиг. 2) методом векторного потенциала для гармонического воздействия.
Конструктивно блок датчиков комбинированный состоит из платы 6 (фиг. 3), на которой размещены микросхемы датчиков Холла 3 (фиг. 3) для измерения продольной составляющей индукции магнитного поля, микросхемы 4 (фиг. 3) для измерения поперечной составляющей, модули печатных катушек индуктивности 7 и другие компоненты схемы. Блок датчиков комбинированный залит компаундом 1. Со стороны датчиков Холла к блоку приклеена защитная неферромагнитная пластина 5 (фиг. 3 и фиг. 4), скользящая по стенке трубы. В пластине имеются три отверстия, закрытые керамическими вставками 2 (фиг. 3 и фиг. 4). Соосно с вставками 2 на плате 6 установлены модули катушек индуктивности 3. Одна из катушек индуктивности 4 (фиг. 4) является эталонной и размещена в экранированном отсеке 7 (фиг. 4). Другая катушка 4 (фиг. 4) является сигнальной и размещена над керамической вставкой 2 (фиг. 4). Ее индуктивность чувствительна к геометрии стенки трубы 9 (фиг. 4) и к внутреннему дефекту 8. Модуль катушек индуктивности залит компаундом (фиг. 4).