远场涡流探头改进的有限元仿真

1　远场涡流检测的原理描述和遇到的问题

    远场涡流探头是由两个与管轴同轴的螺线管线圈组成,一个为激励线圈而另一个为检测线圈,与常规涡流探头结构不同,它的检测线圈不是紧靠着激励线圈,而是在远离激励线圈2~3倍管径处,因此接收到的远场信号十分微弱。

    接收的远场涡流信号来自两部分,一是激励线圈所发出的信号沿管子内部直接耦合至检测线圈,该部分信号衰减较快;二是存在能量的两次穿过管壁的非直接耦合路径,它源于激励线圈在附近区域管壁中感应周向涡流,扩散到管外壁,同时幅值衰减,相位滞后,到达管外壁的电磁场又向管外扩散,管外场强的衰减较管内直接耦合区衰减速度慢得多,因此管外场又在管外壁感应产生涡流,穿过管壁向管内扩散,再次产生幅值衰减与相位滞后,这也就是远场区检测到的信号^[1]。

    但在实际检测中,需要两线圈距离一般为4~5倍的管径长,这就造成了探头过长的问题,在实际应用中,在管道拐弯处和U形管里就难以通过,因此,缩小探头的长度成为远场涡流无损检测应用的一个关键点。对探头的改进主要从三方面来考虑,一是加屏蔽盘;二是平衡技术;三是考虑复式激励探头^[2]。因为平衡法对RFEC激励线圈的倾斜和偏心度的影响非常敏感,且对信号的增强效果也不好,在实际应用中是不可取的,没有什么仿真价值,因此只将第一和第三种方法作了仿真验证。

2　模型的建立及仿真验证

    模拟仿真是通过仿真软件ANSYS的电磁场仿真模块来完成的,用ANSYS仿真软件来进行建模仿真需要五大步骤,即①建立模型,设置模型参数。②根据需要划分网格。③加载激励及边界条件。④进行求解。⑤将所得的数据按需要进行后处理,得出需要的结果。

2.1　加屏蔽盘的仿真

    加屏蔽盘是指在激励线圈和检测线圈之间加上屏蔽盘,以减弱直接耦合路径上磁场信号的传播从而达到提前远场区的目的[3]。屏蔽盘的材料是由三种圆片组合而成,它们是铝片、硅钢片和铜片,排列时硅钢片在中间,因为仿真对象是轴对称的,因此只需要建立一个截面模型即可,如图1所示。

    试验中被检测试件是一段内径为ø14 mm,外径ø18 mm,长180 mm的铁磁性钢管,电导率σ=5·96×106S·m-1,相对磁导率μ_r=129.5;铜片和铝片的厚度为1 mm,两者的相对磁导率μr都为1,铜片的电导率σ设为2.25×106S·m-1,铝片的电导率σ设为3.45×106S·m-1,硅钢片的厚度为2 mm,电导率.8×106S·m-1,相对磁导率μ_r=256;线圈是铜制线圈,内径4 mm,外径10 mm,长10 mm,放在铁管内部中心处,其相对磁导率为1,共绕制250匝,电流大小为0.15 A,因 此,所加的电流密度为5.5×106A/m2,初始相位角为0,激励频率为60 Hz;管内除了线圈皆充满空气,管外包了两层圆柱形空气,内层空气外径为ø40 mm,外层空气的外径是ø100 mm,在外层空气的边缘必须加载磁力线平行条件。分两层空气的原因是在进行划分网格的时候可以按需要将内层空气网格划分得密一些,外层空气网格划分得疏一些,这样有利于减少计算量又不会影响结果的精度。     在以上模型里并没有建立检测线圈的模型,因为ANSYS软件中在加载激励线圈电流运算后,就会产生一个场的分布,在ANSYS结果中直接得出各场量的分布值,而所需要的检测线圈感应到的相位差值可以由这些场量值的代数运算得到,因此建模中没有设置检测线圈。