变频器的组成及主要应用找回收仪器仪表的

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摘要:学校代码10406 分类号 TG115 28 学号2 南昌航空大学 专业学位研究生铁磁性材料脉冲涡流检测接收系统 研究与设计 硕士研究生 副教授申请学位级别 学科、专业仪器仪表工程 所在单位 测试

  学校代码10406 分类号 TG115 28 学号2 南昌航空大学 专业学位研究生铁磁性材料脉冲涡流检测接收系统 研究与设计 硕士研究生 副教授申请学位级别 学科、专业仪器仪表工程 所在单位 测试与光电工程学院 答辩日期 2013 授予学位单位南昌航空大学 PulsedEddy

  学校代码10406 分类号 TG115 28 学号2 南昌航空大学 专业学位研究生铁磁性材料脉冲涡流检测接收系统 研究与设计 硕士研究生 副教授申请学位级别 学科、专业仪器仪表工程 所在单位 测试与光电工程学院 答辩日期 2013 授予学位单位南昌航空大学 PulsedEddy Current Receiving System FerromagneticMaterial DissertationSubmitted MeterEngineering SunSicheng Under ProfFu Yuewen School OptoElectronic Engineering Nanchang Hangkong University Nanchang China JUNE 2013 南昌航空大学硕士学位论文 摘要 摘要 铁磁性材料的油气井套管、运输管道、压力容器 在长期负载运行过程中会因腐蚀壁厚变薄 从而形成安全隐患。脉冲涡流检测技术 可以对铁磁性构件不同深度的缺陷进行有效检测 是近年发展起来的一种新型无损检测技术。 本论文针对大壁厚铁磁性构件脉冲涡流检测信号信噪比低、易干扰难以有效接收等特点 设计低噪声、低功耗微弱信号调理电路 优化脉冲涡流检测系统信噪比 提高检测精度。 根据脉冲涡流检测信号动态范围大、晚期信号微弱同时又需要精确采集的特点 设计了分时、双通道的数据采集系统 实现了脉冲涡流检测信号大动态范围下高分辨率采集。 分析不同阻尼状态下检测线圈输出响应特性 通过激励源参数的优化和阻抗匹配电路设计 实现检测线圈高灵敏度输出。 设计了高、低压钳位电路 把蕴含丰富缺陷信息的脉冲涡流检测晚期信号从整个检测信号中截取出来 针对其信号特点设计专门的信号调理电路。 设计了平衡差动式前置放大电路以及高阶低通滤波电路 改善脉冲涡流检测接收系统的噪声性能。 采用LabVIEW软件与NI多功能数据采集卡搭建了数据采集平台 设计了基于数据采集平台数字输出信号的多级程控放大电路 通过采集平台对放大电路进行程控 采用同步采集并多次叠加平均的方法 有效的提高了脉冲涡流检测晚期信号的分辨率。 分析了接收系统内部、外部各频段的噪声来源及其特点 通过合理的选择电路元器件、低纹波线性浮地电压源设计以及合理的屏蔽与接地技术 有效抑制了接收电路以及元器件的噪声。 对接收系统的主要性能进行了测试分析 通过带有人工缺陷的单层、双层铁磁性材料管道试件进行检测 对整个脉冲涡流检测接收系统的检测能力进行分析。试验结果证明 选用内通式检测探头 该脉冲涡流检测接收系统在内管壁厚为5 7mm时 可有效的检测外管壁厚范围为1 5mm 8mm 可以分辨外管壁厚差异最小为0 5mm的面积型腐蚀变化。 关键词 脉冲涡流 铁磁性 信号调理 信噪比 低噪声 南昌航空大学硕士学位论文摘要 Abstract Ferromagnetic materials casingpipeline pressurevessel often suffer thickness reduction from corrosion longterm load operation process forming potentialsafety hazard Various depth detectioncan detectedeffectively ferromagneticpressure equipment PulsedEddy Current technology has became newtype nondestructivetesting NDT technology recentyears paperdesigned lownoise low power consumption weak signal conditioning circuit according PECsignal ferromagneticmaterials pressure equipment lowSNR interference easily difficulty receive effectively enhanced PulsedEddy Current testing system improved signalhigh resolution acquisition under largedynamic range pulsededdy current testing timesharing dual channel data system PECsignal weaklarge dynamic range accurateacquisition Analyzed detectingcoil output response characteristics under different damping state optimized excitationsource impedancematching circuit obtained high sensitivity detection coil output High lowvoltage clamping circuit latetime delay signal which variousdetection information selectedfrom PECtesting signal designspecial weak signal conditioning circuit according signalImproving noiseperformance pulsededdy current detecting receiving system balanceddifferential preamplifier circuit highorder low pass filter circuit were designed Set up data acquisition platform LabVIEWsoftware NImulti function data acquisition card designed multistage programmable amplifier circuit based digitaloutput signal from data acquisition platform through programmable amplifier circuit which dataacquisition platform adopting synchronousdata acquisition multiplesuperimposed averageimproving pulsededdy current testing signal effectively Analyzed eachfrequency band noisesource from II南昌航空大学硕士学位论文 摘要 III receiving system including internal externalrestrained receivingcircuit componentsthrough reasonablechoice circuitcomponents lowripple linear floating voltage source designing reasonableshielding groundingtechnology Tested mainperformance receivingsystem experimentswere taken ferromagneticpips differentartificial detects detectability PECreceiving systems through processed data experimentresults show pulsededdy current receiving system ferromagneticmaterials can detect 5mmarea corrosion thickness difference outsidepipes effective detecting wall thickness range from 8mmunder 7mminner pipe wall thickness internalthrough type detection probe Key words Pulsed Eddy Current Ferromagnetic signal conditioning SNR Low noise 南昌航空大学硕士学位论文 目录 目录 摘要 AbstractII 目录 IV 脉冲涡流渗透深度的分析10 脉冲涡流感应电压信号的特点11 脉冲涡流检测系统的构成13 1发射系统的分析与选择13 2基于同步采集技术脉冲检测涡流接收系统组成14 本章小结16 铁磁性材料脉冲涡流检测接收系统关键技术研究与设计17 1接收线圈的建模和响应特性的分析17 脉冲涡流早期信号采集技术设计21 低噪声低功耗模拟信号调理电路设计23 引言23 阻抗匹配与限幅前置放大电路设计23 低通滤波电路的设计26 程控放大电路设计27 4数据采集平台的输入方式以及软件设计30 数据采集平台的输入方式30 数据采集平台的软件设计31 本章小结34 脉冲涡流检测接收系统低噪声设计35 引言35 电路中噪声的分析35 电路元器件的选择37 低纹波浮地电源设计38 合理的屏蔽与正确的接地技术39 屏蔽双绞信号传输线 平衡差动放大电路的设计40 IV 南昌航空大学硕士学位论文 目录 信号调理电路的屏蔽与接地40 双极性同步采集与信号叠加平均41 本章小结43 脉冲涡流检测接收系统调试与测试45 引言45 检测探头参数测量45 激励波形的调试46 信号调理电路的频带测试47 脉冲涡流检测接收系统噪声测试分析49 接收系统波形的测试及预处理50 本章小结55 脉冲涡流检测接收系统检测能力测试57 引言57 检测平台57 单层管道检测能力测试58 双层管道检测能力测试60 本章小结62 论文总结与展望65 论文总结65 进一步的工作66 参考文献 67 攻读硕士期间发表的论文 70 致谢 71 南昌航空大学硕士学位论文 研究背景和意义铁磁性材料的承压容器、管道广泛地应用于石油、化工、能源、电力等领域。承压设备运行条件往往比较严酷且工作环境恶劣 如油气井的双层管道在几百、甚至上千大气压的内压或者外压的条件下运行而且还要承受几百吨的拉伸载荷 常年埋在环境潮湿复杂的地下伴随着严酷的电化学腐蚀 还有一些传输化学、石油的管道和容器 传送的物质多为液态、气态且具有高温、高压和腐蚀的特性。由于工作条件比较恶劣 在运行的过程中承压设备的壁厚因内部或者外部的腐蚀、磨损逐渐变薄 从而导致承压设备的失效 。为了保证承压管道、容器的正常运行防止恶性事故发生 对于容器和管道壁厚的腐蚀情况及其可靠性的研究具有重要的价值。变频器的组成及主要应用 承压容器与管道脉冲涡流检测技术作为一种新兴的无损检测方法 已应用于在役铁磁性材料的承压容器、管道的壁厚腐蚀状况的检测中。相对于其它无损检测技术脉冲涡流检测技术优越性在于 1、采用低频大电流脉冲作为激励源 接收的感应电压信号为宽频时域特征量 频率信息丰富 检测一次可以实现不同深度缺陷的检测 2、可以在承压容器、管道的运行条件下 对其壁厚腐蚀情况和可靠性进行评估 3、不需要放射源 对身体无伤害 具有较高的检测灵敏度和检测效率 而且1 南昌航空大学硕士学位论文 绪论检测时无需耦合剂 通过对在役承压设备的工作特点的分析 承压设备在运行过程中腐蚀缺陷容易出现的位置主要分布在承压容器、管道的内外壁 如图1 2带有包覆层石油运输管道 或者分布在油气井双层管管道的套管外壁和油水管内壁 如图1 3双层管道 。当采用脉冲涡流检测技术对在役承压管道进行检测时 对于带包覆层管道的检测采用的是外置式的探头 然而在检测探头和管道之间存在一层厚度为50 200mm由保温层和金属保护层构成的包覆层 对于油气田中使用的双层管道在役的检测只能采用内通式检测探头在对外层套管腐蚀检测脉冲涡流磁场必须要穿透内部一定厚度的油井管。上述不同承压管道的检测虽采用不同的检测探头 但是都会面临检测探头与被检测管道提离比较大的难题 从而使被检测的管道无法感应出足够大的涡流场 从而直接导致接收线圈的感应电压信号比较微弱 对脉冲涡流检测接收系统提出了较高的要求。所以 低噪声、高分辨率的脉冲涡流检测接收系统是能否实现对大提离高度和大厚度铁磁性材料承压设备有效检测的关键。 检测探头铝皮 套管 绝缘层 检测探头 油井管 管壁 带包覆层铁磁性管道检测示意图如图1 双层管道示意图脉冲涡流检测灵敏度低的难1 铁磁性材料脉冲涡流检测技术国内外研究现状根据材料的不同 脉冲涡流检测可以分为非铁磁性材料的检测和铁磁性材料本论文针对铁磁性材料构件在大壁厚和大提离高度下题 采用低压大电流电源产生低频双极性脉冲作为激励源 基于微弱信号调理技术研制一套低噪声、高分辨率脉冲涡流检测接收系统 实现管道壁厚腐蚀情况的有效检测、评估。本研究以检测中实际问题为出发点 一方面促进脉冲涡流检测技术对在役的大壁厚、变频器的组成及主要应用大提离高度铁磁性材料承压设备腐蚀情况研究的进展 另一方面 对脉冲涡流检测设备的进一步完善具有重要的作用 对促进国内脉冲涡流检测设备商业化、打破国外同类设备垄断具有重要的意义。 绪论的检测。相对于铁磁性材料的检测 非铁磁材料的磁导率对检测效果的影响比较小 体现缺陷特征量的脉冲涡流信号具有信噪比高、易于提取的特点。因此 非铁磁性材料脉冲涡流检测技术在国内外的理论研究中都取得了丰硕的成果 成熟的商磁性材料检测技术研究最早始于在20世纪50年代初期 美国密苏里大学的Waidelich采用晶闸管、电容和线圈组成激励装置 产生可重复的具 以90mm的铝板和10mm的钢板为试块 观察并分析了检测线圈上的感应电压与缺陷深度之间的关系 e用了“磁脉冲饱和检测法”实现检测试件流进行了理论研究并给出了业化检测仪器广泛的应用于老旧飞机多层结构腐蚀的检测中。 脉冲涡流技术在铁磁性材料方面 由于材料的磁导率比较大 检测的时候趋肤效应比较显著 无法对试件深部的缺陷进行有效的检测 需要低压、低频大电流的脉冲激励系统。加之 铁磁性材料检测时的脉冲涡流感应信号缺陷区别特征量主要集中在中晚期 信号比较微弱难以有效的获取。所以 在铁研究时需要解决两个难题 一方面是低压、低频大电流的电流激激励装置的难以制作 另一方面是高信噪比、找回收仪器仪表的高分辨率脉冲涡流检测接收系统难于设计。由于上述两方面的原因 使脉冲涡流检测技术在铁磁性材料的检测方面较非铁磁性材料检测方面发展比较滞后。国外已经有较成熟商业化的铁磁性材料检测的仪器 而国内的相关仪器设备相对落后。找回收仪器仪表的 国外研究现状国外的脉冲涡流检测技术的理论有一定占空比的脉冲方波在20世纪70年代中后期 脉冲涡流技术在金属材料检测方面得到了广泛的研究 并成功的应用到了核电站供水管道内壁腐蚀情况的检测与评估中。 20世纪80年代末90年代初 在非铁磁性材料检测的研究基础上逐渐出现了基于铁磁性材料脉冲涡流检测技术的研究 。Dod等采了对铁磁性材料管道的有效检测。这种磁脉冲饱和法的工作原理是采用了占空比足够大的电流脉冲作为激励加载到一个电磁铁上 通过电磁铁实现对的磁化并达到磁饱和 然后再激励脉冲从高电平跳变为零的瞬间 通过分析接收线圈的感应电压信号反映试件厚度的相关信息 Dehaan以接近实际情况的圆柱式线圈激励的电磁波取代了以往模型中采用激励采用的平面电磁波 根据电磁场理论进行了建模 分析了实际配置的激励线圈与检测线圈在不同检测位置对接收的感应信号的影响 使用了分时段以多项式近似的方法对铁磁性材料的脉冲涡信号有限厚度试件脉冲涡流响应的解析解 近年来壳牌公司的P Crouzen等人采用了便携式的脉冲涡流测厚仪对较厚包覆层的铁磁性管道进行了相关研究10 英国剑桥焊接研究所的John RUNLIN3

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