油气管道变形涡流检测线圈探头的有限元仿真分析

目前,油气管道变形的检测方法主要有通径检测器法[1]、管内摄像法[2]、超声波测距法[3]和涡流测距法[4-7]等。通径检测器法工程应用广泛,但检测分辨率不高。管内摄像法成本过高,目前应用十分有限。超声波法具有较高的检测分辨率,且不需与管壁接触,但需要耦合剂,不适用于对天然气管道的检测。涡流测距法具有较高的检测分辨率,不与管壁接触,且无需耦合剂,因而得到广泛应用。但其难点在于要求线圈探头的量程较大(10 cm左右),以使检测器能够顺利通过管道变形区域。因此,优化线圈探头的几何参数,使其在较大的量程下具有较高的分辨率具有重要意义。

近年来研究人员在电涡流线圈探头的几何参数和形状设计方面进行了研究和探索,改进线圈的几何参数和形状,可以提高电涡流探头的分辨率,还可以增强其检测能力[8]。本文从线圈探头在空间产生的磁感应强度及其变化率的大小出发,分析线圈的几何参数对其分辨率的影响。由涡流测距的原理可知[9],在其他条件不变的情况下,线圈在被测试件处产生的磁感应强度及其变化率越大,在该位置的分辨率就越高。因此,分析线圈探头产生的磁场在空间上的分布可以在一定程度上了解它在不同测量距离下的分辨率情况。

有限元仿真成为涡流传感器仿真领域中的重要技术。文[9-12]对一些影响电涡流线圈探头的重要参数进行了仿真,但对于适用于油气管道变形检测的量程较大的电涡流线圈探头,尚无相关的研究。本文在保持线圈探头上激励有功功率不变的前提下,基于有限元法,在激励频率为100 Hz的情况下,对不同几何参数的线圈产生的磁场进行仿真,最后以线圈产生磁场的空间分布为基础,优化设计其几何参数,其结论适用于量程较大的线圈探头。

1　线圈探头的模型

本文采用ANSOFT公司的低频电磁场分析软件Maxwell对线圈探头的感应磁场进行有限元仿真,仿真模型为图1所示的三维线圈模型,仿真频率为100 Hz,保持线圈上的激励功率不变,仿真线圈产生的磁感应强度在其中心线OP上的分布。

线圈的厚度为h,外径为r1,内径为r2, O点和P点之间的距离为d。若线圈与被测试件的距离为d,则认为线圈在P点产生的磁感应强度及其变化率越大,线圈在该点的分辨率越高。为了计算线圈的电阻,令r=(r1+r2)/2为线圈的等效半径,设线圈导线的横截面为S,电阻率为ρ,线圈的匝数N=(r1-r2)h/S,导线长度L=2πrN,则线圈的电阻为

由于本文分析的前提条件是保持线圈探头的激励功率不变,且导线的横截面S和电阻率ρ不变,因此要求保持H不变。H包含了线圈的内外径之差(r1-r2)、厚度h、等效半径r和激励安匝数A这4个参数。其中前3个参数都表征了线圈探头的几何特征,下面分析这3个参数的改变对线圈产生的磁感应强度的影响。