涡流检查论文

涡流检查论文（精选7篇）

涡流检查论文 篇1

0 引言

蒸汽发生器 (Steam Generator) 是核设施中的重要设备, 承担着一次侧与二次侧的热交换任务, 又是防止核泄漏的第二道屏障, 同时蒸汽发生器传热管的换热面积占一回路压力边界总面积的70%以上, 其安全重要性不言而喻。对传热管的金属性能检测目前最为快速有效的方法就是涡流检测[1]。

蒸发器传热管检查, 主要采用了内穿轴绕式线圈 (Bobbin) 涡流检验技术。Bobbin探头检测技术能快速对传热管缺陷进行检测并确定缺陷深度, 但在传热管的胀管过渡区附近有一定的检验盲区, 可能会导致胀管过渡区缺陷漏检的风险, 从而给蒸汽发生器的使用带来安全隐患[2]。因此, 为了更有效和可靠地检测出胀管过渡区出现的缺陷, 开展了涡流旋转探头 (MRPC) 检验技术研究, 从而弥补Bobbin探头检验在胀管区存在盲区的缺点, 使得在役检查能够覆盖全部传热管的所有区域。

1 涡流检测的基本工作原理

涡流检测是建立在电磁感应基础上的, 它利用交变磁场作用下被测工件表面产生不同的涡流分布、大小来反映工件的材料、物理性能和缺陷的差异。

当敏感线圈通入交流电流时, 线圈周围就会产生交变磁场, 如果此时将被测工件移入此交变磁场中, 被测工件表面就会感应出电涡流。而此电涡流又会产生一个磁场, 该磁场的方向与原线圈的磁场的方向正好相反, 从而减弱了原磁场[3]。

磁场的变化是通过敏感线圈的阻抗变化来反映的。线圈的等效阻抗Z一般可表示为

式中:σ、μ 分别是被测工件的电导率和磁导率;f是激励信号的频率;x是线圈与被测工件之间的距离;r是线圈的尺寸因子, 与线圈的结构、形状以及尺寸相关。可见, 线圈阻抗的变化完整而且唯一地反映了被测工件的电涡流效应。实际检测时, 对不需要的影响因素加以控制, 就可以实现对式 (1) 中某个相关量的检测。作为接近式传感器, 线圈到被测工件之间的距离与线圈的阻抗直接相关, 而表面或近表面缺陷的存在将引起被测导体电导率和磁导率的变化, 进而使线圈的阻抗参数发生改变[4,5,6]。

2 试验过程

本试验过程包括:制作相应的旋转涡流探头, 进行涡流方法试验, 通过对试验和验证结果进行综合分析, 改进和完善旋转涡流探头并确定蒸汽发生器传热管胀管区缺陷有效的涡流检测技术方法和操作规程。

2.1 旋转涡流探头的设计及制造

如图1 所示, 主要设计包括:1) 进行检测线圈的设计;2) 进行探头的结构设计;3) 进行探头整体方案的设计;4) 对完成制作的探头进行功能测试。

2.2 胀管区旋转涡流检验方法的研究

为了对旋转涡流探头的灵敏度进行标定, 需要设计能够进行缺陷识别能力试验的试验样管以满足旋转涡流检测试验需要。主要设计包括:1) 制作一批胀管区缺陷试验件, 通过试验确定适合胀管区检验的探头型号和检验频率;2) 获得探头的检测灵敏度及缺陷识别能力的信息, 并开展与Bobbin探头进行数据采集及分析的对比试验;3) 在此基础上, 通过对取得的试验数据进行分析, 确定最佳的胀管区缺陷分析方法。

2.3 涡流旋转探头检测系统构建

涡流旋转探头检测系统按照功能分解, 主要构建了以下几个分系统:1) 信号系统, 采集涡流信号并对信号进行处理;2) 探头定位系统, 实现探头对采集对象定位;3) 探头扫查系统, 实现探头在传热管中运动;4) 集成传输系统, 在电脑及各功能系统间实现各种控制信号、数据的传输;5) 其他辅助设备 (软件) 。各功能分系统组成示意如图2 所示。

3 试验结果

在探头、标定管设计及制作完成后, 进行如下试验测试。

3.1 Bobbin探头及旋转涡流探头检测灵敏度试验

采集试验样管信号, 确认Bobbin探头、旋转涡流探头对待测对象的检测灵敏度, 如图3、图4 示例。

3.2 Bobbin探头及旋转涡流探头能判别到的距管板最小距离的缺陷

对于距离结构信号 (管板) 较近的缺陷, 存在与管板信号相互影响形成涡流响应复合信号进而影响缺陷正确判别的可能。因此需确定使用Bobbin探头对距离管板多少距离外的缺陷能够进行正确判别。同时为了对比旋转涡流探头与Bobbin探头对距管板最小距离的缺陷的分辨能力, 同样开展使用旋转涡流探头对距离管板多少距离外的缺陷能够进行正确判别的试验, 见图5 示例。

3.3 旋转涡流探头检测能力试验

Bobbin探头使用轴绕式线圈, 该种线圈的轴线平行于管子轴线, 并且电流环向流动;所感生的主磁场是顺着管子轴线的, 管内感应到的涡流则环向流动, 并与检测线圈内的电流平行。由此, 轴绕式线圈对阻抗涡流的轴向裂纹非常敏感。但是, 如果轴绕式线圈位于几何形状发生较大改变的区域时, 例如在胀管过渡段, 其可能检测不到轴向裂纹。因此依据两种探头的灵敏度试验, 对存在于胀管区内的缺陷使用所研制的旋转涡流探头进行缺陷数据试验, 确定此种探头对缺陷的检测能力, 如图6所示。

4结论

通过以上试验可以得出:1) Bobbin探头只能看见胀管处一个整体显示信号, 无法分辨其上的缺陷显示。2) 能可靠地检出传热管胀管过渡段35%壁厚及以上的轴向缺陷、40%壁厚及以上的周向缺陷以及35%壁厚及以上的孔缺陷, 为是否进行堵管提供可靠的判断依据。3) 胀管过渡段上下10 mm距离以内缺陷, Bobbin探头无法发现;而在此距离以外区域的缺陷, Bobbin探头可以发现。而旋转涡流探头能发现距离胀管过渡段任意距离的达到旋转涡流探头检测能力范围内的缺陷。另外分析管板移动距离对胀管过渡段上缺陷的影响发现:对周向裂纹的检测受近距离管板信号干扰较大, 对轴向裂纹的检测则受此影响较小。4) 通过以上开发及研究, 本技术能力在功能、检验能力、安全性等方面均达到设计要求, 能够满足对此型蒸汽发生器全部传热管胀管区的MRPC缺陷涡流检测。

参考文献

[1]PAVO J.Approximate methods for the calculation of the ECTsignal of a crack in a plate coated by conducting deposit[J].IEEE Trans Magn, 2004, 40 (2) :659-662.

[1]韩捷, 廖述圣.核电站管道缺陷涡流定量检测的可靠性分析[J].核动力工程, 2009, 30 (4) :17-20.

[2]韩捷, 廖述圣.蒸汽发生器传热管涡流检验中多缺陷信号判别的可靠性[J].无损检测, 2010, 32 (12) :935-939.

[3]陈德智, 王彬, 邵可然, 等, 裂纹检测中的涡流场计算[J].无损检测, 2000, 22 (3) :99-105.

[4]CHEN Xianglin, DING Tianhuai.Flexible eddy current sensor array for proximity sensing[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2007, 135 (1) :126-130.

[5]姚运萍, 韩捷.探头线圈扫查方式对涡流检测性能的影响研究[J].机械与电子, 2008 (12) :26-30.

[6]徐可北, 周俊华.涡流检测[M].北京:机械工业出版社, 2006:21-39.

涡流检查论文 篇2

1.脉冲涡流线圈的工作原理

脉冲涡流线圈采用的是感应电涡流原理。当带有交变电流的线圈靠近被测金属时, 线圈上的交变电流所产生的交变电磁场便在金属表面上产生感应电流, 电磁学上称之为电涡流。如果在交变磁场的有效范围内没有金属导体靠近时, 则磁场能量就会全部损失;当金属导体靠近这一磁场时, 则在此金属导体表面产生电涡流。

随着探头线圈和金属导体之间距离x的变化, 探头线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q将会随探头线圈和金属导体之间的互感系数M的变化而变化。可得出探头线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q都可用以x、μ、ρ和f为自变量的函数来表示。因此有:Z, L, Q=f (x, μ, ρ, f) 。式中:x为探头线圈和金属导体之间距离;μ为金属导体的磁导率;ρ为金属导体的电阻率;f为探头线圈中电流的频率。假设被测金属导体是固定的, 则μ和ρ都是常数, 激励频率f设置好后也是常数, 则探头线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q仅是检测距离x的函数, 即:Z, L, Q=f (x) 。

根据涡流传感器的基本原理, 可有3种不同的输出量, 即阻抗Z、电感L、品质因数Q。它们之间是相互关联的, 通过设计不同的测量电路, 可以直接反映阻抗Z、电感L、品质因数Q的变化, 将其转化为位移x和电压V的特性曲线, 在一定检测距离范围内中间一段是线性关系, 传感器线性范围的大小、灵敏度的高低不仅与阻抗Z、电感L、品质因数Q有直接关系, 还与探头线圈的尺寸和形状有密切关系。

电涡流强度与检测距离之间的关系:

当探头线圈输入的激励频率、被测金属导体的材料和探头线圈的材料一定时, 在一定检测范围内, 不同检测距离下得到的探头线圈阻抗的实部和虚部是呈线性变化的, 且随着检测距离的增大, 品质因数Q变大, 即电涡流强度减弱。

电涡流强度与输入频率之间的关系:

当检测距离、被测金属导体材料和探头线圈的材料一定时, 随着输入频率的增大, 品质因数Q变大, 即电涡流强度减弱。

2.脉冲涡流线圈的初步研究

涡流线圈是20世纪70年代兴起的一种以电磁感应为原理的无损、非接触位移、振动检测装置, 具有灵敏度高、抗干扰能力强、不受介质影响、结构简单等优点。

本文设计的脉冲涡流线圈是以提离为检测量的传感器, 希望有较大的线性范围和较高的灵敏度。

下面对矩形柱和圆柱线圈的轴线磁场分布进行分析。

3.矩形柱和圆柱线圈的模型

本文研究的线圈形状以及相关参数如图1 (a) 、图1 (b) 所示。线圈形状包括圆柱线圈和矩形柱线圈。对于圆柱线圈, 几何参数包括线圈高度h、内半径Ra和外半径Rb;对于矩形柱线圈, 主要包括线圈高度h、长b、宽c和e。

(1) 矩形柱线圈轴线上的磁场分布

矩形柱线圈, 可以想象成很多个单匝矩形线圈叠加而成。设线圈底面中心的坐标为 (0, y, 0) , 线圈的匝数为N, 线圈的截面积为A, 线圈匝数密度为D (D=N/A) 。当线圈中流过电流I时, 电流密度Δi为DI。此时计算微面dx′dy′和dz′dy′上的电流密度分别为 (NI/eh) dx′dy′和 (NI/eh) dz′dy′。参考文献[2], 可以推导出具有矩形截面的矩形柱线圈对称轴 (Y) 上任一点的磁感应强度为:

由于含有二重积分而且被积函数较复杂, 导致矩形柱线圈对称轴线上任意一点上的磁场分布不易获得。

(2) 圆柱线圈轴线上的磁场分布

文献[4]推导出具有矩形截面的圆柱线圈对称轴上的磁感应强度为:

式中:Ra为圆柱线圈的内径, Rb为圆柱线圈的外径, h为圆柱线圈的厚度, C= (y+h) /2。

只要提离高度y给定, 即可获得圆柱对称轴上任一点的磁场分布。

可得到如下结论:

(1) 线圈厚度越薄, BP越大, 传感器的灵敏度越高, 但线性范围窄。

(2) 线圈外径越小, BP越大, 传感器的灵敏度越高, 线性范围窄;线圈外径越大, BP越小, 涡流损耗越小, 线性范围宽, 但传感器的灵敏度低。

(3) 改变线圈的内径对传感器的特性影响不大, 只是在x=0时, 灵敏度稍有变化。

通过有限元分析可知, 圆柱线圈作用下的传感器的磁感应强度和被测体中的涡流强度都大于矩形柱线圈作用下的磁感应强度和涡流强度。由此可知, 在相同条件下, 圆柱线圈的磁场作用更强。

根据上面的理论分析, 本文初步采用了圆柱状的探头线圈, 具体模型如图2所示。这两个线圈是串联的, 且电流方向是相反的。线圈的尺寸:匝数216匝, 内半径12mm, 外半径15mm, 高度15mm, 铜导线的直径0.31mm。

4.试验结果及分析

试验进行了占空比20%、25%、30%、35%、40%情况下, 不同频率对线圈电压变化量的影响, 如图3所示。

由以上各图的分析, 我们可以得出:脉冲激励的占空比和频率的变化都会影响线圈电压变化, 而且同一占空比下, 频率太高或太低线圈电压变化都会减小。通过对比不同占空比和频率下线圈电压的变化可知:在占空比为20%, 频率在700Hz~900Hz之间线圈电压的变化是最大的。

结语

本文对设计的方案进行试验研究, 并验证了理论的正确性和方案的可行性。有以下结论:脉冲激励的占空比和频率的变化都会影响线圈电压变化, 而且同一占空比下, 频率太高或太低线圈电压变化量都会减小。通过对比不同占空比和频率下线圈电压的变化可知:在占空比为20%, 频率在700Hz~900Hz之间线圈电压的变化是最大的。

摘要：随着电磁理论及其实验的不断发展与完善, 促进了涡流检测等无损检测与评估技术的不断发展。在理论上, 分析了脉冲涡流线圈中电涡流强度与检测距离以及电涡流强度和输入频率之间的关系。通过试验, 分析了激励脉冲的频率、占空比因素对脉冲涡流检测系统的影响。对采集得到的数据进行分析, 可以发现感应电压信号的面积差与检测距离有密切的关系, 证明了采用脉冲涡流技术检测的可行性。

关键词：脉冲涡流检测,脉冲涡流线圈,频率,占空比

参考文献

[1]任吉林, 林俊明.电磁无损检测[M].北京:科学出版社, 2008.

[2]GARCIA A, CARRASCO JA, SOTO JF, etal.A method for calculating themagnetic field produced by a coil ofany shape.Sensors and Actuators A, 2001 (91) :230-232.

[3]徐可北, 周俊华.涡流检测[M].北京:机械工业出版社, 2004.

关于涡流自制教具的思考 篇3

我们知道, 以下情况出现时都可以造成穿过导体的磁通量的变化: (1) 导体在磁场中运动, (2) 导体静止但有着随时间变化的磁场, (3) 以上两种情况同时出现。按照法拉第电磁感应定律, 磁通量变化了在导体中就产生动生或感生电动势, 从而产生感应电流。而在一整块导体中引起的感应电流的分布随着导体的表面形状和磁通的分布不同而不同, 其路径往往有如水中的漩涡形状一样, 因此人们就形象的称之为涡流, 有时也叫付科电流。涡型电流的大小与磁场的变化方式、导体的运动方式、导体的几何形状、导体的电导率和导体的磁导率等因素都有关系。授课时以上这些原理可以进行一番讲解, 但是本节课课本内容的思想是为了更加体现现象, 原理与应用的有机结合。这就要求教师在课堂上必须出现演示实验和学生自制, 创作, 发明的环节。这也是物理教学中对学生教育的有效手段。

在实际的教学过程中我改进了两个小小的实验教学方面的教具与同行探讨。

一是涡流演示实验的教具。

教师用书中提到用示波器显示扼铁产生的涡流, 我对以上的涡流演示不够满意。经过一番思考与实践, 我研制出了一演示教具———-涡流演示仪。介绍如下 (如图) :

(1) 材料:R=250mm, D=4mm铝板板一块 (也可用铜板, 效果更好) , 铁架台一副, 强磁铁一小块 (取自扬声器后, 为圆环型便于悬挂) , 细线适量。

(2) 制作:非常简单, 如图1将磁铁悬挂即可。

(3) 使用:使磁铁垂静止, 将铝板置于磁铁附近推拉使其平行磁铁圆面做前后往复平动, 三、四个来回, 磁铁就开始摆动。

(4) 解释:铝板在磁铁附近做往复运动的时候, 相当于一个闭合线圈在一个磁场中运动, 故铝板上会产生漩涡状的感应电流即涡流。根据楞次定律:感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。当磁铁静止而铝板远离磁铁运动时, 通过铝板回路的磁通量减小, 故感应电流的磁场要与原磁场方向保持一致阻碍磁通量减小, 在铝板与磁铁间产生安培力作用, 所以磁铁就因被吸引而追赶铝板;当铝板滞后于磁铁且追赶磁铁时, 通过铝板回路的磁通量增大, 感应电流产生的磁场与原磁场方向相反阻碍磁通量增大, 故磁铁要受斥力的作用, 如此往复, 在力的作用下磁铁就不断地摆动了。

该演示仪器比教科书提到的更加简单, 更加直观, 更加符合学生认知特点, 更加方便于教学。

二是教材上提出的自制金属探测器。

所谓的金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器, 用于探测肉眼看不到, 隐蔽情况下有一定体积的金属。比如工农业生产及生活中各种金属器件, 军事上的各种武器, 安全检查中违禁金属物品器具, 隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆, 埋藏在地下的金属物体等等。金属探测器也是利用电磁感应的原理, 利用有电流通过的线圈, 产生磁场, 这个磁场可以使穿过金属的磁通量发生变化, 从而在金属物体内部能产生感应电流, 即涡流。涡流又会产生磁场, 倒过来影响原来的磁场, 引发探测器发出报警信号。但是, 购买的成品探测器往往原理复杂或者有集成电路。不但在引导学生认知上有一定困难, 在操作上也存在困难。仅将金属探测器成品进行拆解后简单的组装也不能达到教学所要求的对电磁感应知识进行应用的目的。

经过一番研究, 我研制成功了简单的金属探测器模型, 同时也是很好的演示仪器。介绍如下:

(1) 材料:实验室中的粗线圈1个, 微电流放大器1个, 灵敏电流计1个,

导线两条。

(2) 制作:非常简单, 如图3联接即可。

(3) 使用:微电流放大器打开电源, 调节增益和调零旋钮, 将灵敏电流计指针置于合适位置, 当金属在线圈附近运动时, 灵敏电流计指针明显摆动。

(4) 解释:微电流放大器内部有电源, 与线圈构成通电的闭合回路, 当各种块状金属在线圈附近运动时, 金属内产生涡流, 金属内的涡流产生磁场, 线圈与金属的相对运动产生的是互感现象, 即金属中的涡流影响了线圈中的电流, 线圈中电流微小的变化通过微电流放大器的放大, 通过灵敏电流计指示出来。调制合适的参数, 现象十分明显!

该演示仪结构简单, 便于教学中讲原理并且学生乐于操作, 真正能将理论应用于实践。

简单不等于无用, 一切从实际出发, 用最简单的方式、方法达到目的不是很好么?希望同行们指出不足以及有其他的物理教学经验与大家讨论交流。

参考文献

[1]普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-2教材, 人民教育出版社.

[2]普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-2教师教学用书, 人民教育出版社.

[3]刘璞.物理学与应用技术, 北京航空航天大学出版社.

薄壁零件残余应力的涡流法检测 篇4

1薄壁零件应力分析

由于强度低, 薄壁零件在外力作用下容易发生弯曲变形。这里主要分析纯弯曲和剪切弯曲两种变形情况。

(1) 纯弯曲试件残余应力分析。在试件中间施加拉力, 如图1所示, 在材料下表面产生拉应力, 上表面产生压应力。有研究证明, 对材料施加拉力, 在拉伸侧表层发生塑性伸展, 卸载后存在残余压应力[1];而压缩侧发生塑性压缩, 卸载后为残余拉应力。为了得到其所对应的残余应力值的大小, 在试件卸载后, 要对该试件进行重新加载。二次加载方式为缓慢加载, 同时对试件表面的磁特性进行实时测量。当磁特性信号与初时值相同时, 施加的拉力值大小即反映了试件表面残余应力值的大小[2]。

(2) 剪切弯曲试件残余应力分析。选用如图2所示的悬臂梁模型, 在端部施加载荷P。在载荷P作用下, 梁上部受拉, 下部受压。拉力释放后, 由于塑性变形的作用, 分别在上部产生残余压应力, 在下部产生残余拉应力。这里, 可以通过选择测量悬臂梁中间位置的磁来检测该截面的残余应力分布[3,4]。

2涡流检测过程及结果

试验中, 由于一定大小的残余应力场较难控制, 因此选择对薄壁零件施加一大小固定、分布均匀的应力场进行测试。要获得薄壁零件内部残余应力分布情况, 可以通过改变涡流探头激励频率来检测其变化, 也可以尝试通过改变检测时涡流探头的提离高度来分析其变化。检测过程如下:

(1) 选择一初始应力状态, 将涡流检测信号归零;

(2) 在应力状态不变的情况下, 通过改变涡流探头激励频率进行信号采集;

(3) 改变应力状态, 重复 (5) 过程;

(4) 在同一应力状态、同一激励频率下, 通过改变涡流探头提离高度进行信号采集;

(5) 改变探头激励频率, 重复 (4) 过程。

通过对检测结果进行分析, 可以发现:

(1) 涡流探头激励频率过低, 涡流检测信号对应力的变化辨识度不高;激励频率过高时, 受肌肤效应影响, 涡流检测信号只能够反映出试件表面应力值的变化, 不能够反映其内部应力分布情况, 因而涡流检测信号随激励频率变化不大 (见图3) 。

(2) 在相同的应力状态和激励频率下, 涡流检测信号随探头提离高度的增大变化比较明显。当提离高度过大时, 涡流检测信号主要受外部环境影响比较大, 在探头激励频率作用下变化不明显, 不能反映试件内部应力分布情况 (见图4) 。

可见, 在使用涡流检测方法对薄壁零件进行应力检测时, 涡流检测探头应该在较低的提离高度下进行信号采集, 同时应该选择中频检测探头进行检测。要注意, 探头激励频率不能过低, 也不能过高。

摘要：薄壁零件目前广泛应用于航天、航空领域, 且在机械加工、使用性能方面都有一定要求。要使薄壁零件具有一定的高温承载能力, 就需要注意机械加工过程所产生的应力对薄壁零件性能的影响。涡流检测具有肌肤效应, 通过涡流检测方法来检测薄壁零件的加工残余应力, 其结果能更好地反映其内部应力值大小。

关键词：薄壁零件,残余应力,涡流

参考文献

[1]张定栓, 何家文.材料中残余应力的X射线分析和作用[M].西安:西安交通大学出版社, 1999.

[2]A.Pulnikov.Investigation of Residual Stresses By Means of Local Magnetic Measurement[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2004, (1) :2303-2304.

[3]V.Moorthy, B.A.Shaw, P.Hopkins.Surface and Subsurface Stress Evaluation in Case-carburised Steel Using and Low Frequency Magnetic Barkhausen Emission Measurements[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006, (1) :362-375.

提高涡流管效率的研究进展 篇5

涡流管 (Ranque-Hilsch) [1], 自从1933年被法国人兰克发现至今, 其制冷制热效应已有了长足发展。它是由一根两端开口的管子、喷嘴、孔板和调节阀构成。当高压气流经过喷嘴沿切线方向进入涡流室时, 在经过涡流变换后分成冷热两部分[2]。中心部位气流温度较低, 从冷端流出, 形成冷气流, 用于制冷。外层部位气流温度较高, 从热端流出, 形成热气流, 用于制热。涡流管具体工作过程如图1所示。

涡流管的发展潜力十分巨大。但目前涡流管的制冷效率比较低, 从而制约了涡流管的推广应用。针对涡流管效率低而不能得到广泛应用这一问题, 很多学者都进行了试验研究, 以期待能够提高其效率, 也确实取得了长足的进展, 近20年来效率就提高了50%[3]。本文就涡流管效率的提高, 做了探讨性的研究。

1 涡流管结构、热力参数等对其效率的影响

1.1 涡流管结构对其效率的影响

涡流管的基本结构有喷嘴、涡流室、热端管、热阀、冷孔板、冷端管。这些部分的尺寸及其他几何形态的变化, 会直接影响到涡流管效率, 所以从开始发现涡流管的制冷、制热效应至今, 有很多研究人员对涡流管的结构进行研究, 以期找出最佳几何形式来达到涡流管的最佳效率。

Ranque最初设计的涡流管装置的涡流管长径比为50[4]。Takahama和Yokosawa[5]指出, 为获得显著的能量分离效果, 涡流管的长度要大于或等于涡流室直径的100倍。Soni和Thomson[6]指出, 涡流管的最短长度应是L/D>45时, 可获得最大温降和最高绝热效率。

后来的研究都遵循Ranque最初设计的涡流管的基本思想, 都以此为雏形进行理论和实验研究。Behera[7]研究了不同的喷嘴形式和喷嘴数量, 不仅做了流体动力学计算, 而且还进行了试验研究。给出了喷嘴数应该大于2个, 而且在喷嘴数目小于6的情况下, 双数喷嘴效率好于单数喷嘴, 且随喷嘴数目增加, 效率更好的结论。北京工业大学[8]采用切向式喷嘴, 截面采用矩形、阿基米德螺线形和自行设计的型线, 喷嘴个数从3个到8个逐一来进行试验研究, 得出自行设计的喷嘴进口截面的涡流管的制冷、制热效果要好于普通矩形喷嘴和阿基米德螺线形喷嘴涡流管的制冷效果。四流道喷嘴涡流管具有最佳的制冷和制热温度效应, 而八流道喷嘴涡流管的制冷和制热温度效应最差。

热端管的长度对涡流管效率也有显著的影响。随着热端管长度的增加, 涡流管的各种性能均有提高, 但当热端管长已达到一定程度 (100mm) , 再增加至140mm[9]时对性能提高没有太大的益处。因为涡流管中能量分离主要发生在进气喷嘴附件的热管段。而热端管长度对涡流管制冷量及COP的极值点的影响不大。在80～140mm范围内, L/D值为25时即可达到涡流管的最佳效率。

在涡流管中, 不同流道形式、流道数和内径的涡流室在进口状态和流道截面积相同的条件下, 渐缩型结构有利于流道中气流的加速, 使其制冷制热效应优于直流型和渐扩型。在进口气流流量相同的条件下, 六流道和八流道表现出相似的制冷制热效应;考虑到流道中的摩擦力因素影响, 流道数目选择六为最佳[10]。在进口条件相同时, 涡流管的制冷、制热效应随涡流室的内径增大而增强。且六流道喷嘴涡流管入口气流压力愈高, 获得最大制冷、制热效应时的冷端流率均有减小的趋势。六流道喷嘴涡流管获得最大制冷、制热效应时的冷端流率分别集中在0.37、0.8[11]附近。

Stoecker[12]对涡流管采用了扩张式分离室。得出在锥角合适的情况下, 可以使气体温度比圆柱管形分离的气体温度低。当锥角等于1.7°的时候, 在靠近喷嘴出口处不同半径上气体滞止温度都比圆管形分离室低, 而当锥角等于5°时, 则只有当锥角大于0.3°时, 滞止温度才低于圆管形分离室。简单圆锥管可以提高效率20%;结构复杂些, 如将圆管和锥管结合, 合理配置阻涡器和扩压器等, 可以达到η=0.7的水平, 在ε=9时, 可以达到ΔTX=80K。

1.2 热力参数等对涡流管效率的影响

在涡流管各部分几何形态和尺寸确定的情况下, 通过实验可以得出各项热力参数对涡流管的效率有怎样的影响, 为今后涡流管的应用提供参考。

在进口压力对涡流管效率的影响试验[13]中, 以出口压力为0.12MPa和0.15MPa, 进口温度为常温的涡流管为实验对象, 研究了涡流管不同进口压力对涡流管性能的影响。得出了在出口背压保持不变的情况下, 随着进口压力的增加, 在相同的冷流率下, 涡流管的制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数也在提高, 但是当进口压力增加到一定的值 (0.93MPa) 以后, 继续提高涡流管的进口压力其制冷温度效应、单位制冷量和制冷系数反而下降, 但涡流管的制热温度效应没有受到显著的影响。

同样的以压缩空气为工作介质, 在不同入口压力、不同冷气流率的条件下, 分别对涡流管制冷性能的影响规律进行了系统的实验研究[14], 分析了涡流管切向喷嘴入口压力与冷气流率对涡流管制冷性能的影响。通过对涡流管制冷系统的初步实验研究, 得出了上述两种因素对制冷效应、单位制冷量以及绝热效率的影响是:在同一冷气流率时, 涡流管制冷效应、单位制冷量随入口压力的增大而增大, 在不同的冷气流率条件下, 所增长的幅度不同, 而绝热效率几乎不受入口压力影响;在不同的入口压力条件下, 涡流管制冷效应、单位制冷量和绝热效率都随着冷气流率的增大呈现先上升后下降趋势, 且都存在一最佳操作范围, 分别为0.17～0.3与0.5～0.7。

郑州轻工业学院[15]以膨胀比分别为3、4和6, 进口温度为常温的涡流管为例, 研究了在膨胀比保持不变的情况下, 不同进口压力对涡流管性能的影响。给出了不同进口压力对涡流管的制冷、制热温度效应和制冷系数随冷流率的变化曲线。并得出在膨胀比保持不变的情况下, 膨胀比较小时, 进口压力的变化对涡流管制冷性能没有显著的影响, 所以在小膨胀比时, 提高入口压力, 涡流管的制冷效应不会得到提高;但随着膨胀比的增加, 在同一膨胀比下, 进口压力的增加对涡流管制冷效应的影响也越来越显著, 当膨胀比较大时, 在同一膨胀比下, 入口压力增加, 涡流管的制冷效应也相应得到了显著增加, 即在大膨胀比的情况下, 可通过提高涡流管的入口压力来提高涡流管的制冷性能, 这一点对于工程应用尤为重要。

除了各项热力参数对涡流管效率的影响以外, 还可以通过其他方法来提高涡流管的效率, 比如在涡流管的中心额外补气, 或者利用热气能量提高涡流管的效率。

由涡流管的热端中心额外补气是因为, 额外从中心补入气体, 能够使从喷嘴流出来的气体获得一部分动能, 增加冷气流率, 从而可以提高效率[16]。利用关系式 (1) 可计算出, 当μ>1, 可以获得最大效率, 效率η可以达到0.38。

undefined

式中:μg—补充气体流量Gg和压缩气体流量Gc比值;

ΔTsg—从补充气体压力等熵膨胀到冷气压强的温降。

图2所示为4种空气冷却器, (b) 与 (a) 相比, 在涡流管连接处多了一个网格阻涡器。 (c) 是将两个锥形涡流管顺次相连, (d) 是冷却型涡流管, 在管外有冷却水套, 另外在补充管内设有引气管, 且增加了抽气器。根据试验结果[17]得出, (a) 回注经冷却的热气流可提高效率20%, (b) 和 (c) 可以提高34%, (d) 比一般冷却涡流管效率高出50%。

2 内部能量分离对提高涡流管效率的影响

涡流管的内部能量分离非常复杂, 但也是研究的重点, 因为弄清楚其内部能量分离, 可以为研究涡流管效率的提高, 提供有力的理论依据。

这一方面的研究始于20世纪40年代。在继Ranque和Hilsch之后, Scheper[18]用探针和透明可见的技术测量了Ranque-Hilsch涡流管的流速、压力和静态温度梯度。Scheper构想了接下来的测量内容, 他的理论建立在强制对流传热, 其核心是在涡流室中, 在某种程度上类似于两个管子换热。

之后Ahlborn[19]发展了有两个组成部分的涡流管标准模型, 用来测定温度增长和降低的极限范围。给出了空气作为介质时的实验数据, 计算出在涡流管内部空气的流动极限速度是比音速稍慢的。涡流室现有的唯象理论[25]认为, 气体在涡流室中的运动轨迹是阿基米德曲线, 但实际上以圆周运动为基础, 通过计算气体的切向膨胀功和径向膨胀功, 得出了气体在涡流室中的降温方程为:

undefined

此公式即边缘与轴心的温差公式, 其值只与初速度的平方成正比, 而与中央及边缘点的曲率半径无关。所以为了设备的经济性, 保证适当的制冷量, 选择适当孔板半径与涡流室半径是十分必要的。

Frohingsdorf和Unger[21]研究的是涡流管内部的流速还有能量分离, 用的是κ-ε模型和CFX代码。Promvong[22]用数学模型, 模拟了在单项流动涡流管中的强烈回旋流。Promvonge和Eiamsa-ard[23]实验研究了小型进气口涡流管进气时的能量分离机理。在其实验研究结论中, 小型进气口进气跟原来切线型进口喷嘴相比, 可以降低冷空气的温度, 和提高涡流管效率。此研究不但提供了接下来研究的理论依据, 而且开拓了今后研究的理论方法。

其中Lewins和Bejan[24]对涡流管类比换热器理论在传热影响方面作了一些有益的探索工作。在此基础上, 利用涡流管的速度场和温度场的模拟结果, 对涡流管类比换热器理论进行进一步的分析和探讨, 利用换热器的效能传热单元数法 (s-NTU) , 尝试得出冷流分量同冷端温差的定量化关系。

可以假想涡流管内存在一个冷热分离界面, 冷热流体可以通过假设界面进行传热, 涡流管类比换热器原理图如图3所示。

逆流热交换器的效能为[25]:

undefined

逆流换热器的传热单元数NTU定义为:

undefined

效能系数ε:

undefined

又因为当μ<1/2时, N=M/μ;当μ>1/2时, N=M/ (1-μ) 。

由传热单元数NTU定义式 (4) , 可得:

当μ<1/2时,

undefined

当undefined时,

undefined

由式 (3) 得:

Th-Tc= (Th-TN) [1-ε/ (1-μ) ], μ<1/2;

Th-Tc= (Th-TN) [1-ε/μ], μ>1/2。

最终表达式为:

undefined

式中:a—导温系数;V—体积流量。

国内在此方面的实验研究 [26]是以压缩空气为工作介质, 对三流道喷嘴的涡流管能量分离特性进行了实验, 获得了涡流管制热效应、制冷效应与进气压力以及冷流率之间的关系。在冷流率μ<85% 时, 喷嘴进口压力愈高, 三流道喷嘴涡流管的制冷效应愈好, 在小于最佳制热效应所对应的冷流率时, 喷嘴进口压力愈高, 其制热效应也愈好;在冷流率μ>85% 时, 冷流率愈高, 三流道喷嘴涡流管的制冷效应愈差;在小于最佳制热效应所对应的冷流率时, 冷流率愈高, 其制热效应愈好。

从式 (4) 中可以得到涡流管的冷端温差的定量函数关系式, 通过这一关系式, 研究压比对涡流管特性的影响, 在以空气为工作介质, 入口温度为300K, 压比分别为3、4和5, 无因次量纲数M为0.1的条件下, 对模型函数关系式做了计算, 并对计算结果进行分析, 所得结果如图4和图5所示。

在同样初始条件下, 由图4和图5可得, 随着压比的增大, 涡流管冷端最大温差和最大热端温差都随之增大;当无因次量纲数M = 0.1, 压比分别为3和5时, 最大冷端温差增大了16K, 最大热端温差增大了23K。这种增长趋势正好验证了现今的涡流管制冷实验的研究结果。

3 结语

通过以上对涡流管效率提高的研究, 得出以下结论:

(1) 双数喷嘴好于单数喷嘴, 四流道喷嘴具有最佳制冷制热效应, 而六流道喷嘴的好于八流道的, 其最大制冷、制热效应分别集中在0.37、0.8附近。热端管长度在80～140mm范围内时, 在100mm处效率较高, 再增大无益, 且L/D值为25时效率最高。扩张式分离室当锥角为1.7°或0.3°～5°的时候, 滞止温度低于圆管形分离室。

(2) 在出口压力为0.12MPa和0.15MPa时, 随着进口压力的增加, 涡流管的制冷效率提高, 但到达0.93MPa以后反而下降;在同一冷气流率时, 涡流管制冷效率随入口压力的增大而增大;在不同的入口压力条件下, 涡流管制冷效率随着冷气流率的增大呈先升后降趋势, 且最佳范围, 分别为0.17～0.3与0.5～0.7;膨胀比分别为3、4和6, 当膨胀比小时, 进口压力的变化对涡流管制冷性能没有显著的影响, 但随着膨胀比的增加, 在同一膨胀比下, 进口压力的增加对涡流管制冷效应的影响也越来越显著;在涡流管的中心额外补气, 或者利用热气能量都可以提高涡流管的效率。

(3) 利用换热器的效能传热单元数法, 分析得到了涡流管的冷端温差的定量函数关系式, 并计算和绘制了压比对涡流管特性的影响图, 得出随着压比的增大, 在同样初始条件下, 涡流管冷端最大温差和最大热端温差都随之增大;当无因次量纲数M=0.1, 压比分别为3和5时, 最大冷端温差增大了16K, 最大热端温差增大了23K。这种增长趋势正好验证了现今的涡流管制冷实验的研究结果。

总之, 提高涡流管效率是今后研究涡流管的重点。而涡流管内部能量的分离机理的研究又是重中之重。因此, 采用先进测量技术, 结合先进能量分离理论模型和数值模拟技术将是下一步提高涡流管效率理论研究的主要方向, 同时研究涡流管内高速气流的气动声学特性也将是进一步研究的内容。

摘要：涡流管具有许多优点, 但是一直没有得到广泛的应用, 是因为其效率低下的原因, 本文主要就提高涡流管的效率做了较全面的论述。利用换热器的效能传热单元数法, 分析得到了压比对涡流管特性的影响。对涡流管下一步的研究工作给予了前景性的展望, 提出了进一步开展涡流管相关研究工作应解决的问题与途径。

高精度电涡流位移传感器 篇6

德国米铱公司生产的电涡流位移传感器, 主要用于油膜厚度的在线精密测量。此电涡流传感器主要包括控制器 (DT3010-A, 适用于非铁磁材料的测量, 如铝材料) 和传感器探头 (U05, 0.5mm量程, 非屏蔽) 。传感器的线性度达到1.25μm, 静态分辨率达到0.025μm, 频率响应为25kHz, 可在-50～150℃的环境范围内使用, 传感器独特的温度补偿技术可以大大减小由于温升带来的测量误差。

飞机紧固件孔的涡流检测 篇7

1 涡流检测原理

1.1 涡流

由于电磁感应, 导体在交变的磁场中, 其内部会产生感应电流, 这些电流的特点是:在导体内部成闭合回路, 且涡流状流动, 因此称为涡流, 如图1所示。

1.2检测原理

当载有交变电流的检测线圈靠近导电工件时, 由于激励线圈磁场的作用, 试件中会产生涡流, 涡流的大小、相位、流动形势会受到工件导电性能的影响。同时涡流产生一个磁场使检测线圈的阻抗发生变化。因此, 通过测定检测线圈阻抗的变化, 就可以判断被检测工件的性能及缺陷等。如图2 所示。

2 检测工艺

2.1 仪器

带有阻抗平面的仪器:型号phasec 2d、Olympus等。

2.2 探头

在飞机维修中进行涡流检测时大多使用放置式线圈。放置式线圈是指检测线圈的轴线在检测过程中垂直于被检工件表面, 实现对工件表面及近表面缺陷的检测。在实际检测过程中要根据不同情况, 选择合适的探头。

(1) 笔试探头。用于检测孔周边裂纹信号, 频率范围根据要求不同一般在50k Hz-2MHz之间。如图3 所示。

(2) 角度探头。用于检测大直径孔的周边和孔内壁裂纹信号。角度探头也适用于一般性表面检测, 与笔试探头不同的是角度探头的检测线圈轴线与杆身有一个角度, 这样的目的是使得探头在一些受限制检测区域可以保持检测线圈轴线与被检工件表面垂直, 如图4 所示。

(3) 孔探头。也称旋转探头, 用于孔内壁缺陷检测的一种特殊放置式线圈, 工作频率一般较高, 被检线圈直径较小。一般用于小直径孔的内壁检测, 常用尺寸有3/16、5/32 英寸。

孔探头按扫查方式分为两种基本类型, 手动探头和用于旋转扫查装置的专用孔探头。

选择探头时, 除了考虑孔探头的电性能参数, 主要考虑的因素是被检紧固件孔的径, 要选择合适外径的孔探头, 使得孔探头的检测线圈能够与孔内壁表面保持良好接触, 才能的到较好的检测结果。

2.3 对比试样

涡流检测对比试样主要是用于建立评价被检产品质量符合性的标准, 以对比试样上人工缺陷作为判定该产品经涡流检测是否合格的依据。对比试样上一般用电火花加工法制作径刻槽来模拟裂纹。进行禁锢件孔周边和内壁检查时具体采用什么对比试样, 需要根据技术要求选择合适尺寸的对比试样, 才能检测到被检孔的不同裂纹。对比试样的刻槽宽度根据检测要求不同, 尺寸也不一样。

3 检测步骤

工作前准备, 由工程图纸或其他可应用的文件确定要检测孔的直径和深度, 目视检测确定孔内和周边区域干净, 无密封剂和其他杂物。

选择适当尺寸的探头和对比试样。

用参考试样按照工艺要求校正仪器响应。

紧固件孔周边的涡流检测。要求检测出从紧固件孔中产生并向外延伸的疲劳裂纹。

紧固件孔内壁的涡流检测。

手动扫查:手工转动探头并逐步推进。这种操作方式下转动速度较慢, 且不均匀, 仪器无法实现在螺栓孔圆周壁上位置的缺陷自动识别和定位, 缺陷的定位是通过观察在缺陷响应信号出现时探头上检测线圈扫到的位置。这种扫查方式下, 缺陷的阻抗平面式示波屏上形成“8”字形响应信号, 而不是“时间基线-信号幅度”的显示方式。

自动扫查:紧固件孔的自动扫查通常使用差动式探头。当探头垂直扫查一条裂纹时, 只要裂纹的长度等于或者大于线圈的直径, 那么裂纹的深度是影响信号幅度的主要因素, 根据幅值得变化规律我们可以评估该裂纹在孔内沿轴线的深度, 通过时基- 幅值 (Y-T) 显示, 根据信号在时基线上的位置可以判断出裂纹在孔周的位置。

4 结束语

根据被检测工件的形状, 材料, 检测位置和可接近性。选择不同的检测工艺;对紧固件孔周边检测, 应选用屏蔽式探头, 减小干扰;根据所选的探头, 孔内部表面状态、旋转速度等参数调节高通和低通虑波, 滤去干扰杂波, 获得较好的波形显示;发现可疑信号, 需要用反光镜和放大镜检查孔内壁, 确定信号是否由刮痕、表面不规则或者探头倾斜引起的;当涡流检测无可靠结论时, 应采用其他无损方法相互合。

摘要：飞机紧固件是飞机结构中用的最多的零件, 其孔受紧固件作用力而容易出现疲劳裂纹。为保证飞机安全运行, 需对飞机紧固件孔疲劳裂纹进行检测。涡流检测方法可以有效检测各种结构复杂区域疲劳裂纹。本文采用涡流检测方法, 开展飞机紧固件孔的缺检测技术研究。

关键词：紧固件孔,探头,涡流检测

参考文献

[1]任吉林.电磁无损检测[M].北京:航空工业出版社, 1989.