涡流分析

涡流分析（精选12篇）

涡流分析 篇1

摘要：提出将一种求解盲源分离问题的独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)算法应用于自然裂纹涡流检测(Eddy Current Testing,ECT)信号的预处理中。利用一种基于负熵极大的FastICA算法,分别对实验产生的疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹ECT信号进行了处理,实现了ECT信号中缺陷分量与探头提离信号、部分噪声信号的有效分离。为了验证算法的有效性,同时采用小波分析算法对相同ECT信号进行了去噪处理。结果表明ICA算法在ECT信号处理中具有独特优势。

关键词：涡流检测,自然裂纹,缺陷信号,独立分量分析

涡流检测(Eddy Current Testing,ECT)是一种检测导电结构表面和亚表面缺陷的有效技术,具有灵敏度高和不需耦合剂等优点。但是,在实际应用中,被检测工件表面形状变化、探头提离和环境噪声等都会对检测信号产生影响,降低缺陷信号的信噪比,直接影响对缺陷的分析和评价[1]。因此,在对缺陷进行定量评价之前,需要对检测信号进行预处理,除去其中的提离噪声和白噪声等非缺陷信号。常用的信号预处理方法有带通滤波、傅里叶变换和小波变换等。带通滤波和傅里叶变换技术可以有效除去平稳信号中部分由于探头提离变化或表面粗糙度引起的非缺陷信号,但不适用于ECT信号这种随时间变化的非连续信号。小波变换是非平稳信号处理的有力工具,已取得许多成功应用,但当有用信号的特征较弱而噪声较强,或有用信号与噪声的频带交叠严重时,小波降噪方法也不是很有效[2,3,4]。

独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)是一种近年发展起来的盲信号处理方法,许多学者对其进行了研究,提出了一系列算法[5,6,7]。与传统的盲信号分离算法相比,ICA算法基于数据的高阶统计量,分离得到的各分量不仅互不相关,而且高阶统计独立,更能反映数据的本质特征。因此,ICA算法在信号处理和工程领域得到广泛应用[8,9]。但尚未在ECT信号分析中得到应用。本文尝试采用ICA算法对ECT信号进行预处理,目的是从混合信号中提取出有效缺陷信号。

1 独立分量分析原理

独立分量分析是一种基于统计的方法,对于一组相关的混合观测信号,寻求一个数据的非奇异变换,使得变换后的数据分量之间相互独立。

图1所示为ICA方法的简单模型框图,图中S(t)=[S1(t),...,Sn(t)]T是由n个未知信号源构成的向量;A是一个混合矩阵。信源S(t)、矩阵A与n个可观测信号X(t)=[X1(t),...,Xn(t)]T之间有下列关系:

ICA方法可以在X(t)已知,S(t)与A均为未知的条件下,求解一个分离矩阵W,使得X(t)可经过下列变换得到n维输出向量Y(t):

Y(t)=[Y1(t),...,Yn(t)]T中各分量相互独立,可以作为S(t)的有效估计值。

2 基于负熵的FastICA算法

ICA算法在对信号进行处理时通常要进行目标函数的确定、观测数据的预处理和独立分量的提取与算法的实现等过程。目标函数确定的关键在于如何度量结果的独立性。目前独立性的度量准则主要有峭度、负熵和互信息等,通过引入合适的非线性函数来近似地计算负熵时,解ICA问题可以获得较快的收敛速度和较精确的计算结果。FastICA算法就是芬兰学者Aapo Hyvarinen等人提出的一种基于负熵这种非高斯性度量准则,逐次提取独立分量的固定点算法[5]。

2.1 负熵目标函数的确定

设一密度为p(y)的随机向量y的熵定义如下:

在具有相同方差的所有随机变量中,高斯变量具有最大的熵,因此可以将熵作为非高斯性的一种度量。

为了对非高斯性的度量更合理,且对高斯变量其取值为零且非负,定义如下形式的负熵:

式(4)中,yGuss为一高斯随机向量且与y具有相同相关矩阵。由式(4)可知:负熵总是非负的,当且仅当y具有高斯分布时其值为零。y的非高斯性越强,Ng(y)的值越大。从统计学角度来讲,负熵是度量随机变量非高斯性的最优工具之一,可作为度量随机变量非高斯性的目标函数。

为了对涉及到的随机变量概率密度进行有效估算,使用一个非二次函数G,可以将负熵近似为:

式(5)中,yGauss为零均值、单位方差的高斯变量;E()为均值运算,G()为高斯函数,由y=wTX(y为其中一个独立分量,w为分离矩阵W的一行,X为混合矩阵),负熵的近似函数也可表示为

问题转换为求分离矩阵W,使分离出的估计信号y=wTX能使函数Ng(y)达到最大这种无限制条件的优化问题。

2.2 FastICA算法

整个算法的步骤如下:

2.2.1 信号预处理

进行ICA处理之前,为了简化计算,去除观测信号间的相关性,可对采样信号进行中心化和白化等预处理。

a)中心化:是对观测信号进行去均值处理。其处理过程是从观测信号中减去信号的均值即E(X),使得观测信号成为零均值变量。其算法为:

b)白化:对去均值后的观测信号向量X施加一个线性变换B,使得新向量珘X=BX的各个分量间互不相关且具有单位方差,其协方差矩阵是单位矩阵,且满足

则称是白化的。

对观测信号进行白化处理使得ICA算法收敛更快,并能获得更好的稳定性和减少需要估计的参数个数。

2.2.2 独立分量分离

经过白化处理后,观测信号变换为具有单位方差的信号珘X,且珘X中各信号分量相互正交。继而可以寻找合适的解混矩阵W,来实现独立分量信号的分离。

分离的过程是一个迭代逼近的过程,用变量n=1,2,…来表示迭代次数,设yi(n)是Yi(n)中n次迭代后的某一分量,wi(n)为待求解混矩阵W(n)中与yi(n)对应的某一行向量,即

根据所确定的目标函数对yi(n)的非高斯性进行度量,用牛顿迭代法对该目标函数求解并化简,可得FastICA固定点算法迭代公式:

式(10)、式(11)中g()为G()的一阶导数。当调整相邻两次的wi(n)没有变化或变化不大时,即wi(n)/‖wi(n)‖收敛时,可认为yi(n)≈yi,否则依据式(10)重新调整wi(n)。

3 实验研究

3.1 实验构建

首先模拟自然环境制作自然裂纹。选用200 mm长,100 mm宽,8 mm厚的Inconel600合金钢板,在机械装置上固定并使平板两端及中间三点反复受力弯曲,直至产生疲劳裂纹。另外采用施力及酸性液体浸泡相结合的方法使试样产生应力腐蚀裂纹。按这样的方法制作了多块具有疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹的试样。然后采用如图2所示的实验装置,用涡流检测仪在多种频率下对裂纹进行扫描以获得尽可能多的ECT信号。探头由一台涡流检测仪激励并由计算机控制的扫描平台进行精确定位,采集的ECT信号经A/D转换后在计算机中存储起来用于分析处理。

在利用ECT方法进行缺陷的实际测量过程中,探头不可避免地受到提离(包括被检测物体表面粗糙度、形状变化)、被检测物边缘影响、环境白噪声等因素的影响,得到的测量信号是几种源信号的混合产物。由于探头扫描主要围绕在试样中心的裂纹附近,所以边缘效应对探头的影响可以忽略;考虑到ECT信号中的缺陷成分、提离和干扰噪声是统计独立的,服从非高斯分布,符合ICA应用的基本要求。尝试利用独立分量分析的方法将缺陷响应信号从被污染的ECT信号中分离出来,从而提高缺陷信号的信噪比。

3.2 基于ICA的ECT信号预处理

3.2.1 疲劳裂纹信号预处理

图3(a)所示是采用同一扁平线圈涡流探头分别在不同激励频率下对同一疲劳裂纹进行扫描得到的三组ECT源信号。其中,横坐标为采样点序号,纵坐标为信号幅度。从图3中可见,缺陷信号很微弱,几乎消失在提离噪声和白噪声信号中。

根据ICA理论,采用FastICA算法对图3(a)中的观测信号进行分离,得到的独立分量成份如图3(b)所示。图3中从上至下依次为疲劳裂纹信号,白噪声和探头提离干扰信号,分离效果较好。

3.2.2 应力腐蚀裂纹信号预处理

由于应力腐蚀裂纹内部结构比疲劳裂纹更为复杂,在各种噪声干扰的影响下,所获得的ECT信号往往背离了实际缺陷的情况。图4(a)所示是同一探头分别在不同频率下对同一应力腐蚀裂纹扫描所获得的三组ECT源信号。从中已经很难判断缺陷的位置和形状。

采用FastICA算法对图4(a)中的应力腐蚀裂纹ECT源信号进行分离得到的各独立分量如图4(b)所示。图中从上至下依次为缺陷信号,探头提离干扰和白噪声信号。可见已将缺陷信号清晰分离出来。

为了验证ICA方法在ECT信号预处理中的效果,同时采用小波分析方法对图3(a)所示的疲劳裂纹ECT源信号进行了处理。将提离等低频噪音分解成逼近信号,而将缺陷信号和高频噪音分解成细节信号。图5(a)所示为小波分析过程,图中最上方波形是源信号,图中其它波形是采用经试验选定的一定阶数Daubechies小波将ECT源信号分解成多个频率级的部分结果。从图中可见低频逼近分量提取出了提离噪声,白噪声被分解成高频细节分量。

小波分解之后,按照表征缺陷信号的分解系数不变而其余的设为零的原则来滤除噪声。这样就除去了低频提离噪声和高频白噪声。得到如图5(b)所示的缺陷信号。

将图5(b)小波分解提取的缺陷信号与图3(b)ICA分离结果进行对比,可以发现,除幅度等有所不同外,信号的其余特征非常相近,说明ICA算法在ECT信号预处理中是有效的,分离出的缺陷信号能够有效反映缺陷位置、形状等特征。

4 结论

针对自然裂纹ECT信号由于受到探头提离和白噪声严重影响而难以有效表征缺陷的问题,提出将ICA算法应用在ECT信号预处理中。利用FastI-CA算法对实验获得的疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹ECT信号进行了预处理,取得了良好的缺陷信号分离效果。

同时采用小波分析算法进一步验证了ICA技术是提取ECT信号中缺陷分量的有效方法,具有一定应用前景。

采用ICA分离得到的缺陷信号还明显含有白噪声成分,可进一步采用小波分析等方法去噪。对于实际环境中的ECT信号噪声消除,以及如何对不同种类探头获得的源信号进行ICA分离并获得最佳效果,还需进一步研究。

参考文献

[1] Chen Zhenmao,Janousek L,Yusa N,et al.A nondestructive strategyfor the distinction of natural fatigue and stress corrosion cracks basedon signals from eddy current testing.Journal of Pressure Vessel Tech-nology,2007;129(11):719—728

[2]时振堂,陈德智.涡流检测信号小波除噪与缺陷特征提取.无损检测,2003;25(9):472—493

[3]张思全,陈铁群,刘桂雄.基于智能算法的涡流检测自然裂纹形状重构.华南理工大学学报,2008;36(10):129—134

[4]赵晓燕,李宏男.一种改进的小波分析消噪方法及其在健康监测中的应用.振动与冲击,2007;26(10):137—139

[5] Hyvarinen A,Oja E.A fast fixed-point algorithm for independentcomponent analysis.Neural Computation,1997;9(7):1483—1492

[6] Hyvarinen A.Fast and robust fixed-point algorithms for independentcomponent analysis.IEEE Transactions on Neural Networks,1999;10(3):626—634

[7] Hyvarinen A,Oja E.Independent component analysis:algorithms andapplications.Neural Networks,2000;13(4):411—430

[8]潘城,田社平,颜国正.超定独立分量分析及其在结肠压力信号分析中的应用.上海交通大学学报,2010;(44)11:1595—1599

[9]刘祥平,王建明.改进ICA去噪方法在瞬变电磁信号处理中的应用.北京师范大学学报(自然科学版),2011;47(1):35—38

涡流分析 篇2

课程分析：

本节教材是选修内容，是电磁感应现象的几个实例，是电磁感应定律的实际应用。涡流是一种特殊的电磁感应现象，在生产生活中有许多应用，本节中主要学习涡流及其成因，涡流的热效应、机械效应等。重点是涡流的概念及其应用。难点是电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。

学情分析：

学生在学习了电磁感应现象以后，在学习涡流、电磁阻尼和电磁驱动，在理解上难度不是很大，本节教学重在实验演示，使学生有亲身体会、感受。

设计思路：

以实验为主导，分析为主线，讲授为辅助展开教学

学习目标：

1、知道涡流是如何产生的；

2、知道涡流对我们的不利和有利的两个方面，以及如何防止和利用；

3通过分析事例，培养学生全面认识和对待事物的科学态度．

教学流程：

一、创设情境，引发思考

实验演示：

将可拆变压器的一字铁竖起来，一字铁外面套上装有松香的铝槽。在原线圈接通交流电后将连接有小灯泡的闭合线圈缓慢的套在一字铁的外面，让学生注意观察灯泡亮度的变化情况。几分钟后，学生嗅到了松香的味道，再让后排的同学上来摸摸铁芯和铝槽，比较它们的温度，报告给全班同学。（铝槽的温度比铁芯高，嗅到松香的味道是铝槽被加热的结果。）设问：为什么闭合的铝槽会发热呢？

二、新课教学：

1、涡流

安排学生阅读教材：P26涡流

学生回答，从而引出涡流的概念：什么是涡流？

把块状金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很象水的旋涡，因此叫做涡流．

分析演示实验：整个铝槽的电阻很小，所以涡流常常很大．相同时间内产生热量多。

（使学生明确：涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律．）

涡流在实际生产生活中的防止与应用

展示变压器铁心，为什么它们的铁芯都不是整块金属，而是由许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成？

学生阅读教材，讨论分析得出结论。

课件展示：高频冶炼炉，电磁炉，安检门，金属探测器

提出问题：高频冶炼炉，电磁炉，安检门，金属探测器的工作原理是什么？

学生阅读教材，讨论分析得出结论。

2、电磁阻尼

课件展示视频：

（1）用丝线悬挂闭合金属环，悬于O点，虚线左边有匀强磁场，右边没有磁场,如图所示.金属环的摆动会很快停下来．试解释这一现象．若整个空间都有向外匀强磁场，会有这种现象吗？

（2）用一弹簧悬挂一短磁铁使其上下振动，观察其运动时间，然后在其震动位置固定一封闭铝环，再使磁铁做同前一次振幅相同的振动，观察其运动时间。

（3）演示视频：落磁现象

引导学生分析得出结论

导体在磁场中运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。

学生实验：按照教材“做一做”中叙述的内容，演示电表指针在偏转过程中受到的电磁阻尼现象。

3、电磁驱动

演示教材P27页的演示实验。引导学生观察并解释实验现象。

磁场相对于导体运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种现象称为电磁驱动。交流感应电动机就是应用电磁驱动的原理工作的。

三、知识迁移，学以致用

1、目前金属探测器已经广泛应用于各种安检、高考及一些重要场所，关于金属探测器的下列有关论述正确的是

A.金属探测器可用于月饼生产中，用来防止细小的金属颗粒混入月饼馅中

B.金属探测能帮助医生探测儿童吞食或扎到手脚中的金属物，是因为探测器的线圈中能产生涡流

C.使用金属探测器时候，应该让探测器静止不动，探测效果会更好

D.能利用金属探测器检测考生是否携带手机等违禁物品,是因为探测器的线圈中通有直流电

2下列现象属于电磁驱动的是（）

A.磁电式仪表线圈的骨架用铝框来做

B.微安表的表头在运输时要把两接线柱短接

C.交流感应电动机

D.变压器的铁心用硅钢片叠合制成

3、如图所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热量，将金属融化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是（）

A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快

B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快

C．工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小

D．工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大

课后反思：

虽然本节是一节知识延伸课，但是它却是电磁感应现象和楞次定律的深化和细化，学生学好它，对电磁感应现象和楞次定律的理解意义非常重大。

1.长城教学设计

2.iuv教学设计

3.bpmf教学设计

4.《海水》教学设计

5.《狼》教学设计

6.《秋思》教学设计

7.《Christmas》教学设计

8.《长城》教学设计

9.《猫》教学设计

串联谐振耐压试验涡流研究 篇3

关键词：交联聚乙烯电缆；涡流损耗；耐压试验；串联谐振；电抗器 文献标识码：A

中图分类号：TM154 文章编号：1009-2374（2016）15-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.007

随着长治电网的改造和发展，聚乙烯电缆越来越广泛地用于变电站的35kV和10kV出线间隔中。但是电缆长度增加，工频耐压试验设备的容量满足不了现场的试验要求，直流耐压与电缆的运行工况有所差异，串联谐振设备由于电源容量小、耐压与运行工况相似等优点，越来越多地应用于电缆的交接耐压试验中，但串谐设备应用中存在的一些问题不容忽视。

1 现场交流耐压试验方法

交流耐压试验是电气设备交接试验中考察电气设备绝缘的最重要、最关键的一环，现场实际中应用最广泛也最经典的主要有以下两种交流耐压试验方法：

1.1 工频耐压试验

电气设备耐压试验时常表现为一种容性设备，容性设备的电容量较小时，工频耐压试验是最佳的耐压试验方法，工频耐压试验时的电压、波形、频率和被试电气设备内部绝缘的电压分布，均符合实际运行工况，因此能有效发现电气设备内部绝缘缺陷，是保证电气设备安全运行最为行之有效的方法之一。工频耐压设备一般较大，电压较高，耐压器一般处于空载运行状态，因此短路电流较小，能满足变电站内小电容量的被试设备的耐压要求。

1.2 谐振耐压试验

谐振耐压试验是近工频耐压试验，频率在30～300Hz范围内，耐压试验电气设备绝缘内部的电压分布和运行工况类似，在工频耐压器容量不够时代替工频耐压试验。谐振耐压试验分为工频谐振耐压和变频串联谐振耐压试验方法。工频谐振耐压试验主要为调节电感，但操作繁琐，不宜现场使用。变频谐振耐压试验有效地避免了以上两种耐压试验的缺点。另外变频谐振耐压试验还有以下优点：

1.2.1 装置体积较小，频率调节简单，所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q，Q为系统的品质因数，一般在20～30之间。

1.2.2 改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效地防止了谐波峰值对试品的误击穿。变频串联谐振耐压试验装置防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍，两者相比，短路电流与击穿电流相差数百倍，所以串联谐振能有效地找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。

1.2.3 变频串联谐振耐压试验装置不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，不会出现任何恢复过

电压。

2 变频串联谐振试验系统

变频串联谐振耐压试验装置由变频电源、励磁变压器、避雷器、高压电抗器和电容分压器组成，通过改变试验系统的电感量和试验频率，使回路处于谐振状态，此时电路阻抗Z（f0）=R为纯电阻，电压和电流同相。这样试验回路中试品上的大部分容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，电源只提供回路中消耗的有功功率的能量。被试电气设备的电容量为C，电感为L，则谐振频率为：

VF：变频电源；T：励磁变压器；MOA：避雷器（与励磁变压器做成一体）；L：电抗器组合；CF：电容分压器；Cx：被试电气设备

3 案例详述及分析

2013年4月1日在长治市110kV文王山站35kV潞宝兴海Ⅱ回电缆进线交接耐压试验，该间隔为两条并联使用的三芯电缆，截面积为300mm2，单根电缆长度为1.3km。两条电缆并联起来的电容量为：

单节电抗器的电感值为52.5H，额定容量为55kVA，额定电压为26kV。将电抗器两串四并后，考虑到电抗器之间的互感系数，则系统总电感值为：

根据频率式（1），有系统谐振时f0=41.5Hz。于是，一次电流I=2·π·f·C·U=6.7A，考虑到电抗器和励磁变的电阻损耗以及引线和其他电晕损耗，实际的一次电流达到8A。

电缆的A相耐压时，电抗器置于车厢的铁板上。电抗器两串四并，考虑到电抗器间的互感关系，两节串联电抗器的电感就增加了一倍多，每两件电抗器就形成了一个通电密绕螺旋管，虽然每两节电抗器距铁板大概有10cm的空气间隙，加上1cm的绝缘胶垫，构成了较大的空气漏磁通，但由于下面的地槽是铁板制成，铁的导磁率远大于空气，这样在铁板和电抗器间形成了一个较强的磁场，于是铁板上形成了较大的涡流，功率损耗就非常巨大。发现该问题后，把电抗器移到地面上做B、C相的试验，仪表盘上的功率损耗降为原来的1/2。这样大的功率损耗一方面使得变频串联谐振系统的品质因数大大降低；另一方面对该系统的长时间运行有着不可估量的损害。

4 结语

对于长距离大电容量的电缆交接耐压试验，工频耐压由于试验变压器容量太大，且电源容量也非常大，这在现场均难以满足或者非常不便，推荐使用变频串联谐振系统进行谐振耐压试验，但是试验方法不当造成的涡流损耗必须极为重视，否则，轻则造成能源不必要的浪费，重则影响到品质因数降低，试验电压达不到规定值，无法顺利地完成耐压试验。

参考文献

[1] 周泽存，沈其工.高电压技术[M].北京：中国电力

出版社，2005.

[2] 邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1996.

[3] 李中胜.串联谐振耐压试验中电抗器的组配验算[J].

湖南工业职业技术学院学报，2014，（2）

作者简介：谢云飞（1983-），男，山西省电力公司长治供电公司工程师，硕士，研究方向：电气试验与状态检修；吕永红（1973-），男，山西省电力公司长治供电公司高级技师，研究方向：电气试验工作与状态检修；吴怀玉

（1968-），男，山西省电力公司长治供电公司高级工程师，研究方向：检修及电气试验监督；宁晋峰（1961-），男，供职于山西省电力公司长治供电公司，研究方向：检修及电气试验监督；吴斌（1981-），男，山西省电力公司长治供电公司工程师，研究方向：绝缘监督。

涡流分析 篇4

在石化行业中, 广泛使用着各种形式的列管式 (U形管式) 热交换器, 有不少 (碳钢和合金钢) 换热器在高温和强腐蚀介质中运行, 使换热管管壁产生各种腐蚀缺陷、损伤和壁厚减薄, 这将严重威胁设备的安全运行。对这些在役换热器管进行定期检测, 掌握缺陷的存在及发展情况, 是保证整台设备长周期安全运行的关键。

1 F308远场涡流检测技术原理

远场涡流现象取决于管中发生的两个主要效应, 一是沿管子内部对激励线圈直接耦合磁通的屏蔽效应;二是存在能量两次穿过管壁的非直接耦合路径。它源于激励线圈附近区域管壁中感应周向涡流, 周向涡流迅速扩散到管外壁, 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, 并再次产生幅值衰减与相位滞后, 这也就是远场区检测线圈所接到的信号 (图1) 。

2影响涡流检测结果 (腐蚀缺陷类型及深度) 准确性因素

通过在对在役换热器管进行远场涡流检测检测时, 发现换热管存在的腐蚀缺陷类型有:周向腐蚀缺陷、单边腐蚀缺陷、叠加缺陷等。如何准确判定缺陷类型及缺陷深度需要从4个方面加以控制。

2.1仪器设备性能

从事检测行业, 要保证检测质量, 必须熟悉了解设备的性能, 尽可能降低对检测结果的影响。虽然远场涡流检测法可以检测铁磁性管材, 也可以检测非铁磁性金属管材, 但是它也有自身的局限性。远场涡流检测法, 虽然能克服常规涡流检测法的某些不足, 但是由于信号两次穿过管壁, 能量损耗大, 灵敏度受到很大影响, 所以它对管材的体积性缺陷 (如管壁的均匀减薄、轴向缺陷) 较敏感, 而对小孔缺陷的检测不太理想。

2.2对比样管制作

制作对比样管参考JB/T 4730.6-2005《承压设备无损检测》第六部分的相关内容设计对比样管。对比样管主要用于调节涡流检测仪检测灵敏度, 确定验收水平和保证检测结果的准确性;对比样管应与被检测对象具有相同或相近规格、牌号、热处理状态、表面状态和电磁特性;对比样管上加工的人工缺陷应采用适当的方法进行测定, 并满足相关标准或技术条件的要求;对比样管上加工的人工缺陷的尺寸不应解释为检测设备可以探测到的缺陷最小尺寸。

2.3仪器调试与校准

仪器调试需要注意的是远场涡流检测时保证涡流场能穿透管壁, 并有良好的衰减特性, 频率选择不能太高, 相位选择要使不用壁厚的信号反应在水平轴投影上有良好的线性关系, 并且对铁磁性管板产生的信号方向必须在增厚的信号方向, 增益的选择要使信号的幅值在屏幕上处于合适的位置, 要便于观察。

每次开始做涡流检测时都应先用对比样管对测厚系统进行校正, 校正的方法一般是用相同材料, 相同规格尺寸的对比样管对进行调试, 要调整F-1频率以获得一个相移 (相位移动的度数) , 该度数等同于短的周向凹槽的深度百分比。

2.4探头的选取

探头是远场涡流检测检测系统中的核心元件, 在标准JB/T4730-2005第六部分6.2.2.1中关于远场涡流检测中的规定, 检测线圈的直径必须具有合适的直径, 应能顺利的通过所要检测的管子, 并具有尽可能大的填充系数。

填充系数是影响管棒材涡流探伤灵敏度的重要因素, 检测线圈与管棒材接近程度越高, 检测灵敏度越高, 由于管棒材的平直度、轴对称性和椭圆度总是存在一定的偏差, 如果仅仅关注追求填充系数的提高, 必然会增大检测线圈运动过程中与管棒材撞击的概率和摩擦损耗, 造成探头的损伤。因此在实际检测过程中, 尽可能选择与之相匹配的探头进行检测, 保证检测设备的灵敏度。通过在实际检测中的应用, 探头填充系数至少≥60%, 才能满足检测工作条件。

3 F308远场涡流检测技术的应用

图2是某石化冷换设备E207/B换热管 (2-4) 实际检测结果的条形图。从绝对通道1和2中可以看出, 在S1~S11之间, 相位和幅度迹线都出现向右侧偏移, 这是折流板的信号。在S1~S11之间, 有多处区域相位和幅度迹线出现向左侧偏移 (图2中*标记处) , 由图谱分析可知, 该管子存在类似单边腐蚀缺陷、类似周向均匀腐蚀缺陷。在检测的过程中, 图谱显示部分管子存在类似缺陷。

3.1对比样管中各类缺陷涡流检测图谱及螺旋参考图 (图3~图6) 。

3.1.1长周向均匀腐蚀缺陷 (对比样管规格Φ19×2 mm) 。

3.1.2短周向缺陷 (对比样管规格为Φ19×2 mm) 。

3.1.3单边缺陷 (对比样管规格为Φ19×2 mm) 。

3.1.4通孔缺陷 (对比样管规格为Φ19×2 mm) 。

3.2对换热管管壁存在的缺陷定性分析

定性分析:远场涡流检测仪采集的远场涡流数据以相位和幅度信号显示。腐蚀和其他缺陷都会造成信号的相位和幅度发生变化, 根据其图形的变化情况及螺旋参考曲线与对比样管进行对比, 可知在换热管2-4存在的缺陷类型有类似单边腐蚀缺陷A1 (图7) 、类似周向均匀腐蚀缺陷A2 (图8) 。

3.3对换热管管壁存在的缺陷定量分析

3.3.1在远场涡流检测仪上, 相位和幅度的对数与金属缺损的深度呈一定的线形关系, 通过扫查标准样管上的标准短周向缺陷 (壁厚减薄30%) , 使显示检测结果的条形图上的相位和幅度曲线与缺陷的深度呈对应的比例关系。将光标放在缺陷信号的尖端利用度数S框来读取短缺陷的相位角 (92.43) , (图9) 。

3.3.2利用RFT校准设置远场涡流检测仪。利用短周向缺陷壁厚损失 (减薄30%) 及相位角 (92.43) 创建新校准 (图10、图11) 。

3.3.3通过图上坐标计算与对比样管进行对比, 结合对缺陷类型的判断 (图12) , 确定壁厚减薄深度已超过壁厚的30%。

4结论

通过对冷换设备E-207/B进行远场涡流检测, 快速而准确地发现了换热管存在的腐蚀缺陷, 充分体现远场涡流检测技术灵敏度高、检测速度快的特点, 为换热管腐蚀监控提供了有效可行的手段。尽管该技术还存在许多缺点, 如远场涡流检测, 虽然能克服常规涡流检测的某些不足, 但是由于信号两次穿过管壁, 能量损耗较大, 灵敏度受到很大影响, 所以它只对管材的体积性缺陷 (如管壁的腐蚀减薄、轴向腐蚀) 较敏感, 而对小孔状缺陷的检测不太理想。但总体而言, 远场涡流检测技术是一种很有发展前途的技术, 随着技术的发展和完善, 将会在换热器管束检测中得到更为广泛的应用。

摘要：远场涡流检测技术在石化厂腐蚀缺陷的定性定量分析, 远场涡流检测适合对管材的体积性缺陷, 如管壁的腐蚀减薄、轴向腐蚀较敏感, 而对小孔状缺陷的检测不太理想。

关键词：远场涡流检测,缺陷,定性定量,检测

参考文献

[1]陈前明, 李健民.电站在役高压给水加热器远场涡流检测[J].热力发电, 2003, (10) 83-85.

涡流检测在航空维修中的使用 篇5

涡流检测在航空维修中的使用

介绍了涡流检测的`基本原理,并将其在航空维修中如何应用进行了阐述,同时提出此项检测在现场监视中的应用方法,为提高航空产品的安全性提供了一种新途径.

作 者：宋双杰 张玉莲 作者单位：西安航空职业技术学院,陕西,西安,710089刊 名：大众科技英文刊名：POPULAR SCIENCE & TECHNOLOGY年，卷(期)：2008“”(2)分类号：V241.07关键词：涡流检测 航空维修 应用实例 现场监视

涡流纺热潮下的冷思考 篇6

国产设备尚待开发

我国目前还不能产业化生产高水平的喷气涡流纺纱机，主要供应企业为日本村田和瑞士立达，此前，我国通过新设备采购与二手设备引入的方式，共引进11万头左右不同时期的喷气纺和涡流纺设备，产能占到全世界近50%。主要分布在浙江（约占60%）、江苏（约占30%）两省，近年来江西、河南、山东、湖北、福建等省的棉纺企业也有引进，但相对分散，没有形成浙江和江苏的集群效应。

从产品结构上看，喷气涡流纺的原料主要是粘胶和涤纶，另外还有少量的棉和其他纤维。产品以纯粘胶纱和涤粘混纺纱为主，纯涤、纯棉、涤棉、其他多纤维混纺纱比重较小。目前国内有部分企业与上游化纤企业合作开发了适合于喷气涡流纺的新型纤维并进行了新产品的开发，丰富了喷气涡流纺纱线产品的种类。

警惕投资热潮下的短板

当前，喷气涡流纺迎来了良好的发展机遇。《中国棉纺织“十二五”规划》将喷气涡流纺技术作为重点推广项目，行业协会也加大了喷气涡流纺的宣传力度；国家发展改革委颁布的《产业结构调整指导目录》中明确鼓励新型纺纱技术的发展；《鼓励进口和技术产品目录中》明确写出鼓励进口纺纱速度大于300m/min的喷气纺纱机。在当前成本上涨的形势下，寻求高效、自动化的设备是必然的选择，而喷气涡流纺正好具有这样的优势。

从数据上看，我国喷气涡流纺发展较为迅速，但其中也存在一定的发展问题。

首先，投资大。同等产能下，喷气涡流纺纱机的价格相对于普通环锭纺投资较高，同时因设备技术高，电子集成部件较多的特点，其使用年限必将低于一般环锭纺，且后期维修运行费用较高。另外一个原因是目前整个行业的形势低迷，纱线产品的利润率较低，投资规模过大后资金回收难度较大，这困扰着部分投资者。

其次，产业认知度欠缺。对于新生事物，人们都需要一个认识周期，由于涡流纺成纱结构类似于环锭纺纱，且毛羽相比普通环锭纺小得多，目前对喷气涡流纺纱的普遍定位都为中低支环锭纺纱线的替代品，一般使用者也是以环锭纺的标准来衡量喷气涡流纺纱线，下游企业普遍对喷气涡流纺纱线缺少认识，没有充分利用其条干好、毛羽少，在织造环节少用浆料，节能减排等优点，可以说整个产业链对涡流纺纱线的认识和应用都需要进一步培养。

第三，产业配套不足。喷气涡流纺主机设备还没有实现国产化，需从外国进口，另外由于规模还没有达到一定的程度，不足以让器材和专件企业重视去投入大量的人力、财力进行研发，所以在一定时间内这些还将依赖于进口，维修周期较长，成本较高。原料企业没有足够重视，只有个别化纤企业针对涡流纺需求研制特定的纤维原料。大多数上游企业对涡流纺纱线的生产效率和产品研发支撑不足。

探索发展模式

对于涡流纺应该以何种模式发展，成为了已投资企业所关注的问题。从目前看，单独的几台涡流纺纱机无法体现出涡流纺的优势，生产成本高没有市场竞争力，一定要形成一定规模后才能形成优势，这已经是一个共识。

针对这个问题，行业内有两种发展思路，一种是控制一定的规模，着力新产品开发，发挥涡流纺独特结构带来的优势，生产高附加值的产品。另一种是发挥规模优势，生产单一的品种以量取胜。当然这种生产不是简单的常规品种，而是需要进行创新，搞产品开发，适应特定的市场需求，最大化发挥设备高速稳定的优势，通过规模化生产降低吨纱生产成本。

从实际效果看，能科学运用这两种模式的企业都取得了一定的成功，至于哪种方式更适合涡流纺未来的发展，还有待于由今后产业的发展做评判。对于行业来说，现在要做的是尽快正确认识涡流纺，并促进其快速发展。

目前，涡流纺已引起行业上下游的普遍关注。原料方面，不少化纤企业开发出了适用于涡流纺的纤维；设备方面，器材的研发也取得了进展，已有多家器材企业研发出了涡流纺胶辊。最可喜的是我国在涡流纺主机上的进展，江阴华方和其他几家企业的涡流纺纱机的研发工作进展速度较快，相信1～2年内将有较成熟的国产涡流纺纱机推向市场。

喷气涡流纺是一个全新的纺纱技术，我们需要给它一定的发展时间，通过上下游企业共同努力，使喷气涡流纺产业在我国得以健康发展。

涡流分析 篇7

关键词：永磁涡流联轴器,在线调速,涡流,磁场仿真

1 引言

随着永磁材料的发展, 永磁涡流驱动技术凭借低保养, 低维修以及可以实现软启动和过载保护等特点被广泛应用于各种机械传动设备。永磁涡流联轴器区别于机械式联轴器, 它是利用永磁体与导体板之间的相对运动而在导体板表面产生涡流场, 并与永磁场相互作用进而达到传递输出转矩的目地, 属于非接触式联轴器。

但永磁涡流联轴器不具备高速运行状况下功率和输出转矩的在线调节功能, 达不到资源的最大化利用。通过研究输出转矩与磁场的对应关系, 合理设计调节结构, 实现在线调整联轴器的内、外转子之间的空气间隙, 进而调节感应磁场的大小, 以实现输出转矩与功率的在线调节。同时将利用Maxwell 3D电磁仿真软件对永磁涡流联轴器的三维瞬态磁场进行仿真研究, 详细说明了永磁涡流联轴器磁场的建模方法和求解步骤, 分析了磁盘和导体盘的结构参数对输出转矩的影响。

近年来, 国外对永磁涡流驱动技术的特性研究已经较为成熟[1,2], 而国内对这一块的研究比较少[3], 大多是针对径向型永磁联轴器即磁力泵方向的开发, 得出了径向型永磁联轴器的输出转矩推导公式并进行了二维磁场仿真。分析表明, 本文所提及的在线调节式永磁涡流联轴器, 国内外研究并不充分, 特别是现采用的二维有限元模型分析并不能完全模拟其真实状况, 计算精度也达不到工程要求。

2 结构设计与原理

在线调节式永磁涡流联轴器的结构设计如图1所示, 由在线调节装置和永磁涡流联轴器两部分组成, 主要是依靠永磁体盘 (内转子和导体盘 (外转子) 之间的空气间隙的变化来调节输出转矩。该涡流将产生一个与多极磁环相反方向的感应磁场, 两个磁场相互作用使导体盘受到一个磁转矩的作用而随之转动。

启动时, 两盘的间距最大。电机启动过程中, 与电机连接的永磁体盘很快达到电机的额定转速, 然后根据所需转速和系统载荷要求, 在线调整两盘间的空气间隙, 使传递的扭矩逐渐增大, 与负载连接的导体盘转速逐渐加快, 两盘之间的转速差迅速减小, 直到最后达到所需要的额定转速, 系统开始在额定状态下正常运转。这种结构可使电机在较小的负荷下逐渐完成启动过程, 实现了电机的软启动, 启动过程平稳, 加减速均匀。

3 永磁涡流联轴器的有限元分析

本文所研究的电磁场随时间不断的发生变化, 所以在此将使用Maxwell 3D软件的Transient模块进行磁场仿真分析。

3.1 三维瞬态电磁场计算原理

在三维瞬态场中, 可以采用局部剖分法来计算三维瞬态运动所带来的效应。对于低频瞬态磁场, maxwell方程组可以写成:

在求解三维瞬态磁场时, 其棱边上的矢量位自由度采用了一阶元计算, 而节点上的标量位自由度采用二阶元计算。

同时, 在三维瞬态磁场中, 瞬态包含两个含义, 一个是瞬态的电磁过程, 一个是瞬态的机械过程。在处理机械瞬态过程中, 需要引入对位移或角度的离散计算, 其离散格式可以按照下式描述。

其中的x表示机械位移量, 可以是距离也可以是角度。

3.2 基于Maxwell 3D的有限元分析

3.2.1 创建仿真模型

在Maxwell 3D Transient模块中建立的仿真模型如图2所示, 主要由永磁体盘、导体盘、Band区域以及求解域组成, 其中永磁体盘贴有8对N、S极交替排列的永磁体。

3.2.2 指定材料属性

模型建立完毕后, 接下来需要指定材料属性。本文中包含空气、永磁体、铜和铁等材料, 每种材料都要输入相应的特征。其中求解区域和Band区域可以直接使用软件默认的Vacuum属性, 在定义永磁体材料属性时要注意磁化方向的选择, 这里指定N极磁体为Z轴正方向充磁, S极磁体为Z轴负方向充磁。

3.2.3 划分网格

本文所提及模型尺寸非常规整, 可采用手工设置网格, Band区域内的物体网格要划的密一点。而对于求解区域, 我们可以不进行剖分。

3.2.4 求解设置与分析

最后对模型进行求解参数设定并求解。可以得到如图3与表1:

由图3可以看出在启动初期输出转矩很大, 之后趋于一个稳定值, 这是因为一方面在转动初期导体板表面摩擦力比较大另一方面此时涡流场还没有完全建立。表1中表示的是在不同状态下的输出转矩, 这里所给出的输出转矩都是在涡流场趋于稳定后的平均值。通过仿真, 我们可以得出以下结论:

(1) 随着永磁体盘和导体盘之间的空气间隙不断变大, 输出转矩相应变小, 主要是由于距离增大后涡流感应变低, 所以在设计时要注意对两盘间距的控制, 让其在最有效的范围内变化;

(2) 永磁材料的选择并没有特别的要求, 可根据所需涡流效应的强弱来定, 同时考虑到资源最大化利用, 现阶段一般建议钕铁硼系列;

(3) 永磁体厚度的变化对输出转矩影响较大, 但如果一味通过增大永磁体的厚度来增加转矩显然是不合理的, 因为永磁体相对而言成本还是比较昂贵的, 所以选择合适的永磁体厚度也是相当重要的;

(4) 输出转矩与永磁体的极数也密切相关, 随着磁极数的变大输出转矩先增大到一定值后反而降低, 这主要是由于随着磁极数的增加使得每一个永磁体块产生的涡流效应值降低;

(5) 铜盘厚度的变化趋势与永磁体厚度类似, 都是在达到一定值后反而减弱, 主要因为随着铜盘厚度的增加, 单位体积内穿过铜盘的磁力线相应会减少, 自然会影响到输出转矩值;

4 结语

随着国际社会越来越重视环境保护, 大量的工业污染必将得到限制, 在如此的大趋势下, 节能、环保成为本世纪的世纪主题势在必行。而永磁涡流联轴器作为节能环保型新产品, 发展前景是光明的。而我国作为一个稀土大国, 有着相当丰富的稀土资源, 我们更应当利用好这个先天优势, 进一步深入研究永磁驱动技术, 拓展此类联轴器的应用范围, 使其得到更广泛的应用。

本文作者创新点:通过在永磁涡流联轴器的传动部分增加在线调节结构, 实现联轴器输出转矩和功率的在线调节, 并通过软件建立永磁涡流联轴器的三维瞬态仿真模型, 得到了其磁场部分的数值解。

参考文献

[1]Lequesne Bruno, Liu Buyun, Nehl Thomas w.Eddy-current machines with permanent magnets and solid rotors[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1997, 33 (05) :451-456.

[2]Peng Ying, Ruan Jiangjun, Zhang Yu.A composite grid method for moving conductor eddy-current problem[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43 (07) :3259-3265.

涡流分析 篇8

1 理论分析与方法

1.1 使用经验公式的方法设计

一般而言, 已经验公式分析涡流泵的最佳优化设计时, 需考虑以下几点设计。

1.1.1 叶片数目

叶片数目是一个相当重要的参数, 叶片数目太少时, 叶片无法有效带动流体旋转以达到能量的传递, 叶片过多则会增加表面摩擦力, 所以, 在设计过程中需对叶片数目作优化计算, 叶片数目可由公式 (1) 求得:

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1.1.2 叶型设计

相关的几何参数包括叶型曲率半径、叶片长度、叶片高度、流道曲率半径与流道高度[2]。

1.1.3 隔板间距

隔板与叶轮间的间距是发生泄漏的主要位置, 因为叶轮的带动与两端压力差的关系会造成泄漏发生, 若能将此泄漏量降到最低将可以明显改善泵的效率, 其计算公式 (2) 为:

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1.2 利用流体力学的计算方法分析并设计

使用流体力学计算方法时, 需先建立其物理模型, 其次针对该模拟的问题采用一定的公式, 最后再配合其环境等因素设定其边界条件。

1.2.1 物理模型的建立

泵的外部主要由线圈与微流泵外壳所组成。而在内部则由轴承与叶轮所组成[3]。在旋转时由线圈通电与磁石间的电磁感应而转动带动叶轮推动介质流动。主要方法是求泵转动时内部流体的流动情形进而分析其最大流量与最高扬程。因此分析的计算区域为泵内部的工作流体流动部位, 而分析时所需的各理论公式如下文所述。

1.2.2 计算公式的引用

所计算的对象为流体运动, 一般流体场均是以那维-史都克公式来描述流体运动现象, 在流体场解析中做以下基本假设:1) 考量稳态流体场, 且无温度变化;2) 流场是三维紊流模式;3) 因为流体无温度变化, 所以流体的性质均假设为常数;4) 流动的速度不大, 所以流体视为不可压缩性流体[4]。

在流体部分, 对紊流公式的物理量使用时间平均的概念, 因此连续性公式 (3) 和动量公式 (4) 可分别以张量的型式表示如下:

undefined

式 (4) 中undefined为雷诺应力项, SF则为源项。其中在源项部分, 因部分工作流体将受叶轮旋转影响, 其计算公式需多考虑科式力所造成的影响, 故在此旋转区域内的源项公式如式 (5) :

undefined

一般较常用的数值预测紊流模式是Л-ε的双计算式紊流模式, Л是紊流动能, ε是紊流能量散失率。采用延伸后的Л-ε紊流模式来模拟流体场。因为此模式对于较复杂的几何形状在热传预测上有较高的准确性, Л-ε函数式如式 (6) ～ (9) 所示:

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式中:Pr是紊流动能产生率;μeff是有效粘度;μ是层流粘度;μ2是紊流粘度;σε是动量动能扩散率与紊流能量散失率之比[5]。

雷诺应力项是采用布氏涡流粘滞概念, 布氏将雷诺应力类比与层流流动的应力与应变率关系的型式, 定义为式 (10) ～ (11) :

undefined

其中:undefined

在紊流的边界层的次流层的速度变化很大, 必须以很密的隔点处理, 因比较不适合处理三维的流体场。在紊流的边界层的次流层以墙函数的近似方式来代表此区域的速度场。采用函数式 (12) 所示:

undefined

其中:undefined;undefined;E为经验常数 (k=0.42, E=0.9) 。

1.2.3 边界条件

有了上述的各函数式还需配合各边界条件才能求解, 就此需计算出泵在逆转时的最大扬程与最大流量这两个参数。最大扬程即为泵体入出口两端在封闭下的最大压力差, 而最大流量为两端口自由进出时所求得的流量。因此在分析时需以不同情况计算。进出口边界条件:1) 求解最大扬程时, 因无流体进出, 因此设进出口处为墙边界, 即undefined。2) 求最大流量时, 两端假设为压力边界, 其压力为0kPa。

流固介面边界条件:在管道的内面需满足流体速度不滑动的条件。故在一般表面其速度可定为0m/s 。而在与机泵磁心接触处, 其速度将与泵磁心转速相等。

2 结果与讨论

主要是针对现有的涡流泵, 采用经验公式与CFD数值分析这两种方法来求解其最优化设计。

当使用经验公式分析时, 由公式可求得其最优化设计的叶轮数为48片, 而在入出口端的间隙则为3片叶轮间距。而在CFD分析中则采用叶轮数为30、36、42与48四种不同叶片数来模拟泵的性能。而在间距改变后, 则取用3～6间距作为其设计变更的影响参考。

当转速在2000r/min以下时, 入出口端间隙为3～5叶片数时的流量与最大扬程分析结果, 如图1所示。此时同时考虑压力与流量的影响结果时, 可以发现间隙为5时将是最优化设计。

而在叶片数的设计上, 分别针对叶片数为30、36、42与48四种不同叶片数的泵来分析结果。各叶片数下的流量与扬程结果如图2所示。由分析结果可以看出, 流量随叶片数的增加而降低。在扬程方面, 最大扬程随叶片数增加而增加, 但当叶片数为40～44片时, 可获得最大的扬程。考虑到加工的方便, 选用出入口间隙为5叶, 叶轮叶数为40片的叶轮作为最优化设计。

图3为叶片数是40, 出入口间隙为5叶时的模拟试验测量结果。有其结果可以得出前面分析的结果和测量的结果差异不大。图4为使用经验函数式方法与CFD模拟设计的泵的试验, 结果为利用模拟分析所求得的最优化设计的泵P-Q curve曲线。这个结果可以得出在相同流量下, 利用模拟分析所求得的泵的最优化设计, 它的性能高于使用经验函数式设计的泵。由此结论可证明模拟数值分析的方法将更精确的设计出我们所需求的泵。

摘要：在涡流泵的设计中, 泵的叶片与流道设计对整体泵的性能影响很大。目前国内在设计上, 除采用经验公式作为参考外, 一般CAE分析中, 其叶片等部件设计仍是沿用经验式来作为其计算标准。大部分涡流泵设计时, 叶片设计方面已有许多相关文献与其经验式可供取用, 因此利用此类经验式可有效且快速求得其最佳设计。但其他尚无经验式的叶片与不同种类的离心泵电机, 在设计上参考资料就很少, 对于这类产品的设计主要是先设计雏型件并配合实际量测来修正各参数, 如此将耗大量的经费与时间。就此将以薄型涡流泵为设计改造对象, 利用计算流体力学的方法先分析涡流泵叶片的各参数对泵的影响, 之后根据计算结果设计并优化提高其性能。

关键词：涡流泵,叶片设计,维修改造

参考文献

[1]赵翠萍, 王霞, 张雪峰.高港枢纽轴流泵叶片调节机构的改进[J].科技传播, 2011, 20 (12) :12-13.

[2]叶渊杰, 陈坚, 徐艳茹.我国大泵叶片调节机构应用与研究综述[J].中国农村水利水电, 2009, 18 (8) :23-25.

[3]李二平.刘老涧泵站水泵机械式叶调机构改进[J].排灌机械, 2000, 20 (1) :43-46.

[4]仇宝云, 刘超.泵站水泵叶片调节方式概论[J].水泵技术, 1997, 15 (4) :23-26.

涡流分析 篇9

涡流探伤是以电磁感应原理为基础的一种常规无损检测方法, 它一般适用于导电材料。涡流探伤技术的检测信号, 是一种非线性、非平稳的信号, 它还具速度快、变化快的特点。涡流探伤的信号处理技术, 要求提高信号的信噪比和抗干扰能力, 实现信号的实时识别、分析和诊断, 以得出最佳的信号特征和检测结果。本文试图对几种现代信号分析方法进行探讨, 找出一种适合分析非线性、非平稳的涡流探伤信号的方法。

1 涡流探伤基本原理及对分析的要求

涡流探伤是以电磁感应原理为基础的, 金属材料在交变磁场作用下产生了涡流, 根据涡流的大小和分布可检测出铁磁性或非铁磁性性材料的缺陷[1]。如果检测时保持交变磁场不变, 则由于材料性质引起的涡流变化, 会导致线圈总磁通量的变化。所以, 涡流检测实质上就是对探头线圈阻抗的变化量的测量。

2 几种现代信号分析方法比较

2.1 短时傅里叶变换 (Short-timeFourier Transform, STFT)

它是在傅里叶变换的基础上, 将信号划分成许多个小的时间间隔, 并用傅里叶变换分析每一个时间间隔, 以确定在时间间隔内存在的频率。采用STFT方法时, 为得到某一时刻信号的频谱, 要求窗口的宽度非常窄, 但时域加窗时, 时窗窗口的宽度越窄, 在提高时间分辨率的同时, 会降低频率分辨率;同理, 频域加窗时, 频窗窗口的宽度越窄, 在提高频率分辨率的同时, 会降低时间分辨率, 也就是说时间分辨率与低频率分辨率之前存在互相矛盾、互相制约的关系。

2.2 魏格纳分布 (Winger-VilleDistribution)

为及时反映功率谱随时间的变化, Ville提出了魏格纳分布。通过对信号的魏格纳分布, 可得到信号的能量在时间和频率中的分布情况, 了解能量可能集中的某些频率和时间的范围, 从而有利于对时变信号进行及时分析[2]。

魏格纳分布虽然在一定程度上克服了STFT的局限性, 但是, 不是每一个时间和频率函数都是一个正常的魏格纳分布, 因为可能不存在产生魏格纳分布的信号;同时, 由于它是双线性的, 故不能保证非负性, 会产生干扰对信号进行时频特征分析的交叉项, 从而限制了它的广泛应用。

2.3 小波变换

它通过伸缩 (膨胀) 和平移等运算功能, 对信号进行多尺度化分析, 是空间 (时间) 和频率的局部变换, 能有效地将信息从信号中提取出来。

小波分析由于能自动调节时间窗口, 因而其时间分辨率高、频率分辨率低, 但它也有许多的不足之处, 比如其最常用的Morlet小波的基函数长度有限, 会导致能量泄漏;再者它不具备自适应性, 小波基函数一旦选定, 在整个分析过程中只能使用这一个基函数, 导致分析效果不理想。

2.4 经验模态分解 (EMD) 方法

它是由美国国家宇航局的H u a n g N.E.于1998年提出的一种分析非线性非平稳时间序列的新方法, 其基本思想是:利用EMD方法求的信号的本征模态函数 (IMF) , 并对其做希尔伯特变换, 求得时频分析结果[3]。

EMD方法的关键, 在于把一个非线性非平稳序列 (信号) 分解为有限个IMF分量和一个趋势项[6]。

(1) 将时域信号X (t) 分别用3阶样条曲线连接起来, 得到分别涵盖全部极大值与极小值的上、下两条包络线, 其均值点记为m1, 令原序列X (t) 与均值m1之差为h1:

其中h1是X (t) 的第一分量。

此时的h1并不符合对IMF的要求, 故需要重复这个过程, 直到第k次筛选的结果符合要求, 得到第一个IMF分量C1, 即

用两次连续筛选的结果计算一个与差值有关的量SD, 并设定SD为停止筛选过程的依据。SD表示成:

SD具体的门限值要根据具体的资料通过试验确定。

(2) 将C1从原序列中分离出去, 得到一个剩余序列r1:

将r1当作新的序列进行上述筛选过程, 以求得到第2个分量C2, 重复下去, 结果有:

从而得到一系列IMF分量。直到趋势项rn成为一个单调函数, 无法分解出IMF分量, 则分解过程结束。

EMD方法的表达式为:

3 EMD方法在涡流探伤信号检测中初探

本节用matlab对EMD方法在信号检测中应用进行模拟仿真。

设信号X (t) =2eti+e3ti+0.5t, 对其利用EMD方法分解后得到本征模态函数和趋势项:

可以看到:

(1) 原序列的变化信息集中在少数几个IMF分量上, 提高了分解的效率, 增强了在实际应用中的便捷性, 提高了分解到精度和效率。

(2) 可以揭示出一个复杂的信号序列是由哪些不同时间尺度的内在振荡构成, 以及振荡模态的相对重要性。

经验模态分解通过对非线性、非稳定信号进行逐层分解, 获取若干个本征模态函数 (IMF) , 并通过提取每个分量的瞬时特征, 完成复杂信号的特征提取, 为进一步分析和处理打下了良好的基础, 因此, 经验模态分解方法适宜分析涡流探伤技术采集的复杂检测信号。

4 结语

EMD方法在涡流探伤信号检测中的应用, 具有便捷性、高精度、高效率的优点, 它是当前迅速发展并广泛使用的研究时间序列的方法。近年来, 不断有学者在改进瞬时频率的计算方法、改善EMD算法的稳健性、探索二维EMD方法等方面, 对EMD方法进行着发展和完善, 相信在不远的未来, EMD方法必将得到更加广泛的应用。

摘要：运用涡流探伤技术检测焊管的焊接质量, 输出的检测信号非常复杂, 是一种非线性、非平稳的信号。本文探讨了几种现代信号分析方法, 并分析了它们的优缺点, 分析经验模态分解 (EMD) 方法在检测焊管涡流探伤信号上的应用优势, 指出经验模态分解方法的应用前景。

关键词：焊管,涡流探伤,信号分析,经验模态分解方法

参考文献

[1]田代才, 陈铁群, 张欣宇.涡流检测信号处理技术[J].无损检测, 2003, 29 (10) :599-602

[2]潘文杰.傅里叶分析及其应用[M].北京:北京大学出版社, 2000

涡流分析 篇10

1 计算原理

利用ANSYS软件中的电磁场模块对变压器的简化模型进行分析, 建立绕组的实际模型, 采用“场-路耦合”法计算绕组漏磁, 在获得较准确的绕组漏磁场基础上, 计算绕组的涡流损耗值, 得到涡流损耗分布。

1.1 变压器漏磁场的计算

采用“场-路耦合”方法来模拟变压器的高-中额定运行情况。实现方法如下:在模型区内建立变压器实际模型, 在模型区外建立电路模型, 以模拟实际的模型区内的绕组情况。

“场-路耦合”有限元方程为

式中:A为节点的向量磁位矩阵;I为节点电流矩阵;E为节点电动势矩阵;KAA为向量位刚度矩阵;Kii为电阻刚度矩阵;KAi是磁位与电流耦合的刚度矩阵;CiA为电感阻尼矩阵;Kie为电动势与电流耦的合刚度矩阵;U0为外加电压矩阵[5]。

在圆柱坐标系中, 流过绕组的电流产生的磁场满足下面的方程:

式中:μ为磁导率, H/m;σ为电导率, S/m;A为磁矢位, Wb/m;J为源电流密度, A/m2。

1.2 变压器涡流损耗的计算

变压器的漏磁场分为纵向和横向漏磁场, 与之对应, 漏磁通在绕组导线中所引起的涡流损耗也分为纵向和辐向涡流损耗。单位体积内的涡流损耗计算公式为

对于一个三角形单元沿圆周所构成体积内的横向涡流损耗为

纵向涡流损耗为

绕组总的涡流损耗为

式中:Bri为第i个单元内的横向磁通密度;Bzi为第i个单元内的纵向磁通密度;ω为角频率;ρ为材料的电阻率;b、d为导线尺寸;Ri为第i个单元的重心到铁心中心线的距离;Si为第i个单元内导体所占的面积;N为绕组总单元数[6]。

2 计算实例

采用有限元法对1台ODFS-334000/500自耦变压器绕组的漏磁场和涡流损耗进行计算分析。单相无励磁调压自耦变压器绕组排布以及联结形式如图1所示, 采用旁柱调压结构。所分析变压器采用的线段导线均为HQQN自粘性换位导线, 主要线规为单根裸导线, 厚度为1.42 mm, 宽度为5.3 mm, 部分技术参数如表1所示。

2.1 建模

变压器的漏磁场是一个三维场, 根据变压器结构及运行的特点, 可做如下假设:

1) 漏磁场模型可以简化为二维场计算。

2) 由于求解模型的对称性, 故只建立剖面的一半。

3) 忽略支架、拉板、夹件及绕组涡流损耗对漏磁场的影响。

4) 各场量均随时间作正弦变化, 不考虑高次谐波、空间电荷、位移电流的影响。

1—低压线圈;2—公共线圈;3—串联线圈;4—调压线圈;5—励磁线圈

重点计算高-中额定分接运行时绕组的漏磁场, 故只建立铁心窗内模型, 简化模型如图2所示。绕组分饼建模, 按实际尺寸建立绕组的匝绝缘、垂直油道, 铁心也按实际尺寸建模。

2.2 剖分和加载

主要计算绕组的漏磁场及涡流场, 因此要对绕组细剖, 采用映射剖分, 其它部分采用自由剖分。

“场-路耦合”法在有限元软件中的实现方法如下:在模型区建立变压器高、中压绕组及铁芯的实际模型, 高、中绕组的线饼数、线饼尺寸、垂直油道等均按实际情况建模;在模型区域外建立电压源、电压绞线圈、电阻来模拟实际的绕组运行情况。由于模拟的是高-中额定分接运行情况, 所加负载也是额定分接时的额定负载。绕组电路部分模型如图3所示。

3 仿真结果分析

采用谐波分析方法, 耦合电压、电流自由度在对称轴处施加通量平行边界条件[7], 进行求解分析。

3.1 漏磁场结果分析

从ANSYS软件后处理部分得到的漏磁场结果如图4—图6所示。

从图4可以看到, 高、中压绕组的磁力线分布上下对称, 主漏磁空道之间磁力线最密, 漏磁最大, 在绕组端部有大量磁力线弯曲, 从而会引起较大的横向漏磁。

从图5—图6可以看到, 纵向漏磁在绕组中部靠近主空道处较大, 但在中压绕组内侧和高压绕组外侧非常小, 接近于零, 而横向漏磁在绕组端部较大, 中部很小。

从高-中绕组的纵向漏磁分布图7可以看到, 漏磁曲线大致呈梯形分布, 中间主空道漏磁最大, 向两边逐渐减少至零。

高、中压绕组内、外径处沿绕组轴向高度的横向漏磁和纵向漏磁分布如图8—图11所示。

从图9和图11可以看到, 高、中压绕组的端部横向漏磁较大, 这是由于磁力线在绕组端部弯曲而导致的。图8和图10显示绕组纵向漏磁都是中间大两边小且有许多小的波动, 这是由于高压绕组为饼式绕组, 饼与饼之间都有垂直油道。又因为高压绕组采用中部出线, 上下两部分完全对称, 所以横向漏磁与纵向漏磁在绕组轴向高度上也是完全对称的。绕组中部附近的磁力线有向外凸出, 故绕组的最大纵向漏磁不是出现在绕组中部, 而是在中部的上下两侧。

3.2 涡流损耗分析

高、中压绕组电流密度分布如图12—图13所示。

从图12可以看出, 高压绕组电密在端部和中部位置较大, 在这些位置相应的会产生较大的涡流损耗。从图13可以看出, 中压绕组中部上下两侧有四饼绕组电流密度比中部其他位置的小, 在这些位置的涡流损耗也会相对较小。

3.3 计算结果分析

高、中绕组的纵向涡流损耗分布如图14和图15所示。

从图14可以看到, 高压绕组纵向涡流损耗的最大值出现在绕组中部的上下两侧, 这是因该处的漏磁较大且线段的导线厚度较大所致。从图15可以看到, 中部上下两侧出现两个较明显的低点, 这是因为该处的线段每段匝数少、尺寸小以及该位置的纵向漏磁相对较小所致。

高中每饼绕组辐向涡流损耗分布如图16和图17所示, 最大值分别为613 W和517 W。

从图16和图17可以看出, 高、中绕组横向涡流损耗分布趋势基本相同, 均是在绕组端部有最大值, 中部位置最小, 且接近于零。影响横向涡流的主要因素是导线宽度和横向漏磁。有限元法算得的涡流损耗值与工程算法的值的对比如表2所示, 工程算法只考虑了绕组纵向涡流损耗, 而有限元法可以算得辐向和纵向涡流损耗。

从表2中可以看到, 有限元算法的值比工程算法的值大, 这是因为有限元法计算了每根导线的涡流损耗大小, 而工程算法只是在简化漏磁分布的情况下得出的近似值。所以由有限元法得到绕组辐向涡流损耗约为纵向涡流损耗的1/3。这么大的辐向涡流损耗值, 显然是不应该忽略的。

4 结论

通过对一台高-中运行的334 MVA油浸式单相自耦变压器的绕组漏磁场进行ANSYS有限元仿真分析, 得到了绕组漏磁场的二维分布情况。通过对得出的漏磁场相关数据进行分析处理, 得到了绕组涡流损耗的分布情况。将计算出的涡流损耗值与工程算法的值对比, 结果基本一致, 表明了ANSYS有限元计算方法的准确性, 可以满足工程需要。计算出了每饼绕组的辐向和纵向涡流损耗值及最大涡流损耗集中区域, 为自耦变压器漏磁场和涡流损耗的分析提供了一定的理论参考。

摘要：利用ANSYS软件建立了油浸式自耦变压器的有限元模型, 采用“场-路耦合”方法分析了变压器绕组的漏磁分布, 得到绕组的涡流损耗分布情况。将有限元计算结果与工程计算结果对比, 说明了计算方法的准确性, 对自耦变压器的设计具有一定的理论参考价值。

关键词：自耦变压器,ANSYS有限元,漏磁场,涡流损耗

参考文献

[1]张安红.电力变压器的损耗研究与优化设计[D].长沙:湖南大学, 2005:135-136.

[2]PLONUS M, .Applied electromagnetics[M].McGraw.Hill, 1978.

[3]GIRGIS R S.Calculation of Winding Losses in Shell Form Transformer for Improved Accuracy and Reliability[J].IEEE PWRD, 1987, 2 (2) :398-410.

[4]周剑明.电磁场有限元综合模拟方法及大型变压器漏磁场的研究[D].武汉:华中理工大学, 1990.

[5]李晓松, 胡贵, 陈乔夫.基于“场-路耦合”分析的超导变压器绕组环流计算[J].电力电气, 2006, 25 (10) :21-24.

[6]康雅华.电力变压器涡流损耗和温升的计算与分析[D].沈阳:沈阳工业大学, 2007.

涡流分析 篇11

据介绍，喷气涡流纺产业发展研讨会将邀请东华大学、吴江京奕特种纤维有限公司、宏扬控股集团有限公司等科研院所、企业的代表，围绕喷气涡流纺技术及投资效益、应用新纤维开发涡流纺新型纱线、喷气涡流纺投资及未来发展趋势等内容展开。（郭春花）

USDA调减全球棉花产量及库存

据美国农业部（USDA）8月12日晚发布的8月份全球棉花供需预测报告，2013/2014年度全球棉花总产量为2534万吨，较7月份预测调减35.5万吨；消费2391.8万吨，调增1.3万吨；期末库存2041.5万吨，调减12.4万吨。预计2012/2013年度全球棉花产量2635.9万吨，较上次预测调减4万吨；消费2338.9万吨，调增1万吨；期末库存1880万吨，调增16.8万吨。

中国2012/2013年度棉花进口量及期末库存均调增7.1万吨，分别至442.6万吨和1095.9万吨。2013/2014年度棉花产量调减21.8万吨，至718.5万吨；消费783.8万吨不变；期末库存调减14.7万吨，至1268.4万吨。

美国2013/2014年度棉花产量较7月份调减9.7万吨，至284.2万吨；出口调减8.7万吨，至230.8万吨；期末库存调减2.1万吨，至61万吨。

超级空气涡流炮 篇12

准备材料:

剪刀1把、空饮料瓶1个、气球1个、胶布(透明胶也可)。

制作过程:

①用剪刀将饮料瓶从中间剪开,取有瓶口的那一半备用。

②将气球从中间剪开,把气球皮包在饮料瓶的底部,用胶布固定好,一个小型空气涡流炮就做好了。

(3)只要把气球皮向后拉,放手时就会有一股强大的气流从瓶口喷出。赶快点燃蜡烛,试一试它的“功力”吧!

原理简介:

空气涡流炮产生的气流其实是类似于烟圈一样的涡流。在我们拍打或往后拉空气涡流炮底部的气球皮时,里面的空气会受到挤压急速压缩,形成急速旋转的涡流。我们往后拍打或拉得越用力,这股涡流就会越强。

实验延伸: