Single-coil method for simultaneous measurement of multiple parameters of a metal tube

magistarski rad

• Naslov (hrvatski): Istodobno mjerenje više parametara metalne cijevi metodom jedne zavojnice
• Autor: Darko Vasić
• Mentor: Vedran Bilas (mentor)
• Član povjerenstva: Željko Štih (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Vedran Bilas (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Damir Markučič (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet elektrotehnike i računarstva; (Zavod za elektroničke sustave i obradbu informacija); Zagreb
• Datum i država obrane: 2005-11-30, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: TEHNIČKE ZNANOSTI; Elektrotehnika; Elektronika
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 621.3 - Elektrotehnika

Sažetak

Eddy-current methods are the nondestructive methods of choice for the measurement of tube properties: inner radius, wall thickness and electromagnetic properties (relative magnetic permeability and electrical conductivity). Eddy-current systems, that measure tube properties from the interior of tube in situations where the exterior is not accessible (e.g. oil-well), employ multiple excitation frequencies and several coil pairs. Reduction in number of coils and frequencies can improve the robustness and reliability of such systems. In this thesis, analytical models have been derived of the magnetic field distribution and impedance of a coil placed axially inside a metal tube. A novel procedure has been proposed for correction of electromagnetic thickness measurement for changes in tube electromagnetic properties. Permeability measurement has been shown to be applicable to tube grade identification and stress evaluation. Furthermore, the single-coil method has been presented for simultaneous determination of tube inner radius and permeability-to-conductivity ratio. This is achieved through minimization of difference between the model prediction and the actually measured impedance of a single coil at a single frequency. The single-coil method reduces total number of coils and excitation frequencies required for measurement of tube properties. In order to confirm practical realizability of the method, sensitivity and error analyses have been made with respect to tube properties and coil dimensions. Due attention has been paid to other influential factors not included in the model, such as temperature, material non-idealities, coil decentralization, etc. The experimental results, obtained for several tubes, validate the proposed procedure within the range of 10 kHz to 100 kHz for both nonmagnetic and ferromagnetic tube materials. Further improvements of the method have been proposed. Requirements for the single-coil system have been established relating to operation in a high-temperature environment, ranges of tube properties to which the system is applicable, and accuracy of inner radius measurement. An electronic instrumentation design, based on a digital signal processing approach, has been presented.

Sažetak (hrvatski)

Metoda vrtložnih struja je pogodna za nerazorno mjerenje unutarnjeg polumjera i debljine stijenke metalne cijevi, te elektromagnetskih značajki materijala cijevi (relativne magnetske permeabilnosti i električne vodljivosti). Sustavi temeljeni na metodi vrtložnih struja, koji mjere značajke cijevi s njezine unutarnje strane u slučajevima kada vanjska strana nije dostupna (npr. cijevi naftnih bušotina), upotrebljavaju više pobudnih frekvencija i nekoliko parova zavojnica. Smanjenje broja zavojnica i frekvencija bi poboljšalo robusnost i pouzdanost ovakvih sustava. U ovome magistarskom radu izvedeni su analitički modeli raspodjele magnetskog polja i impedancije zavojnice, aksijalno smještene unutar metalne cijevi. Predložena je nova metoda korekcije elektromagnetskog mjerenja debljine stijenke zbog promjena u elektromagnetskim značajkama cijevi. Pokazano je da se mjerenje permeabilnosti može primijeniti u identifikaciji kvalitete materijala cijevi i procjeni razine mehaničkih naprezanja cijevi. Nadalje, predstavljena je metoda jedne zavojnice za istodobno mjerenje unutarnjeg polumjera cijevi i omjera permeabilnosti i vodljivosti njezinog materijala. Ovo je ostvareno minimiziranjem razlike između predviđanja modela i izmjerene impedancije jedne zavojnice na jednoj frekvenciji. Metoda jedne zavojnice smanjuje broj zavojnica i frekvencija potrebnih za mjerenje značajki cijevi. Kako bi se potvrdila praktična upotrebljivost metode, sprovedene su analize greški i osjetljivosti s obzirom na značajke cijevi i dimenzije zavojnice. Posebna pažnja je dana ostalim utjecajnim veličinama koje nisu uključene u model, npr. temperatura, nesavršenosti materijala i posmak zavojnice. Eksperimentalni rezultati, prikupljeni mjerenjem na nekoliko cijevi za frekvencije od 10 kHz do 100 kHz, potvrđuju predloženu mjernu metodu bez obzira da li su cijevi od feromagnetskog materijala ili ne. Predložena su daljnja poboljšanja mjerne metode. Dani su zahtjevi na sustav mjerenja jednom zavojnicom, a koji se tiču rada u okolišu s visokom temperaturom, očekivanog mjernog opsega sustava, te točnosti mjerenja unutarnjeg polumjera. Predložen je dizajn elektroničke instrumentacije temeljen na digitalnoj obradbi signala.

• Ključne riječi: Nondestructive evaluation; eddy-current method; remote-field technique; single-coil method; tube properties measurement; coil impedance; electronic instrumentation; high-temperature environment
• Ključne riječi (hrvatski): Nerazorno ispitivanje; metoda vrtložnih struja; tehnika udaljenog polja; metoda jedne zavojnice; mjerenje značajki cijevi; impedancija zavojnice; elektronička instrumentacija; okoliš s visokom temperaturom
• Jezik: engleski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:723581
• Studijski program: Naziv: Elektrotehnika; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski znanstveni (magistarski); Akademski / stručni naziv: Magistar znanosti elektrotehnike (mag. ing. el.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Zatvoreni pristup
• Repozitorij: Repozitorij FER-a
• Datum i vrijeme pohrane: 2019-07-05 08:44:00