一種管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術及其便攜式檢測儀，所述檢測儀包括組合式探頭、儀器主機和數據處理及顯示設備；其中探頭設有聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器；儀器主機包括信號源、功率放大模塊、接收模塊、數據采集模塊；數據處理及顯示設備由信號提取模塊、模態分離模塊、數據成像模塊組成；其中信號源用于激勵適合于導波檢測和聲脈沖檢測的窄頻帶脈沖信號，經過功率放大模塊進行電壓和電流的放大，再激勵傳感器發生振動；接收模塊將檢測到的信號進行放大、濾波后，通過數據采集模塊進行模數轉換并將信號傳輸給數據處理及顯示設備。該檢測儀能夠解決現有在役管、非裸露管線上的缺陷難以定量、定位及檢測量大等一系列難題。
【專利說明】
一種管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術
技術領域
[0001]本發明屬于管道無損檢測領域，特別提供一種將超聲導波檢測技術和聲脈沖檢測技術集為一體的管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術及其便攜式檢測儀，該設備可廣泛應用于石油、化工、電力等行業的管線安全運行的評估與診斷，減少管道開裂導致非計劃性停機而造成的經濟損失。
【背景技術】
[0002]管道在石油、化工、電力等行業得到了廣泛的應用。由于在制造、安裝、服役等過程中，管道會產生各種各樣的缺陷，為管道運輸系統帶來了安全隱患，管道頻繁泄漏，導致非計劃停產，不僅造成企業巨大經濟損失，甚至威脅現場工作人員的生命安全。因此能夠快速有效地對服役管道進行無損檢測備受人們關注。
[0003]目前對管道常規無損檢測方法是利用超聲導波檢測技術，其檢測效率高；一次性檢測覆蓋范圍大(一般金屬管道中的導波可傳播幾十米甚至上百米)；檢測速度快和100%的檢驗;對腐蝕型缺陷靈敏度較高;不受管子材料影響。但導波對于管內堵塞型缺陷與穿孔型缺陷檢測靈敏度比較低。另外，導波技術直接應用于熱交換器管檢測仍存在一些問題，例如，它無法區分管的外壁缺陷和內部缺陷，無法檢測堵管與管板附近存在的盲區。而聲脈沖檢測技術對于管內堵塞型缺陷與穿孔型缺陷檢測靈敏度比較高，它同樣具有導波檢測距離長及檢測覆蓋范圍大、檢測速度快、不受管子材料影響等優點，它能彌補超聲導波存在的不足。因此本發明提供一種在超聲導波檢測技術基礎上融合聲脈沖檢測技術的管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術及其便攜式檢測儀。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術及其便攜式檢測儀，該檢測技術在超聲導波檢測技術基礎上融合了聲脈沖檢測技術，以解決現有在役管、非裸露管線上的缺陷難以定量、定位及檢測量大等一系列難題，克服了超聲導波檢測技術存在的檢測難點問題，提升檢測設備的性能，并使其應用范圍更廣，減少誤判率，提高檢測靈敏度，具有檢測速度快、靈敏度高、準確性高、方便操作、抗干擾性能強、成本低和快速檢測腐蝕、堵塞及漏泄，可做出預報警等優點，尤為適合多管束快速測量，可廣泛應用于石油、化工、電力、鋼廠等領域的熱交換器管道快速檢測。
[0005]本發明具體提供了一種管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術，其特征在于:采用將超聲導波檢測與聲脈沖檢測技術集為一體的檢測儀對管路進行檢測，所述檢測儀包括組合式探頭、儀器主機和數據處理及顯示設備；
[0006]1、探頭部分
[0007]本發明所述檢測儀的探頭部分采用由聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器全新組合的方式，使用時，將探頭內插被檢管內，導波和聲脈沖同時進行檢測，結構如圖2所示。
[0008]所述探頭設為槍型體，聲脈沖傳感器由揚聲器I與接收器2組成，其中揚聲器I用來發生聲脈沖信號7，安裝于探頭槍體5尾部，接收器2安裝于槍體5槍壁與槍柄交接處，用來接收聲脈沖信號7。其中揚聲器I可采用高音喇叭，接收器2可采用麥克風接收器。
[0009]所述超聲導波檢測傳感器包括導波傳感器3和環形氣囊14，其中導波傳感器3均勻固定在環形氣囊14上面，等間隔均勻排列；導波傳感器3與被測管6內壁之間通過氣囊14的膨脹收縮來實現耦合，檢測時利用充氣栗通過氣囊14的充氣口 4來給氣囊14充氣，使得固定在氣囊14上的導波傳感器3緊壓在被測管6內壁上。導波傳感器3優選4?16個，設置兩排，每排n/2個，等間隔均勻排列在環形氣囊14上面。
[0010]導波傳感器3由一組并列等間隔的換能器陣列組成，換能器繞氣囊14外周向排布，換能器陣列數量取決于被測管徑大小和使用的波形，該方式可以使導波傳感器3(壓電傳感器)按一定模式排布，保證每個導波傳感器3接觸力一致，使導波傳感器3按設定的模態發生振動。由于被測管6內徑可能較小，因而將聲脈沖傳感器布置在槍體5后面。
[0011]在檢測之前，將探頭槍體5的槍頭17插進被測管6內，由儀器主機發出兩種信號源來分別來激勵聲脈沖傳感器和超聲導波傳感器。其中，如圖3所示聲脈沖傳感器(揚聲器I)發出一串聲脈沖波7沿管道內進行傳播，當遇到被測管6內的腐蝕坑11、阻塞物10、穿透性缺陷8時，就會在缺陷處產生反射回波13，并由聲脈沖接收傳感器(接收器2)接收。如圖4所示，導波傳感器3發出導波15在管體內傳播，當遇到管內穿透性缺陷8、內壁的腐蝕坑11、外壁缺陷9及外壁裂紋12時，就會有一部分導波反射回來，形成帶有缺陷信息的超聲導波回波16，最后利用導波傳感器3來拾取回波16信息。導波能快速提供結構(被檢工件)大面積區域綜合的狀態信息。通過傳感器的激勵使得管道內、外表面和中部質點振動，聲場遍及整個壁厚，因此管道的內部缺陷和外部缺陷均可以被檢測。由于聲脈沖波與超聲導波的速度不一樣，在軟件上進行區分，將采集到的信息單獨處理，再各自放大，經選頻濾波處理后送到分析系統并顯示出波形。
[0012]2、儀器主機部分
[0013]儀器主機部分主要包括信號源、功率放大模塊、接收模塊、數據采集模塊四部分，另附加充氣栗及其控制部分。信號源激勵適合于導波檢測和聲脈沖檢測的窄頻帶的脈沖信號，經過功率放大模塊進行電壓和電流的放大，再激勵傳感器發生振動。接收模塊將被聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器檢測到的工件上結構體反射回的微弱壓電信號進行放大、濾波后，通過數據采集模塊進行模數轉換，然后將數字信號傳輸給數據處理及顯示設備(數據處理及顯示設備可為便攜式電腦，可以通過USB傳輸線將數字信號傳輸給數據處理及顯示設備)，進行后續數據處理及顯示。充氣栗通過控制部分向氣囊14供氣。
[0014]本發明儀器主機前面板可由五部分組成:顯示部分、通閉部分、探頭連接部分、開關部分、出氣口。顯示部分包括電池電量顯示、開關機指示燈及儀器工作指示燈。通閉部分由一個外置USB接口組成。出氣口與氣栗相連。
[0015]3、數據處理及顯示設備
[0016]數據處理及顯示設備由信號提取模塊、模態分離模塊、數據成像模塊三部分組成；
[0017]信號提取模塊用于在聲干擾和電干擾的混合信號中提取導波檢測信號，提高信噪比增加檢測的靈敏度。
[0018]由于導波檢測的模態很多，各種結構特征信號反射不同的模態(如缺陷和端頭會反射的模態不同)，需要模態分離模塊將模態進行分離而得到想分析的模態，進一步提高導波檢測的靈敏度。
[0019]數據成像模塊用于將雙方向的檢測結果分為正反方向分別成像，并將檢測結果接收聚焦成像，以提高靈敏度。兩種檢測方法對于不同缺陷(如通孔、腐蝕等)反射回波的波形不同，根據波形信息自動識別缺陷類型。
[0020]本發明的有益效果為:
[0021]超聲導波傳播距離長而衰減很小，在一個位置固定脈沖回波陣列就可一次性對管壁進行長距離大范圍的快速檢測(100%覆蓋管道壁厚)，檢測過程簡單，不需要耦合劑。利用超聲導波檢測技術能檢出管道內外部腐蝕或沖蝕、環向裂紋、焊縫錯邊、焊接缺陷、疲勞裂紋等缺陷。但也存在一定缺點，即不能檢測管道內部阻塞、不能檢測彎管道。
[0022]本發明在超聲導波檢測技術基礎上，融合了聲脈沖檢測技術，以提高前者的檢測局限性。聲脈沖對管道內部阻塞、漏孔有較高的靈敏度，可檢測彎管，但對內部腐蝕不敏感，不能檢測管道外部腐蝕。由此可見，聲脈沖檢測技術是對超聲導波檢測技術的補充。改進后的儀器實現了兩種技術的優勢互補，可廣泛應用于石油、化工、電力及鋼鐵行業的熱交換器管道檢測。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明總體結構示意圖。
[0024]圖2是本發明的探頭結構示意圖。
[0025]圖3是聲脈沖檢測原理圖。
[0026]圖4是超聲導波檢測原理圖。
[0027]圖5是導波傳感器的分布示意圖。
[0028]圖6是導波傳感器與管內壁耦合方式示意圖。
[0029]圖7是氣囊控制示意圖。
[0030]圖8檢測結果圖，其中上部為導波波形圖，下部為聲脈沖波形圖。
[0031]圖中，1、揚聲器，2、接收器，3、導波傳感器，4、充氣口，5、槍體，6、被測管，7、聲脈沖波，8、穿透性缺陷，9、外壁缺陷，10、阻塞物，11、腐蝕坑，12、裂紋，13、聲脈沖回波，14、氣囊，15、導波，16、超聲導波回波，17、槍頭，18、槍頭前端外沿。
【具體實施方式】
[0032]實施例1
[0033]如圖1所示，整個檢測裝置分成三部分:組合式探頭、儀器主機和數據處理及顯示設備，該儀器體積小，重量輕，其中槍型探頭重約0.5Kg，儀器主機箱重約3kg，操作方便，輕巧便攜。
[0034]其中組合式探頭設有聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器;所述儀器主機包括信號源、功率放大模塊、接收模塊、數據采集模塊;所述數據處理及顯示設備由信號提取模塊、模態分離模塊、數據成像模塊三部分組成；
[0035]如圖2所示，結合檢測方式和傳感器分布要求，組合式探頭制成槍型體。考慮到材料要求，需對超聲波衰減較小，另外檢測環境比較惡劣，為了防止槍體5被破壞，本發明的槍體5采用碳鋼材料。
[0036]如圖3所示，聲脈沖傳感器由揚聲器I與接收器2組成，其中用來發生聲脈沖波的揚聲器I是高音喇叭，安裝于槍體5的尾部。由信號源發出一個特定信號，經過功率放大模塊對電壓、電流進行放大，來激勵揚聲器I發出聲脈沖信號7，聲脈沖沿管內介質(空氣)中傳播。接收器2利用麥克風，安裝于槍體5槍壁與槍柄交接處。它接收聲脈沖信號7遇到管內壁缺陷反射回來的聲脈沖回波13，通過接收模塊、數據采集模塊進行放大濾波、A/D采集，然后將數值信息傳送給數據處理及顯示設備顯示成像。
[0037]如圖5所示，超聲導波檢測傳感器包括導波傳感器3和環形氣囊14，其中環形的氣囊14套在槍體5的槍頭17外壁上，氣囊14與槍頭前端外沿18形成一個密閉的腔體，導波傳感器3均勻等間隔固定在氣囊14外表面;氣囊14一端還設有充氣口4，用于給氣囊14充氣。導波傳感器3與被測管6內壁之間通過氣囊14的膨脹收縮來實現耦合(耦合方式如圖6所示)，檢測前的導波傳感器3與被測管6之間是不接觸的，檢測時利用充氣栗通過充氣口4來給氣囊14充氣，使得固定在氣囊14上的導波傳感器3緊壓在被測管6內壁上，氣囊控制部分如圖7所示:給設備上電之后，單片機進行初始化，在此等待儀器主機發送指令，在接收到指令后，控制充氣栗的運行，充氣栗對氣囊14進行打壓，隨著打壓的進行氣體壓力逐漸變大，這時壓力傳感器在隨著氣體壓力傳送給AMP進行放大，之后經過A/D數模轉換傳給單片機，單片機根據要求控制充氣栗的開啟與關閉，同時單片機將這時的狀態發送給儀器主機。當氣囊14內壓強變到一定程度時候，氣囊14膨脹使得導波傳感器3緊貼在被測管6內壁，通過數據采集卡，將導波傳感器3的數值實時傳給數據處理及顯示設備，超聲導波檢測原理見圖4。
[0038]所述數據處理及顯示設備中，信號提取模塊用于在聲干擾和電干擾的混合信號中提取導波檢測信號，提高信噪比增加檢測的靈敏度;模態分離模塊用于將模態進行分離而得到想分析的模態，進一步提高導波檢測的靈敏度;數據成像模塊用于將雙方向的檢測結果分為正反方向分別成像，并將檢測結果接收聚焦成像，以提高靈敏度。
[0039]該裝置所使用的蓄電池組為整個系統提供能量，充電一次可供設備工作8小時以上，足夠檢測完一組中型熱交換器中的管道，其輸出電壓為24V，儀器中的氣栗、控制器和各傳感器所需要的特定電源由DC-DC變換器從電池組轉換得到。
[0040]人工傷實驗:實驗用鋼管的外徑28mm，壁厚2.5mm，長度8.9m，材料牌號是lCrl8Ni90管壁上鉆有2個通孔，直徑分別是Φ3.2mm和Φ I.5mm，Φ3.2mm大孔到鋼管B端頭的距離是1πι，Φ 1.5mm小孔到鋼管B端頭的距離是2m，兩個孔的圓周位置相差180°。將探頭插入鋼管的A端頭，接通電源，待探頭與管內壁緊密結合后，由信號源發出特定信號來同時激勵揚聲器I與導波傳感器3，接收到的回波信號由PC機處理，在其檢測軟件上實時成像，得到這兩處缺陷的導波信號與聲脈沖信號如圖8所示。
[0041]上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術，其特征在于:采用將超聲導波檢測與聲脈沖檢測技術集為一體的檢測儀對管路進行檢測，所述檢測儀包括組合式探頭、儀器主機和數據處理及顯示設備； 所述組合式探頭設有聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器，使用時，將探頭插入被測管內，聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器在管內同時激勵聲波和超聲導波，并同時接收帶有管路缺陷信息的回報信號； 所述儀器主機包括信號源、功率放大模塊、接收模塊、數據采集模塊； 所述數據處理及顯示設備由信號提取模塊、模態分離模塊、數據成像模塊三部分組成； 其中信號源用于激勵適合于導波檢測和聲脈沖檢測的窄頻帶的脈沖信號，經過功率放大模塊進行電壓和電流的放大，再激勵傳感器發生振動;接收模塊將被聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器檢測到的工件上結構體反射回的壓電信號進行放大、濾波后，通過數據采集模塊進行模數轉換，然后將數字信號傳輸給數據處理及顯示設備，進行后續數據處理及顯示。2.按照權利要求1所述管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術，其特征在于:所述探頭設計為槍型體，聲脈沖傳感器由揚聲器(I)與接收器(2)組成，其中揚聲器(I)用來發生聲脈沖信號(7)，安裝于探頭槍體(5)尾部，接收器(2)安裝于槍體(5)槍壁與槍柄交接處，用來接收聲脈沖信號(7)。3.按照權利要求2所述管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術，其特征在于:所述揚聲器(I)采用高音喇叭，接收器(2)為麥克風接收器。4.按照權利要求1所述管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術，其特征在于:所述超聲導波檢測傳感器包括導波傳感器(3)和環形氣囊(14)，其中環形的氣囊(14)套在槍體(5)的槍頭(17)外壁上，氣囊(14)與槍頭前端外沿(18)形成一個密閉的腔體，導波傳感器(3)均勻固定在環形氣囊(14)上面，等間隔均勻排列；導波傳感器(3)與被測管(6)內壁之間通過氣囊(14)的膨脹收縮來實現耦合，檢測時利用充氣栗通過氣囊(14)的充氣口(4)來給氣囊(14)充氣，使得固定在氣囊(14)上的導波傳感器(3)緊壓在被測管(6)內壁上。5.按照權利要求1所述管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術，其特征在于:所述數據處理及顯示設備中，信號提取模塊用于在聲干擾和電干擾的混合信號中提取導波檢測信號，提高信噪比增加檢測的靈敏度;模態分離模塊用于將模態進行分離而得到想分析的模態，進一步提高導波檢測的靈敏度;數據成像模塊用于將雙方向的檢測結果分為正反方向分別成像，并將檢測結果接收聚焦成像，以提高靈敏度。6.按照權利要求1所述管路超聲導波與聲脈沖集成檢測技術專用便攜式檢測儀，其特征在于:所述檢測儀包括組合式探頭、儀器主機和數據處理及顯示設備； 所述組合式探頭由揚聲器(1)、接收器(2)、導波傳感器(3)、充氣口(4)、槍體(5)以及氣囊(14)組成； 其中揚聲器(I)安裝于槍體(5)的尾部，接收器(2)安裝于槍體(5)槍壁與槍柄交接處； 環形的氣囊(14)套在槍體(5)的槍頭(17)外壁上，氣囊(14)與槍頭前端外沿(18)形成一個密閉的腔體，η個導波傳感器(3)均勾等間隔固定在氣囊(14)外表面，設置兩排，每排n/2個，其中n = 4?16;氣囊(14)一端還設有充氣口(4)，用于給氣囊(14)充氣； 所述儀器主機包括信號源、功率放大模塊、接收模塊、數據采集模塊，其中信號源用于激勵適合于導波檢測和聲脈沖檢測的窄頻帶的脈沖信號，經過功率放大模塊進行電壓和電流的放大，再激勵傳感器發生振動;接收模塊將被聲脈沖傳感器和超聲導波檢測傳感器檢測到的工件上結構體反射回的壓電信號進行放大、濾波后，通過數據采集模塊進行模數轉換，然后將數字信號傳輸給數據處理及顯示設備，進行后續數據處理及顯示； 所述數據處理及顯示設備由信號提取模塊、模態分離模塊、數據成像模塊三部分組成；信號提取模塊用于在聲干擾和電干擾的混合信號中提取導波檢測信號;模態分離模塊用于將模態進行分離而得到想分析的模態;數據成像模塊用于將雙方向的檢測結果分為正反方向分別成像，并將檢測結果接收聚焦成像。
【文檔編號】G01N29/24GK105911137SQ201511020310
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月30日
【發明人】張雙楠, 蔡桂喜, 李建奎, 張寶俊, 羅云躍, 于冰
【申請人】中國科學院金屬研究所