一种管路超声导波与声脉冲集成检测技术的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种管路超声导波与声脉冲集成检测技术及其便携式检测仪，所述检测仪包括组合式探头、仪器主机和数据处理及显示设备；其中探头设有声脉冲传感器和超声导波检测传感器；仪器主机包括信号源、功率放大模块、接收模块、数据采集模块；数据处理及显示设备由信号提取模块、模态分离模块、数据成像模块组成；其中信号源用于激励适合于导波检测和声脉冲检测的窄频带脉冲信号，经过功率放大模块进行电压和电流的放大，再激励传感器发生振动；接收模块将检测到的信号进行放大、滤波后，通过数据采集模块进行模数转换并将信号传输给数据处理及显示设备。该检测仪能够解决现有在役管、非裸露管线上的缺陷难以定量、定位及检测量大等一系列难题。
【专利说明】
一种管路超声导波与声脉冲集成检测技术
技术领域
[0001]本发明属于管道无损检测领域，特别提供一种将超声导波检测技术和声脉冲检测技术集为一体的管路超声导波与声脉冲集成检测技术及其便携式检测仪，该设备可广泛应用于石油、化工、电力等行业的管线安全运行的评估与诊断，减少管道开裂导致非计划性停机而造成的经济损失。
【背景技术】
[0002]管道在石油、化工、电力等行业得到了广泛的应用。由于在制造、安装、服役等过程中，管道会产生各种各样的缺陷，为管道运输系统带来了安全隐患，管道频繁泄漏，导致非计划停产，不仅造成企业巨大经济损失，甚至威胁现场工作人员的生命安全。因此能够快速有效地对服役管道进行无损检测备受人们关注。
[0003]目前对管道常规无损检测方法是利用超声导波检测技术，其检测效率高；一次性检测覆盖范围大(一般金属管道中的导波可传播几十米甚至上百米)；检测速度快和100%的检验;对腐蚀型缺陷灵敏度较高;不受管子材料影响。但导波对于管内堵塞型缺陷与穿孔型缺陷检测灵敏度比较低。另外，导波技术直接应用于热交换器管检测仍存在一些问题，例如，它无法区分管的外壁缺陷和内部缺陷，无法检测堵管与管板附近存在的盲区。而声脉冲检测技术对于管内堵塞型缺陷与穿孔型缺陷检测灵敏度比较高，它同样具有导波检测距离长及检测覆盖范围大、检测速度快、不受管子材料影响等优点，它能弥补超声导波存在的不足。因此本发明提供一种在超声导波检测技术基础上融合声脉冲检测技术的管路超声导波与声脉冲集成检测技术及其便携式检测仪。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种管路超声导波与声脉冲集成检测技术及其便携式检测仪，该检测技术在超声导波检测技术基础上融合了声脉冲检测技术，以解决现有在役管、非裸露管线上的缺陷难以定量、定位及检测量大等一系列难题，克服了超声导波检测技术存在的检测难点问题，提升检测设备的性能，并使其应用范围更广，减少误判率，提高检测灵敏度，具有检测速度快、灵敏度高、准确性高、方便操作、抗干扰性能强、成本低和快速检测腐蚀、堵塞及漏泄，可做出预报警等优点，尤为适合多管束快速测量，可广泛应用于石油、化工、电力、钢厂等领域的热交换器管道快速检测。
[0005]本发明具体提供了一种管路超声导波与声脉冲集成检测技术，其特征在于:采用将超声导波检测与声脉冲检测技术集为一体的检测仪对管路进行检测，所述检测仪包括组合式探头、仪器主机和数据处理及显示设备；
[0006]1、探头部分
[0007]本发明所述检测仪的探头部分采用由声脉冲传感器和超声导波检测传感器全新组合的方式，使用时，将探头内插被检管内，导波和声脉冲同时进行检测，结构如图2所示。
[0008]所述探头设为枪型体，声脉冲传感器由扬声器I与接收器2组成，其中扬声器I用来发生声脉冲信号7，安装于探头枪体5尾部，接收器2安装于枪体5枪壁与枪柄交接处，用来接收声脉冲信号7。其中扬声器I可采用高音喇叭，接收器2可采用麦克风接收器。
[0009]所述超声导波检测传感器包括导波传感器3和环形气囊14，其中导波传感器3均匀固定在环形气囊14上面，等间隔均匀排列；导波传感器3与被测管6内壁之间通过气囊14的膨胀收缩来实现耦合，检测时利用充气栗通过气囊14的充气口 4来给气囊14充气，使得固定在气囊14上的导波传感器3紧压在被测管6内壁上。导波传感器3优选4?16个，设置两排，每排n/2个，等间隔均匀排列在环形气囊14上面。
[0010]导波传感器3由一组并列等间隔的换能器阵列组成，换能器绕气囊14外周向排布，换能器阵列数量取决于被测管径大小和使用的波形，该方式可以使导波传感器3(压电传感器)按一定模式排布，保证每个导波传感器3接触力一致，使导波传感器3按设定的模态发生振动。由于被测管6内径可能较小，因而将声脉冲传感器布置在枪体5后面。
[0011]在检测之前，将探头枪体5的枪头17插进被测管6内，由仪器主机发出两种信号源来分别来激励声脉冲传感器和超声导波传感器。其中，如图3所示声脉冲传感器(扬声器I)发出一串声脉冲波7沿管道内进行传播，当遇到被测管6内的腐蚀坑11、阻塞物10、穿透性缺陷8时，就会在缺陷处产生反射回波13，并由声脉冲接收传感器(接收器2)接收。如图4所示，导波传感器3发出导波15在管体内传播，当遇到管内穿透性缺陷8、内壁的腐蚀坑11、外壁缺陷9及外壁裂纹12时，就会有一部分导波反射回来，形成带有缺陷信息的超声导波回波16，最后利用导波传感器3来拾取回波16信息。导波能快速提供结构(被检工件)大面积区域综合的状态信息。通过传感器的激励使得管道内、外表面和中部质点振动，声场遍及整个壁厚，因此管道的内部缺陷和外部缺陷均可以被检测。由于声脉冲波与超声导波的速度不一样，在软件上进行区分，将采集到的信息单独处理，再各自放大，经选频滤波处理后送到分析系统并显示出波形。
[0012]2、仪器主机部分
[0013]仪器主机部分主要包括信号源、功率放大模块、接收模块、数据采集模块四部分，另附加充气栗及其控制部分。信号源激励适合于导波检测和声脉冲检测的窄频带的脉冲信号，经过功率放大模块进行电压和电流的放大，再激励传感器发生振动。接收模块将被声脉冲传感器和超声导波检测传感器检测到的工件上结构体反射回的微弱压电信号进行放大、滤波后，通过数据采集模块进行模数转换，然后将数字信号传输给数据处理及显示设备(数据处理及显示设备可为便携式电脑，可以通过USB传输线将数字信号传输给数据处理及显示设备)，进行后续数据处理及显示。充气栗通过控制部分向气囊14供气。
[0014]本发明仪器主机前面板可由五部分组成:显示部分、通闭部分、探头连接部分、开关部分、出气口。显示部分包括电池电量显示、开关机指示灯及仪器工作指示灯。通闭部分由一个外置USB接口组成。出气口与气栗相连。
[0015]3、数据处理及显示设备
[0016]数据处理及显示设备由信号提取模块、模态分离模块、数据成像模块三部分组成；
[0017]信号提取模块用于在声干扰和电干扰的混合信号中提取导波检测信号，提高信噪比增加检测的灵敏度。
[0018]由于导波检测的模态很多，各种结构特征信号反射不同的模态(如缺陷和端头会反射的模态不同)，需要模态分离模块将模态进行分离而得到想分析的模态，进一步提高导波检测的灵敏度。
[0019]数据成像模块用于将双方向的检测结果分为正反方向分别成像，并将检测结果接收聚焦成像，以提高灵敏度。两种检测方法对于不同缺陷(如通孔、腐蚀等)反射回波的波形不同，根据波形信息自动识别缺陷类型。
[0020]本发明的有益效果为:
[0021]超声导波传播距离长而衰减很小，在一个位置固定脉冲回波阵列就可一次性对管壁进行长距离大范围的快速检测(100%覆盖管道壁厚)，检测过程简单，不需要耦合剂。利用超声导波检测技术能检出管道内外部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹等缺陷。但也存在一定缺点，即不能检测管道内部阻塞、不能检测弯管道。
[0022]本发明在超声导波检测技术基础上，融合了声脉冲检测技术，以提高前者的检测局限性。声脉冲对管道内部阻塞、漏孔有较高的灵敏度，可检测弯管，但对内部腐蚀不敏感，不能检测管道外部腐蚀。由此可见，声脉冲检测技术是对超声导波检测技术的补充。改进后的仪器实现了两种技术的优势互补，可广泛应用于石油、化工、电力及钢铁行业的热交换器管道检测。
【附图说明】
[0023]图1是本发明总体结构示意图。
[0024]图2是本发明的探头结构示意图。
[0025]图3是声脉冲检测原理图。
[0026]图4是超声导波检测原理图。
[0027]图5是导波传感器的分布示意图。
[0028]图6是导波传感器与管内壁耦合方式示意图。
[0029]图7是气囊控制示意图。
[0030]图8检测结果图，其中上部为导波波形图，下部为声脉冲波形图。
[0031]图中，1、扬声器，2、接收器，3、导波传感器，4、充气口，5、枪体，6、被测管，7、声脉冲波，8、穿透性缺陷，9、外壁缺陷，10、阻塞物，11、腐蚀坑，12、裂纹，13、声脉冲回波，14、气囊，15、导波，16、超声导波回波，17、枪头，18、枪头前端外沿。
【具体实施方式】
[0032]实施例1
[0033]如图1所示，整个检测装置分成三部分:组合式探头、仪器主机和数据处理及显示设备，该仪器体积小，重量轻，其中枪型探头重约0.5Kg，仪器主机箱重约3kg，操作方便，轻巧便携。
[0034]其中组合式探头设有声脉冲传感器和超声导波检测传感器;所述仪器主机包括信号源、功率放大模块、接收模块、数据采集模块;所述数据处理及显示设备由信号提取模块、模态分离模块、数据成像模块三部分组成；
[0035]如图2所示，结合检测方式和传感器分布要求，组合式探头制成枪型体。考虑到材料要求，需对超声波衰减较小，另外检测环境比较恶劣，为了防止枪体5被破坏，本发明的枪体5采用碳钢材料。
[0036]如图3所示，声脉冲传感器由扬声器I与接收器2组成，其中用来发生声脉冲波的扬声器I是高音喇叭，安装于枪体5的尾部。由信号源发出一个特定信号，经过功率放大模块对电压、电流进行放大，来激励扬声器I发出声脉冲信号7，声脉冲沿管内介质(空气)中传播。接收器2利用麦克风，安装于枪体5枪壁与枪柄交接处。它接收声脉冲信号7遇到管内壁缺陷反射回来的声脉冲回波13，通过接收模块、数据采集模块进行放大滤波、A/D采集，然后将数值信息传送给数据处理及显示设备显示成像。
[0037]如图5所示，超声导波检测传感器包括导波传感器3和环形气囊14，其中环形的气囊14套在枪体5的枪头17外壁上，气囊14与枪头前端外沿18形成一个密闭的腔体，导波传感器3均匀等间隔固定在气囊14外表面;气囊14一端还设有充气口4，用于给气囊14充气。导波传感器3与被测管6内壁之间通过气囊14的膨胀收缩来实现耦合(耦合方式如图6所示)，检测前的导波传感器3与被测管6之间是不接触的，检测时利用充气栗通过充气口4来给气囊14充气，使得固定在气囊14上的导波传感器3紧压在被测管6内壁上，气囊控制部分如图7所示:给设备上电之后，单片机进行初始化，在此等待仪器主机发送指令，在接收到指令后，控制充气栗的运行，充气栗对气囊14进行打压，随着打压的进行气体压力逐渐变大，这时压力传感器在随着气体压力传送给AMP进行放大，之后经过A/D数模转换传给单片机，单片机根据要求控制充气栗的开启与关闭，同时单片机将这时的状态发送给仪器主机。当气囊14内压强变到一定程度时候，气囊14膨胀使得导波传感器3紧贴在被测管6内壁，通过数据采集卡，将导波传感器3的数值实时传给数据处理及显示设备，超声导波检测原理见图4。
[0038]所述数据处理及显示设备中，信号提取模块用于在声干扰和电干扰的混合信号中提取导波检测信号，提高信噪比增加检测的灵敏度;模态分离模块用于将模态进行分离而得到想分析的模态，进一步提高导波检测的灵敏度;数据成像模块用于将双方向的检测结果分为正反方向分别成像，并将检测结果接收聚焦成像，以提高灵敏度。
[0039]该装置所使用的蓄电池组为整个系统提供能量，充电一次可供设备工作8小时以上，足够检测完一组中型热交换器中的管道，其输出电压为24V，仪器中的气栗、控制器和各传感器所需要的特定电源由DC-DC变换器从电池组转换得到。
[0040]人工伤实验:实验用钢管的外径28mm，壁厚2.5mm，长度8.9m，材料牌号是lCrl8Ni90管壁上钻有2个通孔，直径分别是Φ3.2mm和Φ I.5mm，Φ3.2mm大孔到钢管B端头的距离是1πι，Φ 1.5mm小孔到钢管B端头的距离是2m，两个孔的圆周位置相差180°。将探头插入钢管的A端头，接通电源，待探头与管内壁紧密结合后，由信号源发出特定信号来同时激励扬声器I与导波传感器3，接收到的回波信号由PC机处理，在其检测软件上实时成像，得到这两处缺陷的导波信号与声脉冲信号如图8所示。
[0041]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种管路超声导波与声脉冲集成检测技术，其特征在于:采用将超声导波检测与声脉冲检测技术集为一体的检测仪对管路进行检测，所述检测仪包括组合式探头、仪器主机和数据处理及显示设备； 所述组合式探头设有声脉冲传感器和超声导波检测传感器，使用时，将探头插入被测管内，声脉冲传感器和超声导波检测传感器在管内同时激励声波和超声导波，并同时接收带有管路缺陷信息的回报信号； 所述仪器主机包括信号源、功率放大模块、接收模块、数据采集模块； 所述数据处理及显示设备由信号提取模块、模态分离模块、数据成像模块三部分组成； 其中信号源用于激励适合于导波检测和声脉冲检测的窄频带的脉冲信号，经过功率放大模块进行电压和电流的放大，再激励传感器发生振动;接收模块将被声脉冲传感器和超声导波检测传感器检测到的工件上结构体反射回的压电信号进行放大、滤波后，通过数据采集模块进行模数转换，然后将数字信号传输给数据处理及显示设备，进行后续数据处理及显示。2.按照权利要求1所述管路超声导波与声脉冲集成检测技术，其特征在于:所述探头设计为枪型体，声脉冲传感器由扬声器(I)与接收器(2)组成，其中扬声器(I)用来发生声脉冲信号(7)，安装于探头枪体(5)尾部，接收器(2)安装于枪体(5)枪壁与枪柄交接处，用来接收声脉冲信号(7)。3.按照权利要求2所述管路超声导波与声脉冲集成检测技术，其特征在于:所述扬声器(I)采用高音喇叭，接收器(2)为麦克风接收器。4.按照权利要求1所述管路超声导波与声脉冲集成检测技术，其特征在于:所述超声导波检测传感器包括导波传感器(3)和环形气囊(14)，其中环形的气囊(14)套在枪体(5)的枪头(17)外壁上，气囊(14)与枪头前端外沿(18)形成一个密闭的腔体，导波传感器(3)均匀固定在环形气囊(14)上面，等间隔均匀排列；导波传感器(3)与被测管(6)内壁之间通过气囊(14)的膨胀收缩来实现耦合，检测时利用充气栗通过气囊(14)的充气口(4)来给气囊(14)充气，使得固定在气囊(14)上的导波传感器(3)紧压在被测管(6)内壁上。5.按照权利要求1所述管路超声导波与声脉冲集成检测技术，其特征在于:所述数据处理及显示设备中，信号提取模块用于在声干扰和电干扰的混合信号中提取导波检测信号，提高信噪比增加检测的灵敏度;模态分离模块用于将模态进行分离而得到想分析的模态，进一步提高导波检测的灵敏度;数据成像模块用于将双方向的检测结果分为正反方向分别成像，并将检测结果接收聚焦成像，以提高灵敏度。6.按照权利要求1所述管路超声导波与声脉冲集成检测技术专用便携式检测仪，其特征在于:所述检测仪包括组合式探头、仪器主机和数据处理及显示设备； 所述组合式探头由扬声器(1)、接收器(2)、导波传感器(3)、充气口(4)、枪体(5)以及气囊(14)组成； 其中扬声器(I)安装于枪体(5)的尾部，接收器(2)安装于枪体(5)枪壁与枪柄交接处； 环形的气囊(14)套在枪体(5)的枪头(17)外壁上，气囊(14)与枪头前端外沿(18)形成一个密闭的腔体，η个导波传感器(3)均勾等间隔固定在气囊(14)外表面，设置两排，每排n/2个，其中n = 4?16;气囊(14)一端还设有充气口(4)，用于给气囊(14)充气； 所述仪器主机包括信号源、功率放大模块、接收模块、数据采集模块，其中信号源用于激励适合于导波检测和声脉冲检测的窄频带的脉冲信号，经过功率放大模块进行电压和电流的放大，再激励传感器发生振动;接收模块将被声脉冲传感器和超声导波检测传感器检测到的工件上结构体反射回的压电信号进行放大、滤波后，通过数据采集模块进行模数转换，然后将数字信号传输给数据处理及显示设备，进行后续数据处理及显示； 所述数据处理及显示设备由信号提取模块、模态分离模块、数据成像模块三部分组成；信号提取模块用于在声干扰和电干扰的混合信号中提取导波检测信号;模态分离模块用于将模态进行分离而得到想分析的模态;数据成像模块用于将双方向的检测结果分为正反方向分别成像，并将检测结果接收聚焦成像。
【文档编号】G01N29/24GK105911137SQ201511020310
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月30日
【发明人】张双楠, 蔡桂喜, 李建奎, 张宝俊, 罗云跃, 于冰
【申请人】中国科学院金属研究所