置前端 液体为常压，后端液体施加一定压力，在一定压差作用下球形密布式探头超声测厚装置克 服摩擦阻力向前运动。如对气体压力管道进行检测，则需利用管道水压试验的时机进行，检 测时机在压力管道压力试验前，如压力管道不进行压力试验，检测时也要将压力管道灌满 水。
[0038] 整个装置采用数量众多（120个）的超声波探头，超声波探头的直径规格为Φ8。 超声波探头通过螺纹与Φ 138 X 6球形壳体连接，均匀密布在球形壳体面上，探头采用圆形 晶片，晶片沿球面方向分布，聚焦采用声透镜方式，采用比水声速大的声透镜材料制成的凹 透镜，通过曲率设计使之在特定位置聚焦。单个探头的装配和聚焦原理图如图6所示，凹面 声透镜曲率半径为R，透镜声速为c 3，水中声速为c2,则水中焦距F为：
[0040] 当用超声波探头探测钢工件时，在水中和钢中各有一次聚焦作用，当超声波通过 凹透镜在水中产生聚焦的入射超声波，入射超声波经水/钢界面进一步聚集，形成钢中的 聚焦声束，如图6所示。设在没有钢时探头在水中的焦距为F，设探头至水/钢中的距离为 H，钢中声速为Cl，则在钢中的二次聚焦后的焦距F'为：
[0042] 超声波检测腐蚀的工作原理如图7所示，探头激发超声脉冲从水中传播到达管 壁，压力管道内外壁的脉冲回波经过水被探头接收，超声波Tl通过水介质沿径向入射到压 力管道内壁，此时出现水/钢异质界面，会产生一个强的反射波即R1，该反射波为探头接 收，形成水/钢异质界面反射回波B1，其余透射能量形成透射波T2继续前行，到达压力管 道外壁，同样会产生一个反射波即R2,此反射波又一次经钢/水界面透射至水中，为探头接 收，形成B2外壁界面回波；由于钢中声速固定，压力管道的壁厚减少，Bl和B2回波之间的 距离也随之减少，从而达到壁厚测定的目的。如采用常规超声探头，由于管道的圆形结构， 反射能量可能并不集中，呈发散状。这将引起回波的减弱，严重时达不到换能器的灵敏度要 求，而采用本实用新型的声透镜聚焦，通过精心设计声透镜的曲率，使钢中实际聚点靠近钢 管外壁，可有效克服上述难题。
[0043] 但是在管道内进行超声波测厚时，要求声束与管道内壁垂直，这对运动中超声探 头的指向性要求很高，当管道内壁与声束中心线不相垂直时，其反射回波受探头发射的超 声波的指向性影响，声波垂直管道内表面时缺陷回波最高，当管道内表面法线方向与声束 中心线有夹角时，超声回波高度随此夹角的增大而减少。由于本实用新型采用球形超声测 厚装置，在球面上均匀密布超声测厚探头，因此球形超声测厚装置滚动过程中，在沿管道圆 周方向，总有一组探头声束垂直或基本垂直于内壁，使探头能够接收到超声信号，从而检测 管壁腐蚀情况。特别是在弯管外侧最容易遭受冲蚀部位，沿径向发射的超声波指向弯管的 凹面，使能够接收到超声信号的探头数量增加，更容易判别弯管外侧的腐蚀情况。
[0044] 本实用新型采用数量众多的超声波探头进行测厚，真正能够采集到超声测厚信号 的是声束垂直或基本垂直于内壁的沿圆周分布的一组超声波探头，其他超声波探头得不到 超声测厚信号。由于球形超声测厚装置在运行过程中会发生滚动，因此能够得到超声测厚 信号的一组超声波探头并不是固定的。能够接收到超声测厚信号的一组超声波探头基本处 于管道圆周方向上，超声波信号从探头发出后，穿过球形外罩的Φ8小孔再到达管道内壁， 如图7所示，因此球形外罩的Φ8小孔能够有效隔离其他超声波探头发生的超声波到达探 头，从而避免了数量众多的超声波探头之间的相互干扰。
[0045] 各超声波探头通过电缆线连接到多通道超声卡，由于内检测器空间有限，所以要 求超声卡具有高集成度、低功耗、超大存储容量、快速信号处理、快速检测等特点，超声波 的发射控制、接收控制、高速A/D采集、数字处理等所有测厚相关功能均能由超声卡单独完 成，超声波检测、信号处理的工作原理图见图8。采用120个通道的超声卡控制120个超声 探头的超声波发射和接收，超声卡采用并行检测、分散信号处理、分散数据存储，可提高多 通道扩展性、实时性、数据存储量和可靠性。超声卡采集的120个探头的超声信号和加速 度计5经数据处理得到的位置信息同时输入嵌入式PC平台8,超声波检测数据和定位数据 要求严格同步，同步控制采用同步触发时序平均方法。数据存储采用U盘储存器，在检测结 束时可以取出U盘储存器，通过离线分析处理实现测厚数据显示。在实施检测之前，针对管 道规格材质，对超声卡进行参数设置，包括打开通道、设置采样延迟时间、采样增益、采样频 率、波形类型、基线设置、采样深度等，获得缓冲区地址，实现超声板卡的初始化。壁厚检测 时，则将门阀套住形管道内壁Bl水/钢界面回波和管道外壁B2钢/空气界面回波；并以Bl 水/钢界面回波和B2钢/空气界面回波的时间差（或距离）作为分析信号，并赋以一系列 的颜色编码，以色彩方式显示压力管道壁厚值，可以实时通过在C扫描图上颜色的变化，看 到整根压力管道的壁厚情况。完成在线检测任务后，取出检测数据，利用离线的检测数据分 析系统对存储的数据进行处理，完成管道测厚数据处理和显示。
[0046] 球形密布式探头超声测厚装置内还包括加速度计及磁力计和高效能电池。通过内 部搭载的三轴加速度计所记录的加速度信息，顺利得到检测球在管道中所经过的距离。超 声波探头采集得到的腐蚀情况数据，结合加速度计数据计算出来的距离和位置信息，对管 道的腐蚀点进行定位。磁力计可以从管道外用磁敏元件探测测厚装置的大概位置。高效能 电池实现对多通道超声卡3、加速度计5嵌入式PC平台8的供电。
[0047] 在整个球体检测过程完成之后，通过收球装置进行收尾工作，将球体中的U盘储 存器取出后，将数据传入PC机，通过软件进行解析。在具体处理时，对120个探头中能够得 到超声测厚信号的一组探头按相对位置生成探头平面展开图，并以色彩方式显示压力管道 壁厚值，从而得到整根压力管道的壁厚情况。通过图像分析便可以检测到一些壁厚减薄类 的缺陷，包括表面的腐蚀、介质冲刷造成的冲蚀、表面损伤等，从而判断整个压力管道系统 的安全状况。
[0048] 本实用新型所述超声卡、探头组件、加速度计及磁力计、高效能电池等均可直接外 购获得。
[0049] 最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新 型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的 内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特征在于：包括球形壳体 (1)、球形外罩（4)、若干超声波探头（2)以及信号处理装置；所述若干超声波探头均布在球 形壳体上，并通过导线与球形壳体内部的信号处理装置连接；所述球形外罩包附在球形壳 体的外壁，并且开制有若干与超声波探头位置对应的通孔（4-3)。2. 根据权利要求1所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特 征在于：所述信号处理装置包括嵌入式PC平台（8)及与其连接的多通道超声卡（3)、U盘储 存器（9)、高效能电池（7)，多通道超声卡与所述若干超声波探头连接。3. 根据权利要求2所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特 征在于：所述球形壳体开设有与U盘储存器位置对应的螺纹通孔（14)，该螺纹通孔通过螺 纹塞（10)及密封圈（13)实现密封，球形外罩上开设有利于螺纹塞通过的通孔（4-4)。4. 根据权利要求2或3所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置， 其特征在于：所述信号处理装置还包括加速度计（5)和磁力计（6)，该加速度计和磁力计与 所述嵌入式PC平台连接。5. 根据权利要求1所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特 征在于：所述若干超声波探头均沿球形壳体的径向朝外布置，各超声波探头的外端相对球 形外罩的外壁缩进一段距离。6. 根据权利要求1所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特 征在于：所述若干超声波探头均采用圆形晶片，圆形晶片的外侧设置有用于声波聚焦的凹 透镜。7. 根据权利要求1所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特 征在于：所述球形壳体由两个半球壳（1-U1-2)通过螺纹（15)对接而成，对接处通过密封 圈（12)密封。8. 根据权利要求7所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特 征在于：所述半球壳采用金属制作。9. 根据权利要求1所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特 征在于：所述球形外罩的外径大于待测管道的内径，从而与待测管道形成过盈配合。10. 根据权利要求1所述的一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其 特征在于：所述球形外罩由两个半球形皮碗（4-1)通过粘结剂连接而成，每个半球形皮碗 采用高弹性材料制作。
【专利摘要】本实用新型涉及一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置。目的是提供的装置能够满足较大直径管道尤其是弯头处的测厚要求，并具有在运动过程中稳定性好、检测精度高、检测效率高等特点。技术方案是：一种压力管道内检测用球形密布式探头超声测厚装置，其特征在于：包括球形壳体、球形外罩、若干超声波探头以及信号处理装置；所述若干超声波探头均布在球形壳体上，并通过导线与球形壳体内部的信号处理装置连接；所述球形外罩包附在球形壳体的外壁，并且开制有若干与超声波探头位置对应的通孔。
【IPC分类】G01B17/02, F17D5/06
【公开号】CN204902794
【申请号】CN201520654497
【发明人】钟海见, 郭伟灿, 缪存坚, 凌张伟, 唐萍
【申请人】浙江省特种设备检验研究院
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月27日