管道内壁检测系统及方法与流程

本发明涉及微波检测技术领域，具体而言，涉及一种管道内壁检测系统及方法。

背景技术：

金属管道广泛应用于工业生产中，例如：油气传输、化工、核工业等领域。如不能及时发现并处置管道内壁减薄问题，则会造成传输物资泄露的严重危害。因此，金属管道内壁减薄的检测和管道寿命评估就显得十分重要。近年来，应用于金属管道的检测方法主要有：射线法、超声法、涡流检测方法等。但除了超声导波检测以外，上述各类方法仅能够对放置检测装置的局部区域进行评估，相对于长距离的管道检测而言，意味着要花费较多的时间和劳动力。另外，超声导波在管道的焊接处衰减较为严重，并且管道周围环境同样直接影响着超声导波的衰减。目前还没有较好的方案实现管道的长距离检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种管道内壁检测系统及方法，其能够改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种管道内壁检测系统，所述系统包括：矢量网络分析仪装置、同轴馈电端盖装置和终端短路端盖。所述同轴馈电端盖装置的输入端与所述矢量网络分析仪装置连接，所述同轴馈电端盖装置的输出端用于连接于待测管道的一端。所述终端短路端盖用于连接于所述待测管道的另一端，以便所述同轴馈电端盖装置和所述终端短路端盖分别封闭所述待测管道两端构成微波谐振腔。所述矢量网络分析仪装置用于输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置。所述同轴馈电端盖装置用于将接收到的所述微波传播至所述待测管道内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向所述终端短路端盖方向传输的部分和经由所述终端短路端盖反射回的部分叠加形成。所述同轴馈电端盖装置还用于将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪装置。所述矢量网络分析仪装置还用于处理所述驻波以得到所述待测管道的内壁厚度状况。

在本发明较佳的实施例中，上述矢量网络分析仪装置包括矢量网络分析仪和与所述矢量网络分析仪电连接的计算终端。所述矢量网络分析仪与所述同轴馈电端盖装置连接。所述矢量网络分析仪用于输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置。所述矢量网络分析仪还用于处理所述驻波以得到所述待测管道的第一谐振频率。所述计算终端用于处理获取到的所述待测管道的第一谐振频率以得到所述待测管道的内壁厚度状况。

在本发明较佳的实施例中，上述同轴馈电端盖装置包括天线和同轴馈电端盖。所述天线的接头端与所述矢量网络分析仪连接。所述同轴馈电端盖上设置有通孔，所述天线的收发端用于穿过所述通孔延伸于所述待测管道内。所述同轴馈电端盖的输出端用于连接于所述待测管道的一端，以便所述同轴馈电端盖和所述终端短路端盖分别封闭所述待测管道两端构成微波谐振腔。所述天线用于将接收到的所述微波传播至所述待测管道内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向终端短路端盖方向传输的部分和经由所述终端短路端盖反射回的部分叠加形成。所述天线还用于将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪。

在本发明较佳的实施例中，上述天线的接头端与所述矢量网络分析仪通过线缆连接，所述天线的收发端的外壳与所述同轴馈电端盖的输入端通过导电银胶电连接。

在本发明较佳的实施例中，上述天线为同轴天线。所述线缆为同轴线缆。

在本发明较佳的实施例中，上述同轴馈电端盖的输出端用于通过螺纹连接于所述待测管道的一端。所述终端短路端盖用于通过螺纹连接于所述待测管道的另一端。

第二方面，本发明实施例提供了一种管道内壁检测方法，应用于上述的系统，所述方法包括：所述矢量网络分析仪装置输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置；所述同轴馈电端盖装置将接收到的所述微波传播至所述待测管道内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向所述终端短路端盖方向传输的部分和经由所述终端短路端盖反射回的部分叠加形成；所述同轴馈电端盖装置还将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪装置；所述矢量网络分析仪装置还处理所述驻波以得到所述待测管道的内壁厚度状况

本发明实施例提供了一种管道内壁检测系统及方法，所述系统包括：矢量网络分析仪装置、同轴馈电端盖装置和终端短路端盖。所述同轴馈电端盖装置的输入端与所述矢量网络分析仪装置连接，所述同轴馈电端盖装置的输出端用于连接于待测管道的一端。所述终端短路端盖用于连接于所述待测管道的另一端，以便所述同轴馈电端盖装置和所述终端短路端盖分别封闭所述待测管道两端构成微波谐振腔。所述矢量网络分析仪装置用于输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置。所述同轴馈电端盖装置用于将接收到的所述微波传播至所述待测管道内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向所述终端短路端盖方向传输的部分和经由所述终端短路端盖反射回的部分叠加形成。所述同轴馈电端盖装置还用于将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪装置。所述矢量网络分析仪装置还用于处理所述驻波以得到所述待测管道的内壁厚度状况。以此通过微波在待测管道内长距离传输，形成微波谐振腔，实现待测管道的长距离检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例的提供的管道内壁检测系统的一种应用环境；

图2为本发明第一实施例提供的管道内壁检测系统的中的腔体微扰前后的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的管道内壁检测系统的另一种应用环境；

图4为本发明第一实施例提供的扫频实验结果示意图；

图5为本发明第一实施例提供的谐振频率偏移量与减薄厚度数据示意图；

图6为第一实施例提供的一种待测管道内壁减薄的当量体积的测量值与实际值数据示意图；

图7为本发明第二实施例提供的管道内壁检测方法的流程图。

图中：100-矢量网络分析仪装置；101-矢量网络分析仪；102-计算终端；103-线缆；110-同轴馈电端盖装置；111-天线；111a-接头端；111b-收发端；111c-外壳；112-同轴馈电端盖；120-终端短路端盖；200-待测管道；210-未减薄管件；220-减薄管件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“内”、“平行”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，“输出”、“传输”等术语应理解为是描述一种微波信号、电信号处理。如“输出”仅仅是指微波信号、或电信号通过该设备、仪器或装置之后发生了微波学上或电学上的变化，使得所述微波信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述该管道内壁检测系统内各设备、仪器及装置的工作原理、表现所述系统中微波信号或电信号的通行逻辑，只是明显区分了各设备、仪器及装置之间的相对位置关系，并不能构成对微波、电路方向及设备仪器大小、尺寸、形状的限定。

第一实施例

请参阅图1，本实施例提供一种管道内壁检测系统，所述系统包括：矢量网络分析仪装置100、同轴馈电端盖装置110和终端短路端盖120。所述同轴馈电端盖装置110的输入端与所述矢量网络分析仪装置100连接，所述同轴馈电端盖装置110的输出端用于连接于待测管道200的一端。所述终端短路端盖120用于连接于所述待测管道200的另一端，以便所述同轴馈电端盖装置110和所述终端短路端盖120分别封闭所述待测管道200两端构成微波谐振腔。

所述待测管道200可以是金属管道。例如，所述待测管道200可以为但不限于铜管道。将金属管道视为圆柱形波导，则微波能够在金属管道内部进行长距离传输且衰减较小，可实现管道的远程检测。

所述矢量网络分析仪装置100用于输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置110。微波可以是频率为300mhz～300ghz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。

所述同轴馈电端盖装置110用于将接收到的所述微波传播至所述待测管道200内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向所述终端短路端盖120方向传输的部分和经由所述终端短路端盖120反射回的部分叠加形成。所述沿向所述终端短路端盖120方向为图1中标识的z方向。z方向也即是待测管道200的轴向方向。待测管道200的径向方向为图1中表示的ρ方向。可以理解的是，待测管道200可以看成圆形波导，径向平面以径向的圆心为原点，由x方向和与x方向相交成度的y方向组成。

在本实施例中，所述驻波为tm0n模式的电磁波。

所述同轴馈电端盖装置110还用于将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪装置100。

所述矢量网络分析仪装置100还用于处理所述驻波以得到所述待测管道200的内壁厚度状况。

作为一种实施方式，矢量网络分析仪装置100可以包括矢量网络分析仪101和与所述矢量网络分析仪101电连接的计算终端102。所述矢量网络分析仪101与所述同轴馈电端盖装置110的输入端连接。所述计算终端102可以为集成在矢量网络分析仪101内的处理器，还可以为具有计算功能的终端设备，如计算机、平板电脑、手机等。

所述矢量网络分析仪101用于输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置110。作为一种实施方式，根据待测管道200的尺寸如内径、长度，选取合适的扫频范围，即所述矢量网络分析仪101输出的微波的频率范围。在本实施例中，微波的频率范围可以为13.99ghz～14.09ghz。

所述矢量网络分析仪101还用于接收所述同轴馈电端盖装置110传输的所述驻波。

所述矢量网络分析仪101还用于处理所述驻波以得到所述待测管道200的第一谐振频率。

所述计算终端102用于处理获取到的所述待测管道200的第一谐振频率以得到所述待测管道200的内壁厚度状况。

作为一种实施方式，同轴馈电端盖装置110可以包括天线111和同轴馈电端盖112。所述天线111的接头端111a与所述矢量网络分析仪101连接。所述同轴馈电端盖112上设置有通孔，优选地，在所述同轴馈电端盖112上的中心点处设置通孔。所述天线111的收发端111b用于穿过所述通孔延伸于所述待测管道200内。优选地，所述天线111的收发端111b与所述待测管道200的轴线平行或重合。所述同轴馈电端盖112的输出端用于连接于所述待测管道200的一端，以便所述同轴馈电端盖112和所述终端短路端盖120分别封闭所述待测管道200两端构成微波谐振腔。

进一地，所述天线111用于将接收到的所述微波传播至所述待测管道200内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向终端短路端盖120方向传输的部分和经由所述终端短路端盖120反射回的部分叠加形成。所述天线111用于将接收到的所述微波进行发射，传播至所述待测管道200内。所述天线111还用于将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪101。

作为一种实施方式，所述天线111的接头端111a与所述矢量网络分析仪101通过线缆103连接。优选地，所述天线111可以为同轴天线。所述线缆103可以为同轴线缆。

作为一种实施方式，所述天线111的收发端111b的外壳111c与所述同轴馈电端盖112的输入端通过导电银胶电连接。

作为一种实施方式，同轴馈电端盖112的输出端用于通过螺纹连接于所述待测管道200的一端。所述终端短路端盖120用于通过螺纹连接于所述待测管道200的另一端。优选地，同轴馈电端盖112、终端短路端盖120均可以由金属材质制成。例如，同轴馈电端盖112、终端短路端盖120均可以为铜盖。

请结合参阅图1和图2，对于所述微波谐振腔，谐振频率的变化等，可通过微扰理论推导。微扰前后的场量分别满足麦克斯韦方程和边界条件。

对应图2中的(a)，微扰前，麦克斯韦方程组中的旋度方程及边界条件为：

an×e0＝0(3)

对应图2中的(a)、公式(1)、(2)、(3)中，e0为微扰前微波谐振腔体内电场量，h0为微扰前微波谐振腔体内磁场量，ω0为微扰前微波谐振腔体内谐振角频率。an为腔体内壁表面上的单位法向矢量，在微扰前后，假设腔体中填充介质的电参数，即介电常数ε和磁导率μ不发生变化。v0为微扰前微波谐振腔体内的体积，s0为微扰前微波谐振腔体内的内壁表面积。

对应图2中的(b)，微扰后，麦克斯韦方程组中的旋度方程及边界条件为：

an×e＝0(6)

对应图2中的(b)、公式(4)、(5)、(6)中，e为微扰后微波谐振腔体内电场量，h为微扰后微波谐振腔体内磁场量，ω为微扰后微波谐振腔体内谐振角频率。an为腔体内壁表面上的单位法向矢量，在微扰前后，假设腔体中填充介质的电参数，即介电常数ε和磁导率μ不发生变化。δv为微波谐振腔体的微扰体积，δs为微波谐振腔体的微扰表面积。

待测管道200发生腐蚀出现管道壁减薄的现象，谐振腔的腔壁外向微扰，即有：

v＝v0+δv(7)

s＝s0+δs(8)

基于以上公式，则微扰前后微波谐振腔体谐振频率的偏移公式为：

公式(9)中，δf为微扰后谐振频率的偏移，f0为微扰前的谐振频率。

若扫频范围在tm01模与tm02模的截止频率之间取值，结合图1，在圆柱坐标系中，z方向也即是待测管道200的轴向方向。待测管道200的径向方向为图1中表示的ρ方向。可以理解的是，待测管道200可以看成圆形波导，径向平面以径向的圆心为原点，由x方向和与x方向相交成度的y方向组成。结合恒磁模的场分量公式，谐振腔中tm01模的电磁场分量表达式有：

再将以上电磁场分量表达式带入公式(9)，进行推导，得到公式(10)：

公式(10)中，l＝l1+ld+l2，r为待测管道200的内径即半径，l为待测管道200的长度，ld为待测管道200减薄的长度，td为待测管道200减薄厚度。

进一步地，获得待测管道200内壁减薄的当量体积为公式(11)：

公式(11)中，fc为截止频率，其对应于tm01模的计算公式为公式(12)：

此外，谐振频率的计算公式为公式(13)：

作为一种具体的实施方式，请参阅图3，待测管道200包括未减薄管件210和减薄管件220，l＝l1+ld。待测管道200材料为铜，未减薄管件210的半径为r＝8.5mm，长度l1＝450mm，壁厚为1mm。减薄管件220的长度ld＝17mm，减薄管件220的减薄厚度为td，为了便于分析，在[0，0.2mm]的区间中每间隔0.05mm取值一次。

设置扫频范围为：13.99ghz～14.09ghz，将管道减薄厚度td设置为参数化扫描分析中的变量。根据公式(13)可知，当p＝12时，第一谐振频率f0＝14.043ghz恰好处于上述扫频范围内，因此，以第一谐振频率14.043ghz作为该范围内的谐振频率偏移的评定基准。此外，根据式(12)计算获得截止频率fc＝13.51ghz。扫频实验中，所述矢量网络分析仪101处理所述驻波获得驻波的反射系数s11,以得到所述待测管道200的第二谐振频率，如图4所示，横坐标为第一谐振频率，单位ghz，纵坐标为反射系数s11，从右向左，依次为：a1表示0mm减薄，a2表示0.05mm减薄，a3表示0.1mm减薄，a4表示0.15mm减薄，a5表示0.2mm减薄，可知：随着减薄尺寸td的增加，第二谐振频率逐渐降低。

谐振频率的偏移量的理论计算值由公式(10)获得，谐振频率的偏移的测量值由减薄厚度td一定的情况下，分别对应图4中第二谐振频率和第一谐振频f0＝14.043ghz的差值获得，谐振频率的偏移量的理论计算值、测量值与减薄厚度td之间的关系如图5所示，可见谐振频率的偏移量的理论计算值与测量值较为接近。

根据谐振频率偏移的测量值并利用公式(11)计算管道内壁减薄的当量体积δv，获得图6所示的数据，可见测量值与实际值比较接近，测量值与实际值之间的相对误差较小。

本发明实施例提供的一种管道内壁检测系统的工作原理如下：

所述矢量网络分析仪101输出微波并将所述微波传输至所述天线111。所述天线111将接收到的所述微波传播至所述待测管道200内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向终端短路端盖120方向传输的部分和经由所述终端短路端盖120反射回的部分叠加形成。所述天线111还将接收到的驻波经过所述同轴馈电端盖112传输至所述矢量网络分析仪101。所述矢量网络分析仪101还接收经过所述同轴馈电端盖装置110传输的所述驻波。所述矢量网络分析仪101还处理所述驻波以得到所述待测管道200的第一谐振频率。所述计算终端102处理获取到的所述待测管道200的第一谐振频率以得到所述待测管道200的内壁厚度状况。以此通过微波在待测管道200内长距离传输，形成微波谐振腔，实现待测管道200的长距离检测。

本发明实施例提供的一种管道内壁检测系统，所述系统包括：矢量网络分析仪装置100、同轴馈电端盖装置110和终端短路端盖120。所述同轴馈电端盖装置110的输入端与所述矢量网络分析仪装置100连接，所述同轴馈电端盖装置110的输出端用于连接于待测管道200的一端。所述终端短路端盖120用于连接于所述待测管道200的另一端，以便所述同轴馈电端盖装置110和所述终端短路端盖120分别封闭所述待测管道200两端构成微波谐振腔。所述矢量网络分析仪装置100用于输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置110。所述同轴馈电端盖装置110用于将接收到的所述微波传播至所述待测管道200内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向所述终端短路端盖120方向传输的部分和经由所述终端短路端盖120反射回的部分叠加形成。所述同轴馈电端盖装置110还用于将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪装置100。所述矢量网络分析仪装置100还用于处理所述驻波以得到所述待测管道200的内壁厚度状况。以此通过微波在待测管道200内长距离传输，形成微波谐振腔，实现待测管道200的长距离检测。

第二实施例

请参阅图7，本发明实施例提供了一种管道内壁检测方法，应用于上述的系统，所述方法包括：

步骤s300：所述矢量网络分析仪装置输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置；

步骤s310：所述同轴馈电端盖装置将接收到的所述微波传播至所述待测管道内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向所述终端短路端盖方向传输的部分和经由所述终端短路端盖反射回的部分叠加形成；

步骤s320：所述同轴馈电端盖装置还将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪装置；

步骤s330：所述矢量网络分析仪装置还处理所述驻波以得到所述待测管道的内壁厚度状况。

作为一种实施方式，基于步骤s330，步骤s330可以包括子步骤s331、子步骤s332、子步骤s333、子步骤s334。

子步骤s331：所述矢量网络分析仪装置基于获取的所述待测管道的内径、长度以及第一预设规则，获得所述待测管道的第一谐振频率；

进一步地，基于获得所述待测管道的第一谐振频率；其中，f0为所述待测管道的第一谐振频率，r为所述待测管道的内径，l为所述待测管道的长度，μ为第一预设常数，ε为第二预设常数。可以理解的是，第一实施例中的公式(13)即为所述第一预设规则。谐振腔腔体中填充介质的电参数，ε即为电常数ε和μ即为磁导率μ。

子步骤s332：根据获取到的所述驻波获得所述待测管道的第二谐振频率；

所述矢量网络分析仪101处理所述驻波获得驻波的反射系数s11,以得到所述待测管道的第二谐振频率。

子步骤s333：对比所述第一谐振频率和所述第二谐振频率，根据对比结果获得谐振频率的偏移量；

所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，作为谐振频率的偏移量。

子步骤s334：基于获取到的所述待测管道的内径、长度、所述谐振频率的偏移量以及第二预设规则，获得所述待测管道内壁减薄的当量体积，以得到所述待测管道的内壁厚度状况。

进一步地，基于获得所述待测管道内壁减薄的当量体积，其中，δv为所述待测管道内壁减薄的当量体积，f0为所述待测管道的第一谐振频率，δf为所述谐振频率的偏移量，r为所述待测管道的内径，l为所述待测管道的长度，μ为第一预设常数，ε为第二预设常数。可以理解的是，第一实施例中的公式(11)即为第二预设规则。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种管道内壁检测方法，通过所述矢量网络分析仪装置输出微波并将所述微波传输至所述同轴馈电端盖装置；所述同轴馈电端盖装置将接收到的所述微波传播至所述待测管道内，以及接收驻波，所述驻波由所述微波中沿向所述终端短路端盖方向传输的部分和经由所述终端短路端盖反射回的部分叠加形成；所述同轴馈电端盖装置还将接收到的驻波传输至所述矢量网络分析仪装置；所述矢量网络分析仪装置还处理所述驻波以得到所述待测管道的内壁厚度状况。以此通过微波在待测管道内长距离传输，形成微波谐振腔，实现待测管道的长距离检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。