一种金属管道厚度测量方法及系统与流程

本发明涉及管道厚度测量领域，特别是涉及一种金属管道厚度测量方法及系统。

背景技术：

常见的无损测厚方法有射线法、超声波法、电涡流检测法等。射线法在检测过程中存在较大的安全隐患，若防护不得当则容易对检测人员的身体造成伤害；超声波检测则需要大量耦合剂，且检测精度相对较低；电涡流检测在进行管道的在役检测时，检测线圈通常是人工手动操作，线圈可能会任意倾斜。由于涡流检测的灵敏度非常高，因此这种线圈倾斜会严重影响管道涡流检测的结果，降低检测精度。随着工业4.0时代的到来，信息化大数据的工业生产对高精度数据的依赖程度会越来越高，而工业对管道安全高效低成本高精度的测厚需求就变得十分迫切起来。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属管道厚度测量方法及系统，利用电涡流无损检测方法获取管道的信号旋转交叉点，利用信号旋转交叉点实现对管道厚度安全、高效、低成本和高精度的测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属管道厚度测量方法，包括：

获取各设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组；所述阻抗-频率曲线组包括多条阻抗-频率曲线；所述阻抗-频率曲线为电涡流无损检测装置中检测线圈在设定的垂直仰角下，检测线圈的相对阻抗增量的虚部值随激励信号频率值变化的曲线；所述阻抗-频率曲线组中的一条阻抗-频率曲线对应一个设定的垂直仰角；

根据所有的阻抗-频率曲线组确定各设定管道厚度的旋转交叉点；所述旋转交叉点为设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组中所有阻抗-频率曲线的交点；

由所有设定管道厚度的旋转交叉点确定交叉点曲线；所述交叉点曲线的横坐标为激励信号频率值，所述交叉点曲线的纵坐标为相对阻抗增量的虚部值；

根据所述交叉点曲线确定管道厚度与激励信号频率值的拟合方程；

由所述拟合方程确定待测金属管道的厚度。

可选的，所述由所述拟合方程确定待测金属管道的厚度，具体包括：

根据所述拟合方程反算得到厚度方程；所述拟合方程为f＝h(t)，所述厚度方程为t＝h'(f)，其中，t为待测管道厚度，f为所述激励信号频率值，h'表示h的反算；

获取待测金属管道的阻抗-频率曲线组；

根据所述待测金属管道的阻抗-频率曲线组确定待测金属管道的旋转交叉点；

确定待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值；

将所述待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值带入所述厚度方程得到待测金属管道的厚度。

可选的，所述获取各设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组，具体为：

在所述检测线圈的设定水平旋转角和设定提离下，在特定的垂直仰角区间内改变所述检测线圈的垂直仰角，确定各垂直仰角下的阻抗-频率曲线，得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

可选的，所述在所述检测线圈的设定水平旋转角和设定提离下，在特定的垂直仰角区间内改变所述检测线圈的垂直仰角，确定各垂直仰角下的阻抗-频率曲线，得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组，具体包括：

确定所述检测线圈的当前设定垂直仰角；

在所述检测线圈的设定水平旋转角、设定提离和所述当前设定垂直仰角下，在特定的频率值区间内改变所述电涡流无损检测装置的激励信号频率值，得到设定管道厚度对应的当前设定垂直仰角下的阻抗-频率曲线；

由所有垂直仰角下的阻抗-频率曲线得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

可选的，所述由所有设定管道厚度的旋转交叉点确定交叉点曲线，具体为：用平滑的曲线依次将所有设定管道厚度的旋转交叉点连接，得到所述交叉点曲线。

一种金属管道厚度测量系统，包括：

曲线组获取模块，用于获取各设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组；所述阻抗-频率曲线组包括多条阻抗-频率曲线；所述阻抗-频率曲线为电涡流无损检测装置中检测线圈在设定的垂直仰角下，检测线圈的相对阻抗增量的虚部值随激励信号频率值变化的曲线；所述阻抗-频率曲线组中的一条阻抗-频率曲线对应一个设定的垂直仰角；

旋转交叉点确定模块，用于根据所有的阻抗-频率曲线组确定各设定管道厚度的旋转交叉点；所述旋转交叉点为设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组中所有阻抗-频率曲线的交点；

交叉点曲线确定模块，用于由所有设定管道厚度的旋转交叉点确定交叉点曲线；所述交叉点曲线的横坐标为激励信号频率值，所述交叉点曲线的纵坐标为相对阻抗增量的虚部值；

拟合方程确定模块，用于根据所述交叉点曲线确定管道厚度与激励信号频率值的拟合方程；

管道厚度计算模块，用于由所述拟合方程确定待测金属管道的厚度。

可选的，所述管道厚度计算模块，包括：

厚度方程计算单元，用于根据所述拟合方程反算得到厚度方程；所述拟合方程为f＝h(t)，所述厚度方程为t＝h'(f)，其中，t为待测管道厚度，f为所述激励信号频率值，h'表示h的反算；

待测管道曲线组获取单元，用于获取待测金属管道的阻抗-频率曲线组；

待测管道旋转交叉点获取单元，用于根据所述待测金属管道的阻抗-频率曲线组确定待测金属管道的旋转交叉点；

待测管道频率值获取单元，用于确定待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值；

待测管道厚度计算单元，用于将所述待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值带入所述厚度方程得到待测金属管道的厚度。

可选的，所述曲线组获取模块，包括：设定管道厚度阻抗-频率曲线组获取单元，用于在所述检测线圈的设定水平旋转角和设定提离下，在特定的垂直仰角区间内改变所述检测线圈的垂直仰角，确定各垂直仰角下的阻抗-频率曲线，得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

可选的，所述设定管道厚度阻抗-频率曲线组获取单元，包括：

垂直仰角确定子单元，用于确定所述检测线圈的当前设定垂直仰角；

设定垂直仰角下的阻抗-频率曲线确定子单元，用于在所述检测线圈的设定水平旋转角、设定提离和所述当前设定垂直仰角下，在特定的频率值区间内改变所述电涡流无损检测装置的激励信号频率值，得到设定管道厚度对应的当前设定垂直仰角下的阻抗-频率曲线；

设定管道厚度阻抗-频率曲线组获取子单元，用于根据所有垂直仰角下的阻抗-频率曲线得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

可选的，所述交叉点曲线确定模块，包括：交叉点曲线确定单元，用于用平滑的曲线依次将所有设定管道厚度的旋转交叉点连接，得到所述交叉点曲线。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明基于检测线圈相对阻抗增量信号对管道厚度高度敏感的关系，利用检测线圈相对阻抗增量频域信号中特征值(旋转交叉点对应的频率值)与金属管道厚度之间的对应关系，通过进一步反演计算得出金属管道的厚度，该方法是一种安全、高效、低成本和高精度的金属管道厚度的无损检测方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1一种金属管道厚度测量方法的流程图；

图2为本发明实施例1同一个金属管道的阻抗-频率曲线组示意图；

图3为本发明实施例1不同金属管道的阻抗-频率曲线组示意图；

图4为本发明实施例2一种金属管道厚度测量系统的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种金属管道厚度测量方法及系统。本发明基于检测线圈相对阻抗增量信号对管道厚度高度敏感的关系，利用检测线圈相对阻抗增量频域信号中特征值(旋转交叉点对应的频率值)与金属管道厚度之间的对应关系，通过进一步反演计算得出金属管道的厚度，该方法是一种安全、高效、低成本和高精度的金属管道厚度的无损检测方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，一种金属管道厚度测量方法，包括：

步骤101：获取各设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组。

所述阻抗-频率曲线组包括多条阻抗-频率曲线；所述阻抗-频率曲线为电涡流无损检测装置中检测线圈在设定的垂直仰角下，检测线圈的相对阻抗增量的虚部值随激励信号频率值变化的曲线；所述阻抗-频率曲线组中的一条阻抗-频率曲线对应一个设定的垂直仰角。

所述步骤101，具体包括：

b1：在所述检测线圈的设定水平旋转角和设定提离下，在特定的垂直仰角区间内改变所述检测线圈的垂直仰角，确定各垂直仰角下的阻抗-频率曲线，得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

c1：确定所述检测线圈的当前设定垂直仰角。

c2：在所述检测线圈的设定水平旋转角、设定提离和所述当前设定垂直仰角下，在特定的频率值区间内改变所述电涡流无损检测装置的激励信号频率值，得到设定管道厚度对应的当前设定垂直仰角下的阻抗-频率曲线。

c3：由所有垂直仰角下的阻抗-频率曲线得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

步骤102：根据所有的阻抗-频率曲线组确定各设定管道厚度的旋转交叉点。

所述旋转交叉点为设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组中所有阻抗-频率曲线的交点；

步骤103：由所有设定管道厚度的旋转交叉点确定交叉点曲线。

所述交叉点曲线的横坐标为激励信号频率值，所述交叉点曲线的纵坐标为相对阻抗增量的虚部值。

所述步骤103，具体包括：

d1：用平滑的曲线依次将所有设定管道厚度的旋转交叉点连接，得到所述交叉点曲线。

步骤104：根据所述交叉点曲线确定管道厚度与激励信号频率值的拟合方程。

步骤105：由所述拟合方程确定待测金属管道的厚度。

所述步骤105，具体包括：

e1：根据所述拟合方程反算得到厚度方程；所述拟合方程为f＝h(t)，所述厚度方程为t＝h'(f)，其中，t为待测管道厚度，f为所述激励信号频率值，h'表示h的反算。

e2：获取待测金属管道的阻抗-频率曲线组。

e3：根据所述待测金属管道的阻抗-频率曲线组确定待测金属管道的旋转交叉点。

e4：确定待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值。

e5：将所述待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值带入所述厚度方程得到待测金属管道的厚度。

本实施例的实施过程一共分为准备阶段，实测阶段和厚度计算获得阶段。

准备阶段：首先准备一组不同厚度的金属管道标准件，利用电涡流无损检测装置对这组标准件进行厚度测量，将测量信号在频域中展开分析，可以获得不同管道厚度的信号旋转交叉点，将这些信号旋转交叉点连接形成交叉点曲线，由交叉点曲线获得信号旋转交叉点对应的管道厚度与对应的激励信号频率值的关系，从而进一步获得金属管道厚度关于电流激励频率的一元拟合方程f＝h(t)，最后对h(t)进行反计算获得厚度方程t＝h'(f)。

实测阶段：由电涡流无损检测装置对待测金属管道进行多角度多方位测量获得阻抗-频率曲线组，进一步获得阻抗-频率曲线组对应的旋转交叉点的频率值。

厚度计算获得阶段：将实测阶段获得的频率值带入方程t＝h'(f)中可以快速高精度获得待测金属管道的厚度。

本实施例的具体实施过程为：

s1：电涡流无损检测装置对待测金属管道进行多角度多方位测量获得阻抗-频率曲线组。

所述s1具体包括：

a1：通过电涡流无损检测装置对设定厚度的管道进行实际检测，由于检测线圈可以任意方式放置，我们可以根据线圈水平旋转角β和线圈垂直仰角γ，以及线圈提离d这三组参数来准确描述线圈的放置方式；固定β和d，从0度到90度依次改变γ，同时检测每个不同的γ角度下检测线圈的相对阻抗增量在0hz到100000hz的电流激励频率值区间的变化情况，获得数条不同γ下的线圈相对阻抗增量关于不同电流激励频率值的实验数据图像。

a2：在a1的实验数据图像中，相对阻抗增量有实部和虚部两个内容，我们发现同一根金属管道，检测线圈在相同的β和d参数情况下，相对阻抗增量虚部在不同的γ角度下，在0hz到100000hz电流激励频率值区间内的数据线会相交于一点，如图2所示，我们暂时命名这一点为阻抗增量信号的旋转交叉点。

a3：我们换了一根金属管道，继续重复a1和a2的过程，依然在相对阻抗增量虚部发现了信号的旋转交叉点，只是频率值不同，但是相对阻抗增量虚部几乎不变。

s2：我们进一步检测了一组不同厚度的金属管道，将每根金属管道的信号旋转交叉点都呈现在同一幅图中，发现了一条交叉点曲线l，如图3所示。

s3：获得的曲线l是由不同厚度金属管道的信号旋转交叉点组成的，所以这条曲线l可以作为一条表征金属管道厚度的特征线；进一步使每一个旋转交叉点对应的电流激励频率值(即x轴数值)与各自管道厚度对应，得到旋转交叉点对应的频率值与其对应的管道厚度的拟合方程f＝h(t)；这是一个一元n(未知，由具体曲线l的实际数据确定)次方程。

s4：将拟合方程f＝h(t)进行反算，可以获得厚度方程t＝h'(f)。

s5：我们对待测厚度的金属管道进行a1和a2两个步骤实验测试，找到该金属管道的信号旋转交叉点对应的频率值f1。

s6：将f1直接带入t＝h'(f)公式中可以得到高精度金属管道厚度数据。

本实施例利用电涡流无损检测方法对金属管道厚度进行检测，选用方波信号作为脉冲涡流的激励信号，通过仿真建模找出频域中特征值与金属管道厚度之间的对应关系，并通过进一步反演计算得出金属管道的厚度，实验数据显示该法可高效，低成本，高精度实现金属管道厚度的无损检测。

实施例2

如图4所示，一种金属管道厚度测量系统，包括：

曲线组获取模块201，用于获取各设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组；所述阻抗-频率曲线组包括多条阻抗-频率曲线；所述阻抗-频率曲线为电涡流无损检测装置中检测线圈在设定的垂直仰角下，检测线圈的相对阻抗增量的虚部值随激励信号频率值变化的曲线；所述阻抗-频率曲线组中的一条阻抗-频率曲线对应一个设定的垂直仰角。

所述曲线组获取模块201具体包括：

设定管道厚度阻抗-频率曲线组获取单元，用于在所述检测线圈的设定水平旋转角和设定提离下，在特定的垂直仰角区间内改变所述检测线圈的垂直仰角，确定各垂直仰角下的阻抗-频率曲线，得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

所述设定管道厚度阻抗-频率曲线组获取单元具体包括：

垂直仰角确定子单元，用于确定所述检测线圈的当前设定垂直仰角；

设定垂直仰角下的阻抗-频率曲线确定子单元，用于在所述检测线圈的设定水平旋转角、设定提离和所述当前设定垂直仰角下，在特定的频率值区间内改变所述电涡流无损检测装置的激励信号频率值，得到设定管道厚度对应的当前设定垂直仰角下的阻抗-频率曲线。

设定管道厚度阻抗-频率曲线组获取子单元，用于根据所有垂直仰角下的阻抗-频率曲线得到设定管道厚度的阻抗-频率曲线组。

旋转交叉点确定模块202，用于根据所有的阻抗-频率曲线组确定各设定管道厚度的旋转交叉点；所述旋转交叉点为设定管道厚度对应的阻抗-频率曲线组中所有阻抗-频率曲线的交点。

交叉点曲线确定模块203，用于由所有设定管道厚度的旋转交叉点确定交叉点曲线；所述交叉点曲线的横坐标为激励信号频率值，所述交叉点曲线的纵坐标为相对阻抗增量的虚部值。

所述交叉点曲线确定模块203具体包括：交叉点曲线确定单元，用于用平滑的曲线依次将所有设定管道厚度的旋转交叉点连接，得到所述交叉点曲线。

拟合方程确定模块204，用于根据所述交叉点曲线确定管道厚度与激励信号频率值的拟合方程。

管道厚度计算模块205，用于由所述拟合方程确定待测金属管道的厚度。

所述管道厚度计算模块205具体包括：

厚度方程计算单元，用于根据所述拟合方程反算得到厚度方程；所述拟合方程为f＝h(t)，所述厚度方程为t＝h'(f)，其中，t为待测管道厚度，f为所述激励信号频率值，h'表示h的反算。

待测管道曲线组获取单元，用于获取待测金属管道的阻抗-频率曲线组。

待测管道旋转交叉点获取单元，用于根据所述待测金属管道的阻抗-频率曲线组确定待测金属管道的旋转交叉点。

待测管道频率值获取单元，用于确定待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值。

待测管道厚度计算单元，用于将所述待测金属管道的旋转交叉点对应的频率值带入所述厚度方程得到待测金属管道的厚度。

本发明解决的技术问题是：基于检测线圈相对阻抗增量信号对管道厚度高度敏感的关系，利用检测线圈相对阻抗增量频域信号中特征值(旋转交叉点对应的频率值)与金属管道厚度之间的对应关系，通过进一步反演计算得出金属管道的厚度，对于非铁磁金属管道进行任意放置式的安全、无损、高精度和低成本的高效测厚。

本发明的原理是：对检测线圈任意放置式进行了数学建模，通过模型精确给出了所有相关物理量的解析解，基于解析解对非铁磁管道仿真，发现随着检测线圈激励电流频率的增大，阻抗相对增量信号曲线的虚部进入指数衰减阶段，即在log(f)坐标系中曲线趋于直线。在该频段，管道厚度对观测结果的影响表现为阻抗相对增量信号曲线旋转交叉点横坐标位置的显著变化，即厚度越小阻抗相对增量曲线旋转交叉点的频率越低，在其他参数相同的情况下，该频率与被测试件壁厚有着一一对应的关系，因此，相对阻抗增量的频域信号的可以作为金属管道的厚度特征信息，用来进行厚度测量，从而实验时，只需将待测管道的旋转交叉点对应的频率值带入对应解析解中，即可精确求出待测管道厚度的数值。

本发明与现有技术相比的优点在于：解决了放置式无损检测中线圈倾斜可能对测量结果带来的误差缺点，通过使用相对阻抗增量信号虚部旋转交叉点这一特征点的利用，可以低成本高效高精度的实现金属管道壁厚测量，实验数据显示该法可高效，低成本，高精度实现金属管道厚度的无损检测，对于非铁磁金属管道进行任意放置式无损高精度，低成本，高效测厚。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。