CN101349537B - 金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像方法及其装置，它基于电容传感器检测原理，在金属管筒内设置作为探头的金属片，金属管筒和对应的金属片作为两极形成一个电容传感器；将电容传感器接入电容传感器检测电路；使金属片在金属管筒内作稳定的螺旋运动，在此过程中，电容传感器检测电路按照一定脉冲频率进行采样，根据测得的不同电压输出值，可计算得到金属管筒不同区域的厚度及内壁不同区域的粗糙度，将电压输出信号经单片机处理可得到图像信号。本发明不受金属管筒内壁形状的影响，具有检测精度高的优点。

Description

金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种用于金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像方法及其装置。

背景技术

目前对于CNG储气井、石油钻井筒等金属管筒厚度及内壁粗糙度，通常采用超声波成像技术来进行检测，它是通过测得超声波从发出到接收的时间，计算出内壁不同地方的厚度及粗糙度，但由于管筒内壁被腐蚀的形状极不规则，各局部微小表面的空间取向不同，导致超声波在被反射时回波所走路径严重偏离计算值导致误差增大，其检测精度较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像方法及其装置，它基于电容传感器检测原理，不受金属管筒内壁形状的影响，具有检测精度高的优点。

为达到上述目的，金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在金属管筒内对称设置两块作为探头的金属片，金属管筒和对应的金属片作为两极形成一个电容传感器；

2)将两电容传感器并联接入电容传感器检测电路；

3)使金属片在金属管筒内作稳定的螺旋运动，在此过程中，电容传感器检测电路按照一定脉冲频率进行采样，根据测得的不同电压输出值，可计算得到金属管筒不同区域的厚度及内壁不同区域的粗糙度。

内壁粗糙表面，实际上是微小面积之间间隔的变化，利用上述的电容传感器，可先对一个标准金属管筒进行检测，得到对应的电压输出值，再对被腐蚀金属管筒进行检测，将间隔的变化转化为电容量的变化，经电容传感器检测电路转化为输出电压的变化，从而较准确的测出粗糙表面凹凸(即筒内壁被腐蚀深度)的变化，也即可以得到不同内壁处的厚度；即使金属片在作螺旋运动的过程中有轻微的晃动，两金属片与金属管筒的距离一方增大则另一方减小，两电容传感器并联后的电容值仍保持不变，保证检测的精确度；

作为本检测方法的进一步改进，将电容传感器检测电路输出端的电压信号经模/数转换成为数字信号，该数字信号再经着色处理，得到图象色素信号；

作为本检测方法的进一步改进，将图象色素信号通过场同步和行同步处理，得到若干幅图片，可通过显示器观察；

本发明使用上述方法的检测装置，包括中空的定轴、与定轴固连的固定筒、位于固定筒下方的转筒、与转筒固连并套装于定轴外的主轴套、设置于固定筒内的主轴电机、连接主轴电机与主轴套的传动装置，其特征在于在转筒侧壁上设有至少一个窗口，每个窗口内设有一套探头装置，探头装置包括一个径向的滑槽、装于每个滑槽内且内大外小的绝缘探头座、固定于每个探头座外侧的金属片，在每个滑槽底板与每个探头座之间设有弹簧，在每个滑槽内还设有定位块，每块金属片和金属管筒分别作为两极形成一个电容传感器，所有电容传感器接入电容传感器检测电路；

上述电容传感器检测电路为运算放大器检测电路；

使用时，将定轴与缆绳连接，将本装置放入待测的金属管筒。在通过缆绳提起本装置的同时，启动主轴电机，通过传动装置带动转筒、金属片旋转，弹簧和定位块可对金属片在径向进行定位，在定轴和转筒稳定旋转的情况下，使金属片与待测金属管筒在径向的位置不变，探头座后的弹簧，可避免金属片在变形的管筒中转动时被卡，在此过程中，电容传感器检测电路按照一定脉冲频率进行采样，根据测得的不同电压输出值，可计算得到金属管筒不同区域的厚度及内壁不同区域的粗糙度；

作为本检测装置的进一步改进，电容传感器检测电路的电压输出端还与单片机连接；可通过单片机对输出电压进行自动处理，计算出各微小粗糙表面的凹凸变化，并电压信号经模/数转换成为数字信号，该数字信号再经单片机着色处理，得到图象色素信号；

作为本检测装置的进一步改进，在固定筒的下端设置一陀螺仪，在陀螺仪的稳定方向设置一反光镜，在转筒的顶部设有发光二极管和光电二极管，光电二极管与行同步脉冲整形电路、计数器依次连接，行同步脉冲整形电路和计数器还与单片机连接；当转筒旋转一圈，光电二极管检测到反射光导通一次，行同步脉冲整形电路对单片机和计数器发出一次数字信号，作为旋转扫描的行同步脉冲，加在图象色素信号中，单片机对图象色素信号进行排序，当金属片旋转数圈，计数器计数到预设值时，则输出一个场同步脉冲，单片机将已测金属管筒内壁的图象色素信号与行、场同步信号一起输入到存储器中存储起来，随时都可作为一幅图片显示出来，便于观察；

作为本检测装置的进一步改进，所述转筒侧壁上的窗口为两个且对称布置，两套探头装置的两个电容传感器并联后接入电容传感器检测电路；即使金属片在作螺旋运动的过程中有轻微的晃动，两金属片与金属管筒的距离一方增大则另一方减小，两电容传感器并联后的电容值仍保持不变，保证检测的精确度；

作为本检测装置的进一步改进，在固定筒的上下端分别设有扶正器；避免金属片在作螺旋运动的过程中产生晃动，进一步提高检测的精确度；

综上所述，本发明不受金属管筒内壁形状的影响，具有检测精度高的优点。最适宜对CNG地下储气井管壁的无损成像检测。

附图说明

图1为本发明检测成像装置的结构示意图。

图2为电容传感器的示意图。

图3为粗糙表面的电容传感器的示意图。

图4为运算放大器检测电路的原理图。

图5为形成图片的电路方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明方法是通过在金属管筒内对称设置两块作为探头的金属片，金属管筒和对应的金属片作为两极形成一个电容传感器，这样在金属管筒内形成对称的两个电容传感器；将两个电容传感器并联后接入电容传感器检测电路，该电容传感器检测电路既可以是运算放大器检测电路，也可以是电桥检测电路或振荡变频检测电路；使两金属片在金属管筒内作稳定的螺旋运动，在此过程中，电容传感器检测电路按照一定脉冲频率进行采样，根据测得的不同电压输出值，可计算得到金属管筒不同区域的厚度及内壁不同区域的粗糙度；并将电容传感器检测电路输出端的电压信号经模/数转换成为数字信号，该数字信号再经着色处理，得到图象色素信号，将图象色素信号通过场同步和行同步处理，得到若干幅图片，可通过显示器观察；

根据本发明方法可制成金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像装置，由图1所示，包括中空的定轴1、与定轴1固连的固定筒2、位于固定筒2下方的转筒3、与转筒3固连并套装于定轴1外的主轴套4、设置于固定筒2内的主轴电机5、连接主轴电机5与主轴套4的作为传动装置的齿轮副6，其中在固定筒2的上下端分别设有扶正器7，在固定筒2的下端设置一陀螺仪8，在陀螺仪8的稳定方向设置一反光镜9，在转筒3的顶部设有与反光镜9对应的发光二极管10和光电二极管11，由图5所示，光电二极管与行同步脉冲整形电路、计数器依次连接，行同步脉冲整形电路和计数器还与单片机连接；在转筒3侧壁上设有两个窗口，每个窗口内设有一套探头装置，探头装置包括一个径向的滑槽12、装于每个滑槽12内且内大外小的绝缘探头座13、固定于每个探头座13外侧的金属片14，在每个滑槽底板与每个探头座13之间设有弹簧15，在每个滑槽12内还设有定位块16，每块金属片14和金属管筒17分别作为两极形成一个电容传感器，两个电容传感器并联后接入运算放大器检测电路，作为运算放大器的负反馈电容，运算放大器检测电路的电压输出端还与单片机连接，每块金属片14、发光二极管10、光电二极管11以及行同步脉冲发生器的接线和主轴电机5的电源线均置于定轴1内；

使用时，将定轴1与缆绳连接，将本装置放入待测的金属管筒17，在通过缆绳提起本装置的同时，启动主轴电机5，通过齿轮副6带动转筒3、金属片14旋转，使金属片14作螺旋上升运动，弹簧15和定位块16可对金属片14在径向进行定位，使金属片14与待测金属管筒17在径向的位置不变，探头座13后的弹簧，可避免金属片14在变形的管筒17中转动时被卡；

1.电容传感器测厚原理：

如图2所示，探头金属片14与管筒17内表壁之间形成一个电容传感器，设：金属片14面积为s，金属片14与管筒17内表壁之间间距为d，间距之间介电常数为ε(为等效介电常数)，当s较小时，电容C可表示为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵs}}{d}$

如图3所示，对粗糙表面，取微元面积ds，间距为d，微元面积的电容为dC，则：

$\mathrm{dC}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{d}\mathrm{ds},$

$C=\∫\∫\mathrm{dC}=\underset{s}{\∫\∫}\frac{\mathrm{\ϵ}}{d}\mathrm{ds},$

说明面积为S的探头金属片14对所形成的电容是所有dC的并联之和，是对dC积分，因而粗糙表面的电容所对应的间距d是具有平均值效果，符合粗糙表面腐蚀深度具有平均值的要求；

在金属片14螺旋上升的过程中，如图4所示，运算放大器检测电路按照一定脉冲频率进行采样，由运算放大器工作原理可知：

$U_0=-\frac{1/\left(\mathrm{j\ω}{C}_x\right)}{1/\left(\mathrm{j\ωC}\right)}U=-\frac{C}{C_0}U=-\frac{\mathrm{UC}}{\mathrm{\ϵs}}d=-\mathrm{Kd},$

可见输出电压U₀与电容传感器间隔d成线性关系，当U取0.02V，C取300PF，取ε_r＝2，s＝1cm2K＝6780v/m，d＝U₀/K，若U₀的测量精度为10mv；不考虑其他影响因素时，则d的测量精度为：2微米；

先对标准管筒检测时，输出U₀为u₀，当管壁有腐蚀、锈蚀或管壁厚度变薄，都会使间距d增大，电容C₀减小，输出U₀为u，即输出电压变化量：

Δu_o＝u-u₀＝-Kd-(-Kd₀)＝-K(Δd)，

说明输出电压变化量Δu与腐蚀深度μd成正比关系。

粗糙表面腐蚀深度：Δd＝Δu/K

设管筒标准厚度为D₀，则腐蚀后的厚度为：

D＝D₀-Δd＝D₀-Δu/K

可计算得到金属管筒17不同区域的厚度及内壁不同区域的粗糙度；当转筒3轴线的精确定位有误差或微小晃动误差时，一方金属片14的d增大另一方的d减小，可以证明并联电容C₀始终是恒定的，可保证检测精度；

2.检测成像原理：

1)数字采样

设运算放大器检测电路采样频率为f，采样周期为T＝1/f，转筒3以匀角速度ω＝n转/秒转动，同时以匀速度v_Y运动时，其运动轨迹为螺旋线，每行取样点为：N＝f/(2n)

2)成像色素点

在每个取样点的时间T(即扫描取样脉冲的周期)运动扫过的新面积为ΔS，新面积为ΔS对应的电容为ΔC，对应输出的电压变化量为Δu，传感器检测成像的该色素对应的管壁厚度为D＝D₀-Δu/K；

3)图像着色

运算放大器检测电路输出端的电压信号经模/数转换成为数字信号，该数字信号再经单片机着色处理，得到图象色素信号，当Δu＝0，为浅灰色，Δu越大，着色越深；

4)行同步

当转筒3旋转一圈，光电二极管11检测到反射光导通一次，行同步脉冲整形电路就对单片机和计数器发出一次数字信号，作为旋转扫描的行同步脉冲，加在图象色素信号中，单片机对图象色素信号进行排序；

5)场同步

当金属片14旋转K圈，计数器计数到预设值时，发出一个场同步脉冲，单片机将已测金属管筒内壁17的图象色素信号与行、场同步信号一起输入到存储器中存储起来，随时都可作为一幅图片显示出来，便于观察；

本发明与超声波检测不同，不受金属管筒内壁形状的影响，是对腐蚀的粗糙表面凹处深度进行积分，得到的是腐蚀深度的平均值，腐蚀厚度的检测要求也是如此，特别适宜对腐蚀的粗糙表面进行检测；当转筒轴线的精确定位有误差或微小晃动误差时，对称的两个电容传感器并联接入检测电路，即消除了这种影响，保证了检测精度。

Claims (9)

1.一种金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在金属管筒内对称设置两块作为探头的金属片，金属管筒和对应的金属片作为两极形成一个电容传感器；

2)将两电容传感器并联接入电容传感器检测电路；

3)使金属片在金属管筒内作稳定的螺旋运动，在此过程中，电容传感器检测电路按照一定脉冲频率进行采样，根据测得的不同电压输出值，可计算得到金属管筒不同区域的厚度及内壁不同区域的粗糙度。

2.如权利要求1所述的金属管筒厚度及内壁粗糙度检测成像方法，其特征在于将电容传感器检测电路输出端的电压信号经模/数转换成为数字信号，该数字信号再经着色处理，得到图象色素信号。

3.如权利要求2所述的金属管筒厚度及内壁粗糙度检测成像方法，其特征在于将图象色素信号通过场同步和行同步处理，得到若干幅图片，可通过显示器观察。

4.一种金属管筒厚度及内壁粗糙度的检测成像装置，包括中空的定轴、与定轴固连的固定筒、位于固定筒下方的转筒、与转筒固连并套装于定轴外的主轴套、设置于固定筒内的主轴电机、连接主轴电机与主轴套的传动装置，其特征在于在转筒侧壁上设有至少一个窗口，每个窗口内设有一套探头装置，探头装置包括一个径向的滑槽、装于每个滑槽内且内大外小的绝缘探头座、固定于每个探头座外侧的金属片，在每个滑槽底板与每个探头座之间设有弹簧，在每个滑槽内还设有定位块，每块金属片和金属管筒分别与引线连接，形成一个电容传感器，所有电容传感器接入电容传感器检测电路。

5.如权利要求4所述的金属管筒厚度及内壁粗糙度检测成像装置，其特征在于电容传感器检测电路为运算放大器检测电路。

6.如权利要求4或5所述的金属管筒厚度及内壁粗糙度检测成像装置，其特征在于电容传感器检测电路的电压输出端还与单片机连接。

7.如权利要求6所述的金属管筒厚度及内壁粗糙度检测成像装置，其特征在于在固定筒的下端设置一陀螺仪，在陀螺仪的稳定方向设置一反光镜，在转筒的顶部设有与反光镜对应的发光二极管和光电二极管，光电二极管与行同步脉冲整形电路、计数器依次连接，行同步脉冲整形电路和计数器还与单片机连接。

8.如权利要求7所述的金属管筒厚度及内壁粗糙度检测成像装置，其特征在于所述转筒侧壁上的窗口为两个且对称布置，两套探头装置的两个电容传感器并联后接入电容传感器检测电路。

9.如权利要求8所述的金属管筒厚度及内壁粗糙度检测成像装置，其特征在于在固定筒的上下端分别设有扶正器。

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