CN101403601B - 一种检测裂解炉管渗碳层厚度的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种检测裂解炉管渗碳层厚度的方法及其装置，它包括测量信号激励模块(15)、测量探头部分(16)、测量信号调理模块(17)和数据处理模块(18)，首先在沿裂解炉管的外壁轴向和周向上选择检测点，轴向上应不小于20个检测点，周向上应不小于8个检测点并用丙酮或酒精进行净化处理，然后将检测装置探头的底部贴紧检测点开始检测。本发明的装置具有结构简单，使用、携带方便和功耗低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属管道腐蚀无损检测技术，尤其是一种结构简单、实用和携带方便，功耗低，检测精度高的检测裂解炉管的内壁渗碳层厚度的方法及其装置，具体地说是一种检测裂解炉管渗碳层厚度的方法及其装置。
背景技术
裂解炉管是石油化工裂解装置中的重要构件，是在高温、氧化和渗碳介质中，在承受各种应力的情况下长期工作的。裂解炉管外壁的工作温度通常在1000—1100摄氏度，内壁大约在850摄氏度，在如此高的温度下，管道内介质中的碳原子由碳势高的管内介质向炉管中扩散形成渗碳现象，渗碳会劣化炉管的材质并形成裂纹和空洞，最终导致炉管的损坏，对安全连续生产造成重大隐患，因此寻找一种能在生产的间隙中对裂解炉管渗碳层厚度进行有效检测的方法和装置，在炉管可能发生损坏前就及时发现并更换是非常必要的。
目前针对裂解炉管渗碳层厚度通常采用磁性方法检测，是利用探头检测经过非铁磁覆层而流入铁磁性的渗碳层的磁通大小来测定渗碳层厚度的，渗碳层愈厚，磁通愈大，测头检测到的电信号也越大。日本的Kett电子研究所研制的专利号为UK1517096的LST-2200型渗碳层检测装置和大连理工大学所研制的专利号为CN89201488.1的HTZ-2型渗碳层检测装置都是基于磁感应原理的仪器，前者由于没有考虑到表面氧化层磁性的影响、不同炉管材料成分和结构上的差异，其检测的结果不可靠，后者虽然考虑了表面氧化层磁性的影响、炉管材料成分和结构上的影响，但其激励频率为单一的低频率交流信号，信号的信息量小，没有从根本上消除氧化层的影响。而且，现有的检测裂解炉管渗碳层厚度的方法皆采用在低频激励信号，信噪比低的感应式线圈作为探头的传感器，在裂解炉的管壁耐高温抗渗碳性能越来越好，其渗碳层也越来越薄的情况下，现有检测方法及其装置的检测精度已经难以满足检测的需要。
发明内容
本发明的目的是针对现有的检测裂解炉管渗碳层厚度的方法及其装置存在的检测结果不可靠、精度不高、激励频率单一、信号的信息量小，没有从根本上消除氧化层影响的问题，提出一种结构简单，使用和携带方便，功耗低，检测精度高的检测裂解炉管渗碳层厚度的方法及其装置。
本发明的技术方案是：
一种检测裂解炉管渗碳层厚度的方法，其特征是它包括以下步骤：
a.首先在沿裂解炉管的外壁轴向上选择检测点，检测点的个数不少于二十个；
b.然后在沿裂解炉管的外壁周向上选择检测点，检测点的个数不少于八个；
c.用丙酮或酒精清洗所选的检测点，去除表面的灰尘和油污；
d.将检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的测量探头部分的探头底部贴紧任一个检测点，打开测量信号激励模块的倍频切换信号发生电路，调整频率产生85-100Hz的低频交流激励信号，检测裂解炉管渗碳层厚度装置对低频交流激励信号进行处理得到内壁渗碳层加上外壁氧化层厚度的数据信号并存储至第二内部存储器；
e.调整倍频切换信号发生电路产生240-300Hz的高频交流激励信号，检测裂解炉管渗碳层厚度装置对高频交流激励信号进行处理得到炉管外壁氧化层厚度的数据信号并存储至第一内部存储器；
f.将储存在第一内部存储器和第二内部存储器中的分别在高频交流激励信号和低频交流激励信号下得到的数据信号相减得到反映裂解炉管渗碳层厚度数据信号，并送往单片机进行处理得到裂解炉管渗碳层实际厚度值，最后将检测结果输出至显示器；
g.重复步骤d-f对所有被选的检测点进行检测；
h.对所有周向被选检测点的检测结果计算平均值，并对所有轴向检测点和平均周向检测点的检测结果进行记录，得到裂解炉管渗碳层的厚度数据。
一种检测裂解炉管渗碳层厚度的装置，其特征是它包括测量信号激励模块和测量探头部分，测量信号激励模块作为检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的信号输入产生激励信号，测量信号激励模块的测量信号输出端与测量探头部分的信号输入端无线连接，测量探头部分的各对巨磁阻传感器组经各前置放大电路模块的测量信号输出端与对应的测量信号调理模块的一个对应的调理信号输入端相连，各测量信号调理模块的激励信号输入端与测量信号激励模块的一个激励信号输出端相连，各测量信号调理模块的信号输出端与各自对应的数据处理模块的信号输入端相连，各数据处理模块的信号输出端与单片机的对应信号输入端相连，单片机的控制输入端与键盘的信号输出端相连，单片机的信号输出端作为检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的信号输出分别接显示器和PC机。
本发明的测量信号激励模块包括倍频切换信号发生电路、功率放大器和励磁线圈，倍频切换信号发生电路的信号输出作为测量信号激励模块的信号输出接功率放大器的信号输入端，功率放大器的信号输出端作为测量信号激励模块的激励信号输出接各测量信号调理模块的激励信号输入端，功率放大器的信号输出端接励磁线圈的信号输入端，励磁线圈的作为测量信号激励模块的测量信号输出与测量探头部分的信号输入端无线连接。
本发明的测量探头部分包括探头外壳、探头内部支架、励磁线圈、偏磁元件、塑料螺栓、塑料螺母和聚磁元件，探头外壳安装在裂解炉的管壁上，探头内部支架安装在探头外壳的内部，励磁线圈安装在探头内部支架的内部，聚磁元件安装在励磁线圈的内部，偏磁元件通过塑料螺栓和塑料螺母固定在聚磁元件的磁场内，聚磁元件内部的两侧至少安装有一对巨磁阻传感器组，各巨磁阻传感器组分别与各自对应的前置放大电路模块相连，各前置放大电路模块安装在探头外壳上，各前置放大电路模块包括第一交流放大器、第二交流放大器和差分放大器，第一交流放大器和第二交流放大器的信号输入端分别与各自对应的巨磁阻传感器组的各巨磁阻传感器的信号输出端相连，第一交流放大器和第二交流放大器的信号输出端接各自对应的差分放大器的对应信号输入端，各差分放大器的信号输出端作为各前置放大电路模块的输出接各自对应的测量信号调理模块的对应测量信号输入端。
本发明的测量信号调理模块包括低通滤波器，移相电路，相敏检波器和集成模拟开关，移相电路的信号输入端作为测量信号调理模块的调理信号输入接测量信号激励模块的调理信号输出，移相电路的信号输出端接相敏检波器的对应信号输入端，低通滤波器的信号输入端作为测量信号调理模块的测量信号输入接测量探头部分的测量信号输出，低通滤波器的信号输出端接相敏检波器的对应信号输入端，相敏检波器的信号输出端接集成模拟开关的信号输入端，集成模拟开关的信号输出端作为测量信号调理模块的信号输出接数据处理模块的信号输入端。
本发明的数据处理模块包括第一采样保持器、第二采样保持器、第一模数转换器、第二模数转换器、第一内部存储器、第二内部存储器和数字减法器，第一采样保持器和第二采样保持器的信号输入端作为各数据处理模块的信号输入接各测量信号调理模块的信号输出端，第一采样保持器和第二采样保持器的信号输出端分别接各自对应的第一模数转换器和第二模数转换器，第一模数转换器和第二模数转换器与各自对应的第一内部存储器和第二内部存储器相连，第一内部存储器和第二内部存储器的信号输出端分别接各自对应的减法器的反向信号输入端和同向信号输入端，减法器的信号输出端作为数据处理模块的信号输出接单片机。
本发明的有益效果：
1、本发明根据多频涡流检测原理分别将产生的低频和高频的交流激励信号送入激励线圈，产生的激励磁场受屈肤效应的制约，低频的激励磁场将从裂解炉管的表面一直穿透到炉管内壁的渗碳层，巨磁阻传感器响应的信号代表内壁渗碳层加上外壁氧化层的信号，而高频的激励磁场将集中在裂解炉管表面的氧化层，巨磁阻传感响应的信号为外壁氧化层的信号，这两个模拟信号通过信号调理电路处理和AD转换后在减法器中进行减法运算，可靠的消除了表面氧化层的影响，得到反映裂解炉管渗碳层的数字信号。本发明的装置具有结构简单，使用和携带方便的优点
2、本发明采用倍频切换信号发生电路产生不同频率的激励信号，解决了激励频率单一的问题。
3、本发明在外壁轴向和周向上分别选择不小于二十个和不小于八个的检测点，提高了检测的精度和准确性。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的电原理图。
图3是本发明的测量探头部分结构剖视图。
图4是本发明的前置放大电路模块电路图。
图5是本发明的倍频切换信号发生电路图。
图6是本发明的移相电路图。
具体实施方式
下面结合附图1-6和实施例对本发明作进一步的说明。
1、一种检测裂解炉管渗碳层厚度的方法，其特征是它包括以下步骤：
a.首先在沿裂解炉管的外壁轴向上选择检测点，检测点的个数不少于二十个；
b.然后在沿裂解炉管的外壁周向上选择检测点，检测点的个数不少于八个；
c.用丙酮或酒精清洗所选的检测点，去除表面的灰尘和油污；
d.将检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的测量探头部分16的探头底部贴紧任一个检测点，打开测量信号激励模块15的倍频切换信号发生电路19，调整频率产生85-100Hz的低频交流激励信号，根据多频涡流检测原理将产生的低频交流激励信号送入激励线圈4，产生的激励磁场受屈肤效应的制约，检测裂解炉管渗碳层厚度装置对低频交流激励信号进行处理得到内壁渗碳层11加上外壁氧化层1厚度的数据信号经第二模数转换器30存储至第二内部存储器32；
e.调整倍频切换信号发生电路19产生240-300Hz的高频交流激励信号，根据多频涡流检测原理将产生的低频交流激励信号送入激励线圈4，产生的激励磁场受屈肤效应的制约，检测裂解炉管渗碳层厚度装置对高频交流激励信号进行处理得到炉管外壁氧化层1厚度的数据信号经第一模数转换器29存储至第一内部存储器31；
f.将储存在第一内部存储器31和第二内部存储器32中的分别在高频交流激励信号和低频交流激励信号下得到的数据信号相减得到反映裂解炉管渗碳层厚度数据信号，并送往单片机35(型号可为MSP430)进行处理得到裂解炉管渗碳层实际厚度值，操作键盘36控制检测进程，最后将检测结果输出至显示器37，同时通过串口通讯将数据送入计算机34中进行数据存储或打印；
g.重复步骤d-f对所有被选的检测点进行检测；
h.对所有周向被选检测点的检测结果计算平均值，并对所有轴向检测点和平均周向检测点的检测结果进行记录，得到裂解炉管渗碳层的厚度数据。
如图1所示：一种检测裂解炉管渗碳层厚度的装置，它包括测量信号激励模块15和测量探头部分16，测量信号激励模块15作为检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的信号输入产生激励信号，测量信号激励模块15的测量信号输出端与测量探头部分16的信号输入端无线连接，测量探头部分16的各对巨磁阻传感器组9(巨磁阻传感器组9由两个相同的巨磁阻传感器构成，型号可为AA002-2)经各前置放大电路模块8的测量信号输出端与对应的测量信号调理模块17的一个对应的调理信号输入端相连，各测量信号调理模块17的激励信号输入端与测量信号激励模块15的一个激励信号输出端相连，各测量信号调理模块17的信号输出端与各自对应的数据处理模块18的信号输入端相连，各数据处理模块18的信号输出端与单片机35(型号可为MSP430)的对应信号输入端相连，单片机35(型号可为MSP430)的控制输入端与键盘36的信号输出端相连，单片机35的信号输出端作为检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的信号输出分别接显示器37和PC机。
本发明的测量信号激励模块15包括倍频切换信号发生电路19、功率放大器22(型号可为TDA2006)和励磁线圈4，倍频切换信号发生电路19的信号输出作为测量信号激励模块15的信号输出接功率放大器22(型号可为TDA2006)的信号输入端，功率放大器22的信号输出端作为测量信号激励模块15的激励信号输出接各测量信号调理模块17的激励信号输入端，功率放大器22的信号输出端接励磁线圈4的信号输入端，励磁线圈4的作为测量信号激励模块15的测量信号输出与测量探头部分16的信号输入端无线连接。
如图3所示：本发明所述的测量探头部分16包括探头外壳2、探头内部支架3、励磁线圈4、偏磁元件5、塑料螺栓6、塑料螺母7和聚磁元件10，探头外壳2安装在裂解炉的管壁上，探头内部支架3安装在探头外壳2的内部，励磁线圈4安装在探头内部支架3的内部，聚磁元件10安装在励磁线圈4的内部，偏磁元件5通过塑料螺栓6和塑料螺母7固定在聚磁元件10的磁场内，聚磁元件10内部的两侧至少安装有一对巨磁阻传感器组9，各巨磁阻传感器组9分别与各自对应的前置放大电路模块8相连，各前置放大电路模块8安装在探头外壳2上，各前置放大电路模块8包括第一交流放大器12(型号可为模数620)、第二交流放大器13(型号可为模数620)和差分放大器14，第一交流放大器12(型号可为模数620)和第二交流放大器13(型号可为模数620)的信号输入端分别与各自对应的巨磁阻传感器组9的各巨磁阻传感器的信号输出端相连，第一交流放大器12和第二交流放大器13的信号输出端接各自对应的差分放大器14(型号可为模数620)的对应信号输入端，各差分放大器14的信号输出端作为各前置放大电路模块8的输出接各自对应的测量信号调理模块17的对应测量信号输入端。
本发明的测量信号调理模块17包括低通滤波器23(型号可为MAX280)，移相电路24，相敏检波器25(型号可为ZF6009)和集成模拟开关26(型号可为CD4051)，移相电路24的信号输入端作为测量信号调理模块17的调理信号输入接测量信号激励模块15的调理信号输出，移相电路24的信号输出端接相敏检波器25(型号可为ZF6009)的对应信号输入端，低通滤波器23的信号输入端作为测量信号调理模块17的测量信号输入接测量探头部分16的测量信号输出，低通滤波器23的信号输出端接相敏检波器25的对应信号输入端，相敏检波器25的信号输出端接集成模拟开关26的信号输入端，集成模拟开关26的信号输出端作为测量信号调理模块17的信号输出接数据处理模块18的信号输入端。
本发明的数据处理模块18包括第一采样保持器27、第二采样保持器28、第一模数转换器29、第二模数转换器30、第一内部存储器31、第二内部存储器32和数字减法器33，第一采样保持器27和第二采样保持器28的信号输入端作为各数据处理模块18的信号输入接各测量信号调理模块17的信号输出端，第一采样保持器27和第二采样保持器28的信号输出端分别接各自对应的第一模数转换器29和第二模数转换器30，第一模数转换器29和第二模数转换器30与各自对应的第一内部存储器31和第二内部存储器32相连，第一内部存储器31和第二内部存储器32的信号输出端分别接各自对应的减法器33的反向信号输入端和同向信号输入端，减法器33的信号输出端作为数据处理模块18的信号输出接单片机35。
具体实施时：
实施例一：
以最优的85Hz低频和255Hz的高频激励信号为例：首先，在沿裂解炉管的外壁轴向和周向上选择检测点，轴向上应不小于二十个检测点，周向上不小于八个检测点并进行净化处理，可用丙酮或酒精清洗，再将检测装置探头的底部贴紧检测点。
测量探头部分16内的巨磁阻传感器组9以一组为例，巨磁阻传感器组9包括两个相同的巨磁阻传感器(型号可为AA002-2)：由单片机35(型号可为MSP430)控制开关K1的触点和集成模拟开关26(型号可为CD4051)的触点D导通后，将85Hz的低频交流激励信号通过信号发生器19(型号可为ICL8038)送入功率放大器22(型号可为TDA2006)进行功率放大后驱动励磁线圈4，产生交流激励磁场，聚磁元件10汇聚激励磁场作用于裂解炉管，且保护巨磁阻传感器不受杂散磁场的干扰，受屈肤效应的制约，汇聚的85Hz的激励磁场将从裂解炉管的表面氧化层1一直穿透到炉管内壁的渗碳层11，测量探头部分16内的巨磁阻传感器组9(巨磁阻传感器组9包括两个相同的巨磁阻传感器，型号可为AA002-2)响应激励磁场输出的两路交流电压信号，每路交流电压信号是内壁渗碳层11加上外壁氧化层1的信号，两路交流电压信号分别由各自对应的第一交流放大器12(型号可为模数620)和第二交流放大器13(型号可为模数620)放大后送入差分放大器14(型号可为模数620)放大并消除共模信号干扰，同时消除由于探头和炉管管壁之间距离变化导致的提离效应的干扰后形成的一路交流电压信号送入低通滤波器23(型号可为MAX280)滤除通频带外的杂波干扰后送入相敏检波器25(型号可为ZF6009)，同时来自功率发大器22(型号可为TDA2006)的同频率85Hz参考信号经移相电路24送入相敏检波器25(型号可为ZF6009)，检波后的直流信号经集成模拟开关26(型号可为CD4051)的触点D流入第二采样保持器28再经第二模数转换器30后存储在第二内部存储器32中，第二采样保持器28、第二模数转换器30和第二内部存储器32均为单片机35(型号可为MSP430)内置集成块。
然后单片机35(型号可为MSP430)控制开关K1的触点和控制集成模拟开关26(型号可为CD4051)的触点C导通后，将85Hz的低频交流激励信号通过电容C3-C5构成的倍频电路得到255Hz的高频交流激励信号送入功率放大器22(型号可为TDA2006)进行功率放大后驱动励磁线圈4，产生交流激励磁场，聚磁元件10汇聚激励磁场作用于炉管，且保护巨磁阻传感器不受杂散磁场的干扰，受屈肤效应的制约，汇聚的255Hz的激励磁场将集中在裂解炉管的表面氧化层1，测量探头部分16内的巨磁阻传感器组9响应激励磁场输出的两路交流电压信号，每路交流电压信号是炉管外壁氧化层1的信号，两路交流电压信号分别由各自对应的第一交流发大器12(型号可为模数620)和第二交流发大器13(型号可为模数620)放大后送入差分放大器14(型号可为模数620)并消除共模信号干扰，同时消除由于探头和炉管管壁之间距离变化导致的提离效应的干扰后形成的一路交流电压信号送入低通滤波器23(型号可为MAX280)滤除通频带外的杂波干扰后送入相敏检波器25(型号可为ZF6009)，同时来自功率发大器22(型号可为TDA2006)的同频率255HZ参考信号经移相电路24送入相敏检波器25(型号可为ZF6009)，检波后的直流信号经集成模拟开关26(型号可为CD4051)的触点C流入第一采样保持器27再经第一模数转换器29后存储在第一内部存储器31，第一采样保持器27、第一模数转换器30和第一内部存储器32均为单片机35(型号可为MSP430)内置集成块。
将储存在第一内部存储器31和第二内部存储器32中的分别在255Hz和85Hz两个频率下得到的数据相减得到反映裂解炉管渗碳层厚度数据，并送往单片机35(型号可为MSP430)。在往单片机35(型号可为MSP430)数据处理部分中的数字滤波单元连续测量得到的一百个数据进行算术平均值滤波，滤波后的数据送入温度补偿单元进行温度补偿后再经零渗碳层厚度补偿单元修正，所述的温度补偿和修正都是利用事先存储在内存中的数据进行的，其中零渗碳层厚度补偿单元中的数据是用探头测量一根无表面氧化和内壁渗碳的炉管得到的。最后的数据经内置的标度变换软件变换得到关于裂解炉管渗碳层厚度实际数值，通过显示器37显示，同时可通过串口通讯输入计算机34中存储或打印，所述的检测过程中控制动作通过键盘36输入完成。
实施例二：
首先，在沿裂解炉管的外壁轴向和周向上选择检测点，轴向上应不小于二十个检测点，周向上不小于八个检测点并进行净化处理，可用丙酮或酒精清洗，再将检测装置探头的底部贴紧检测点。
测量探头部分16内的巨磁阻传感器以两组为例：各巨磁阻传感器组9分别经各前置放大电路模块8的测量信号输出端与对应的测量信号调理模块17的一个对应的调理信号输入端相连，各测量信号调理模块17的激励信号输入端与测量信号激励模块15的一个激励信号输出端相连，各测量信号调理模块17的信号输出端与各自对应的数据处理模块18的信号输入端相连，各数据处理模块18的信号输出端与单片机35的对应信号输入端相连，单片机35经软件处理得到裂解炉管渗碳层厚度的平均信号，单片机35的电源控制输入端与键盘36的信号输出端相连，单片机35的信号输出端作为检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的信号输出分别接显示器37和计算机。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种检测裂解炉管渗碳层厚度的方法，其特征是它包括以下步骤：
a.首先在沿裂解炉管的外壁轴向上选择检测点，检测点的个数不少于二十个；
b.然后在沿裂解炉管的外壁周向上选择检测点，检测点的个数不少于八个；
c.用丙酮或酒精清洗所选的检测点，去除表面的灰尘和油污；
d.将检测裂解炉管渗碳层厚度的装置的测量探头部分(16)的探头底部贴紧任一个检测点，打开测量信号激励模块(15)的倍频切换信号发生电路(19)，调整频率产生85-100Hz的低频交流激励信号，检测裂解炉管渗碳层厚度装置对低频交流激励信号进行处理得到内壁渗碳层(11)加上外壁氧化层(1)厚度的数据信号并存储至第二内部存储器(32)；
e.调整倍频切换信号发生电路(19)产生240-300Hz的高频交流激励信号，检测裂解炉管渗碳层厚度装置对高频交流激励信号进行处理得到炉管外壁氧化层(1)厚度的数据信号并存储至第一内部存储器(31)；
f.将储存在第一内部存储器(31)和第二内部存储器(32)中的分别在高频交流激励信号和低频交流激励信号下得到的数据信号相减得到反映裂解炉管渗碳层厚度数据信号，并送往单片机(35)进行处理得到裂解炉管渗碳层实际厚度值，最后将检测结果输出至显示器(37)；
g.重复步骤d-f对所有被选的检测点进行检测；
h.对所有周向被选检测点的检测结果计算平均值，并对所有轴向检测点和平均周向检测点的检测结果进行记录，得到裂解炉管渗碳层的厚度数据。
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