CN103091403A - 在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的方法及装置。在自动超声检测设备超声换能器腔体内安装采集座，该采集座的沉降物收集槽一端内安装沉降物监测超声换能器，沉降物收集槽另一端侧面安装一个反射体，沉降物监测超声换能器的信号电缆与基于PC机的超声信号处理系统的PXI超声信号收发板卡连接。本发明可实时在线监测超声自动检测设备超声换能器腔体耦合用水的状态，可有效防止耦合恶化，造成被检对象体内缺陷的漏报事故。同时，这种方法可跟随探伤超声换能器协同工作，可真实反应检测区探伤换能器的工况。结构简单，易于部署，不影响正常探伤。本发明可应用于冶金、化工、水处理和交通等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种沉降物监测方法及装置，具体是涉及一种在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的方法及装置。
背景技术
无缝钢管经热处理后需经过一道无损检测工序以确保出厂前的品质，实际生产过程中超声自动无损检测设备被广泛使用。现有成熟的并且使用率最高的超声自动检测设备产生的声波进入管体前仍然需要介质耦合，而水作为一种常规耦合介质由于其成本低、易于循环利用、粘度小可快速建立稳定的耦合条件等特点，在现有自动在线超声检测设备上得到了普及。然而，无缝钢管经过回火处理在空冷却过程中，其表面会产生一定量的松散氧化皮，受环境温度影响，冷却速度不同管材表面产生的氧化皮也不同。携带着氧化皮的钢管进入超声探伤区，由于检测设备对钢管的夹持或正常触碰，将使松散的氧化皮脱落随耦合用水进入超声换能器腔体聚集如图1-图4所示，随着检测钢管数的增多，超声换能器腔体的氧化皮将逐渐增多。而耦合用水一般为流动状态以补偿超声腔体的正常溢流量，并且钢管相对水处于进给运动态，因此超声换能器腔体内的氧化皮颗粒部分将悬浮在水中呈现浑浊现象，若超声换能器固定在钢管的下方，大量的氧化皮还会在超声换能器表面堆积。水中悬浮颗粒越多浑浊度越大，超声换能器表面沉降的氧化皮越多，声波在水中传播的散射就越强，声能量衰减就越大，进入管体的声能就越小，体现在回波幅度越低，无法达到标准人工缺陷校正时的强度，这意味着以基准灵敏度作为缺陷报警输出依据的超声自动检测过程中将出现漏报的风险。实际检测过程中，虽然会每隔一定时间进行灵敏度校正，但是管体氧化皮的产生及脱落具有随机性，如何及时地将耦合用水条件恶化的信息传达给操作人员并要求及时清理超声换能器腔体内的沉降物重新校正灵敏度是超声自动检测提高可靠性面临的重要课题之一。
发明内容
针对背景技术领域中存在的局限性等问颗，本发明的目的在于提供一种在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的方法及装置。
本发明采用的技术方案是：
一、一种超声检测耦合用水沉降物在线监测方法的步骤如下：
1）在自动超声检测设备超声换能器腔体内安装采集座，该采集座的沉降物收集槽一端内安装监测超声换能器，沉降物收集槽另一端侧面安装一个反射体，沉降物监测超声换能器的信号电缆与基于PC机的超声信号处理系统的PXI超声信号收发板卡连接；
2）打开超声换能器腔体进水阀，使得超声换能器腔体内充满水，启动基于PC机的超声信号处理系统并启动Orion1.0软件，配置PXI超声信号收发板卡的工作参数，启用Orion1.0软件I闸门内波形最大幅值跟踪记录模块，该模块波形显示区的监测报警线高度与I闸门的高度一致，实时显示反射体回波记录，此时反射体回波记录高于监测报警线高度不输出监测报警信号；
3）启动无缝钢管检测，采集座的沉降物收集槽开始收集无缝钢管脱落的沉降物悬浮颗粒，利用沉降物监测超声换能器发射的超声波透过沉降物造成的声能衰减的原理，随着沉降物聚集在沉降物收集槽内，反射体回波幅值衰减越厉害，当反射体回波幅值低于监测报警线时输出监测报警信号。
二、一种超声检测耦合用水沉降物在线监测装置：
本发明包括旋转式超声换能器腔体或固定式超声换能器腔体；还包括沉降物监测部件和基于PC机的超声信号处理系统；其中：
沉降物监测部件：包括采集座、沉降物监测超声换能器和反射体；采集座沿长度方向开有一个U形沉降物收集槽，在U形沉降物收集槽的一端安装沉降物监测超声换能器，U形沉降物收集槽的另一端安装反射体组成沉降物监测部件，该部件安装在旋转式超声换能器腔体或固定式超声换能器腔体内；沉降物监测超声换能器与基于PC机的超声信号处理系统的PXI超声信号收发板卡连接。
基于PC机的超声信号处理系统：包括PXI嵌入式主板、PXI超声信号收发板卡、PXI机箱、分析处理软件Orion1.0、显示器、鼠标和键盘；PXI嵌入式主板和PXI超声信号收发板卡插在PXI机箱的PXI插槽内，PXI嵌入式主板与PXI超声信号收发板卡通过PXI总线进行通信。
所述的沉降物监测部件安装在固定式超声换能器腔体的底面，位于探伤换能器的一侧，且与探伤换能器处于同一轴线上，沉降物监测超声换能器的信号电缆通过电缆孔引出连接至PXI超声信号收发板卡。
所述的沉降物监测部件安装在旋转式超声换能器腔体的检测探头之间，在圆周上分别安装相同并且对称的沉降物监测部件，转接头插在探伤超声换能器固定座中，沉降物监测超声换能器通过转接头与PXI超声信号收发板卡连接。
本发明具有的有益效果是：
在超声自动检测设备的超声换能器腔体内安装沉降物监测部件，通过沉降物收集槽对耦合用水中沉降物的收集，使得监测超声换能器发射的超声波透过沉降物到达反射体并反射的回波信号发生散射和声能衰减，体现在回波信号的幅值降低，基于PC机的超声信号处理系统实时分析处理反射体回波信号，当幅值衰减至设定阈值，输出报警信号，实现对沉降物的监测。该监测方法可实时在线监测超声自动检测设备超声换能器腔体耦合用水的状态，可有效防止耦合恶化，造成被检对象体内缺陷的漏报事故。同时，这种方法可跟随探伤超声换能器协同工作，可真实反应检测区探伤换能器的工况。结构简单，易于部署，不影响正常探伤。
本发明可应用于冶金、化工、水处理和交通等领域。
附图说明
图1是沉降物监测部件安装在固定式超声换能器腔体的俯视图。
图2 是图1的A-A剖视图。
图3 是沉降物监测部件安装在旋转式超声换能器腔体的俯视图。
图4 是图3的B-B旋转剖视图。
图5 是本发明结构原理示意图。
图6 是沉降物监测部件安装在旋转式超声换能器腔体所需的转接头。
图7 是粒度70~73目氧化皮监测实验反射体回波校正A扫描图。
图8 是粒度70~73目氧化皮监测实验反射体回波校正实时记录图。
图9 是粒度70~73目20g氧化皮添加过程反射体回波实时监测记录图。
图10 是粒度70~73目氧化皮添加至32g反射体回波实时监测记录图。
图11 是粒度290~300目氧化皮监测实验前反射体回波校正A扫描图。
图12 是粒度290~300目氧化皮监测实验反射体回波校正实时记录图。
图13 是粒度290~300目18g氧化皮添加过程反射体回波实时监测记图。
图14 是粒度290~300目氧化皮添加至24g反射体回波实时监测记录图。
图15 是无缝钢管在线检测沉降物监测启动前反射体回波校正A扫描图。
图16 是无缝钢管在线检测沉降物监测启动前反射体回波校正实时记录图。
图17 是旋转式超声换能器腔体连续过管30根沉降物实时监测记录图。
图18 是固定式超声换能器腔体连续过管18根沉降物实时监测记录图。
图19 是旋转式超声换能器腔体连续过管40根沉降物实时监测记录图。
图20是固定式超声换能器腔体连续过管25根沉降物实时监测记录图。
图中：1、固定式超声换能器腔体，2、沉降物监测部件，3、探伤换能器，4、无缝钢管，5、沉降物悬浮颗粒，6、沉降物，7、电缆孔，8、探伤超声换能器固定座，9、旋转式探伤换能器，10、转接头，11、旋转式超声换能器腔体，12、反射体，13、沉降物收集槽，14、沉降物监测超声换能器，15、固定螺钉，16、PXI嵌入式主板，17、键盘，18、显示器，19、鼠标，20、PXI超声信号收发板卡，21、PXI机箱，22、螺钉孔，23、超声换能器接口，24、插针式接口，25、反射体回波，26、I闸门，27、反射体回波记录，28、监测报警线，29、稳定监测报警区域。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图5所示，本发明包括旋转式超声换能器腔体11或固定式超声换能器腔体1；还包括沉降物监测部件和基于PC机的超声信号处理系统；其中：
如图5所示，沉降物监测部件2：包括采集座、沉降物监测超声换能器14和反射体12；采集座沿长度方向开有一个U形沉降物收集槽13，在U形沉降物收集槽13的一端安装沉降物监测超声换能器14，U形沉降物收集槽13的另一端安装反射体12组成沉降物监测部件，该部件安装在旋转式超声换能器腔体11或固定式超声换能器腔体1内；沉降物监测超声换能器14与基于PC机的超声信号处理系统的PXI超声信号收发板卡20连接。
如图5所示，基于PC机的超声信号处理系统：包括PXI嵌入式主板16、PXI超声信号收发板卡20、PXI机箱21、分析处理软件Orion1.0、显示器18、鼠标19和键盘17；PXI嵌入式主板16和PXI超声信号收发板卡20插在PXI机箱21的PXI插槽内，PXI嵌入式主板16与PXI超声信号收发板卡20通过PXI总线进行通信，PXI超声信号收发板卡20的工作参数需通过Orion1.0进行配置。
如图1、图2所示，所述的沉降物监测部件2安装在固定式超声换能器腔体1的底面，位于探伤换能器3的一侧，且与探伤换能器3处于同一轴线上，沉降物监测超声换能器14的信号电缆通过电缆孔7引出连接至PXI超声信号收发板卡20。
如图3、图4、图6所示，所述的沉降物监测部件2安装在旋转式超声换能器腔体11的检测探头之间，为确保动平衡，在圆周上分别安装相同并且对称的沉降物监测部件2，转接头10插在探伤超声换能器固定座8中，沉降物监测超声换能器14通过转接头10与PXI超声信号收发板卡20连接。
反射体12和沉降物监测超声换能器14通过固定螺钉15安装在沉降物收集槽13的两侧，沉降物监测超声换能器14安装后与沉降物收集槽13的曲面相切。整个采集座通过四个螺钉孔22用固定螺钉固定在超声换能器腔体。
沉降物监测超声换能器14使用超声换能器接口23引出信号电缆。固定式超声换能器腔体1安装沉降物监测部件2，沉降物监测超声换能器14可通过信号电缆直接与PXI超声信号收发板卡20连接。旋转式超声换能器腔体11的检测信号安装沉降物监测部件2后，沉降物监测超声换能器14信号电缆连接到转接头10的插针式接口24，转接头10插入旋转式超声换能器腔体11的探头座，通过这样一次转接连接到PXI超声信号收发板卡20，这是由旋转式超声换能器的信号收发的通路的特殊结构决定的。
所述的反射体9表面光滑，粗糙度1.6μm，用于提供沉降物监测超声换能器14的反射面，超声波传播过程中遇到反射体12产生反射回波并被沉降物监测超声换能器14接收进入PXI超声信号收发板卡20进行处理。
所述的沉降物收集槽13开有一个半径为4mm的半圆槽，用于收集超声检测耦合用水的沉降物。两侧各开有两个螺纹孔分别用于固定反射体12和沉降物监测超声换能器14。沉降物收集槽13安装在超声换能器腔体时沉降物收集槽13的轴线必须与被检无缝钢管4进给轴线保持平行，并且沉降物收集槽13的安装位置不能影响正常的超声检测设备的性能。
所述的沉降物监测超声换能器14为水浸式超声换能器，用于产生和接收超声波，晶片直径为Φ5mm，中心频率为5MHz。通过法兰盘和固定螺钉15固定在沉降物收集槽13的右侧。
所述的PXI嵌入式主板16是基于PC机的超声信号处理系统的基础， PXI嵌入式主板16安装了操作系统和超声数据处理分析软件Orion1.0。用户通过操作Orion1.0软件实现对监测参数的设置、处理、分析和结果保存。
所述的PXI超声信号收发板卡20是沉降物监测超声换能器14的激励源，也是反射体12回波信号接收处理单元。实时监测I闸门26内的波形数据的变化，当反射体12的回波信号低于设定值时，输出监测报警信号。
被测超声换能器腔体耦合用水中的沉降物6监测的实现分为两步实现：
第一步，监测启动前的校正。在超声换能器腔体安装沉降物监测部件2后，打开超声换能器腔体进水阀注水。启动基于PXI总线超声信号处理系统，打开显示器18并开启超声数据处理分析软件Orion1.0。打开Orion1.0的AScan模块，设置信号调理高通截止频率2MHz，阻抗匹配为50欧姆，调整AScan波形显示范围使得反射体回波位于显示区，调整增益使得反射体回波的幅值归一化为0.6，启用I闸门26设置报警模式为低于闸门高度输出报警，移动I闸门使其中心位于反射体回波处，闸门的高度为0.4，宽度为反射体回波宽度的6倍。调整通道增益，设置激励脉冲的脉冲重复频率为2KHz。设置I闸门26的报警模式为：低于闸门高度触发报警。启用Orion1.0的波形实时记录功能模块，设置记录对象为I闸门26内的最大幅值，并且使波形实时记录功能模块的监测报警线28与I闸门26的高度保持一致，设置报警可靠系数5。观察反射体12回波幅值是否稳定，若稳定校正结束。
第二步，启动超声自动检测设备，连续过无缝钢管4。当以氧化皮为主的沉降物悬浮颗粒5沉降并被沉降物收集槽13聚集，使得反射体回波25连续低于I闸门26的高度超过设定的报警可靠系数，PXI超声信号收发板卡20输出监测报警信号，从而实现对超声检测耦合用水的监测。
实施例说明：
为了验证本监测方法的可靠性，实施例中分别对模拟现场超声检测工况的不同粒度氧化皮的监测、旋转式超声换能器腔体11沉降物6的在线监测、固定式超声换能器腔体1沉降物6的在线监测做了测试。
模拟现场超声检测工况的不同粒度氧化皮的监测测试，选用了两种粒度的无缝钢管4热处理后冷却过程中产生的氧化皮，这两种氧化皮分别取自冷却区（粒度70~73目）和超声换能器腔体（290~300目）。旋转式超声换能器腔体11沉降物6的在线监测和固定式超声换能器腔体1沉降物6的在线监测测试选用的无缝钢管管径为Φ70.32mm，壁厚为6mm，长度为12m。表面状态为热处理后冷却至40℃，未经任何除鳞工序进入检测区。无论是模拟测试和实际在线监测测试，都首先需要完成基准灵敏度校正，如图7、图11、图15所示。启动软件系统Orion1.0进入单通道选用脉冲回波工作方式，回波幅值采用归一化显示。调整通道增益至42.5dB，使反射体回波25幅值达到0.6左右。启用I闸门26并将其拖动至反射体回波25处，I闸门26沿时间轴方向的范围就是实时检测的区域，将I闸门26的高度设置为0.4。启用闸门波形记录软件功能模块，实时记录I闸门26内的幅值变化，反射体回波记录27如图8~图10、图12~图14、图16~图20所示，波形记录功能模块的监测报警线28设置为I闸门26的高度0.4。设置I闸门26的报警模式为低于设定高度为报警触发。
取20g 粒度70~73目氧化皮缓慢加入至沉降物收集槽13靠近沉降物监测超声换能器14的前端，在氧化皮沉降过程中反射体回波25出现较大的波动，图9为波形记录功能模块实时记录的结果。当20g70~73目氧化皮全部沉降至沉降物收集槽13后，反射体回波25已经位于监测报警线28之下，此时输出监测氧化皮沉降报警信号，如图9中的稳定监测报警区域29。继续添加该氧化皮，当氧化皮量达到32g时，其反射体回波25基本消失，如图10所示，监测结果输出稳定的报警信号，稳定监测报警区域29为图10中虚线选中区域。
将沉降物收集槽13中70~73目的氧化皮清除干净，使得反射体回波25幅值恢复至如图11所示。不改变I闸门26的位置。逐渐添加相同体积对应的重量为24g 的290~300目氧化皮至沉降物收集槽13中，在氧化皮沉降过程中反射体回波24波动如图13所示，氧化皮添加量达到18g左右时开始输出监测报警信号。当24g 氧化皮全部添加并沉降至沉降物收集槽13反射体回波25记录显示如图14所示，记录显示稳定输出报警信号。
固定式超声换能器腔体1和旋转式超声换能器腔体11的沉降物4监测需启动无缝钢管4自动检测设备，并且按照实际检测工艺规程连续通过无缝钢管4。沉降物收集槽13的安装不影响无缝钢管的检测性能。设置钢管的进给速度为8m/min，启动无缝钢管自动检测设备，连续过无缝钢管4。图17为旋转式超声换能器腔体11反射体回波25幅值实时监测记录结果，当过管数达到30根时，反射体回波25幅值出现下降并输出监测报警信号。图18为固定式超声换能器腔体1的反射体回波24幅值实时监测记录结果，当过管数达到18根时，反射体回波24幅值出现明显下降，并输出监测报警信号。连续过管检测，旋转超声换能器腔体11过管数超过40根时，反射体回波25幅值0.2处于稳定的报警状态，如图19所示。固定式超声换能器腔体1的过管数累计25根时，反射体回波25也处于连续报警状态，如图20所示。
Claims (4)
1.一种在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
1）在自动超声检测设备超声换能器腔体内安装采集座，该采集座的沉降物收集槽一端内安装沉降物监测超声换能器，沉降物收集槽另一端侧面安装一个反射体，沉降物监测超声换能器的信号电缆与基于PC机的超声信号处理系统的PXI超声信号收发板卡连接；
2）打开超声换能器腔体进水阀，使得超声换能器腔体内充满水，启动基于PC机的超声信号处理系统并启动Orion1.0软件，配置PXI超声信号收发板卡的工作参数，启用Orion1.0软件I闸门内波形最大幅值跟踪记录模块，该模块波形显示区的监测报警线高度与I闸门的高度一致，实时显示反射体回波记录，此时反射体回波记录高于监测报警线高度不输出监测报警信号；
3）启动无缝钢管检测，采集座的沉降物收集槽开始收集无缝钢管脱落的沉降物悬浮颗粒，利用沉降物监测超声换能器发射的超声波透过沉降物造成的声能衰减的原理，随着沉降物聚集在沉降物收集槽内，反射体回波幅值衰减越厉害，当反射体回波幅值低于监测报警线时输出监测报警信号。
2.根据权利要求1所述方法的一种在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的装置，包括旋转式超声换能器腔体或固定式超声换能器腔体；其特征在于：还包括沉降物监测部件和基于PC机的超声信号处理系统；其中：
沉降物监测部件（2）：包括采集座、沉降物监测超声换能器（14）和反射体（12）；采集座沿长度方向开有一个U形沉降物收集槽（13），在U形沉降物收集槽（13）的一端安装沉降物监测超声换能器（14），U形沉降物收集槽（13）的另一端安装反射体（12）组成沉降物监测部件，该部件安装在旋转式超声换能器腔体或固定式超声换能器腔体内；沉降物监测超声换能器（14）与基于PC机的超声信号处理系统的PXI超声信号收发板卡（20）连接；
基于PC机的超声信号处理系统：包括PXI嵌入式主板（16）、PXI超声信号收发板卡（20）、PXI机箱（21）、分析处理软件Orion1.0、显示器（18）、鼠标（19）和键盘（17）；PXI嵌入式主板（16）和PXI超声信号收发板卡（20）插在PXI机箱（21）的PXI插槽内，PXI嵌入式主板（16）与PXI超声信号收发板卡（20）通过PXI总线进行通信。
3.根据权利要求2所述的一种在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的装置，其特征在于：所述的沉降物监测部件安装在固定式超声换能器腔体（1）的底面，位于探伤换能器（3）的一侧，且与探伤换能器（3）处于同一轴线上，沉降物监测超声换能器（13）的信号电缆通过电缆孔（7）引出连接至PXI超声信号收发板卡（20）。
4.根据权利要求2所述的一种在线超声检测无缝钢管时控制沉降物的装置，其特征在于：所述的沉降物监测部件安装在旋转式超声换能器腔体（11）的检测探头之间，在圆周上分别安装相同并且对称的沉降物监测部件（2），转接头（10）插在探伤超声换能器固定座（8）中，沉降物监测超声换能器（14）通过转接头（10）与PXI超声信号收发板卡（20）连接。
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