CN107991387A - 一种管道超声波导波检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种管道超声波导波检测系统，超声波斜探头一端紧密安装在超声波标样管上，另一端与导波检测仪电连接，导波检测仪与上位机通讯连接，数据采集模块、键盘分别连接主CPU模块的输入端，打印模块连接主CPU的输出端，存储模块和通信模块分别与主CPU模块双向连接，主CPU模块通过通信模块与上位机通信连接，主CPU模块通过主从CPU通信模块与从CPU模块连接，从CPU模块的输出端连接显示模块；超声波斜探头包括：外壳、楔块、压电晶片、探头接口，压电晶片通过探头接口与导波检测仪连接。本发明，通过对超声波斜探头的结构和导波探测仪的内部电路结构进行改进，大大提高了该检测系统的性能，进而降低了危害发生率。

Description

一种管道超声波导波检测系统
技术领域
本发明涉及超声波检测技术领域，特别涉及一种管道超声波导波检测系统。
背景技术
火力发电厂锅炉受热面通常用优质无缝钢管加工而成，过热器、再热器、水冷壁管等使用过程中常因无缝钢管原始制造缺陷、磨损、腐蚀、变形、裂纹等而发生损坏。特别是炉管中存在轴向缺陷时(如裂纹、划伤、重皮、折叠等)，对炉管的危害很大。
在我国，83％以上的电力是由火力发电厂提供的，另外，还有众多的供热机组，随着老机组服役时间的增长，调峰机组的增多以及新装机组参数的增高等，给热力设备的安全经济运行和维护带来许多新问题。据统计。热力设备事故中锅炉占60％，其中四管爆破事故占锅炉事故的65％。在美国，锅炉管道损伤也是热力发电设备可用率低的首要原因，近十年来，已发现5万多台锅炉管道损伤，相当于可用率减少60％。由此可见，研究锅炉管道的无损伤检测评价技术，以预知隐患，对确保热力发电设备尤其是锅炉的经济、可靠性运行具有十分重要的意义。
传统的无缝钢管检验方法是利用涡流检测仪对管件进行探伤，或采用超声波横波斜探头进行逐点检测。由于涡流检测原理的本征局限，管子端部总存在200mm左右的检验盲区，而这些盲区往往又是加工、制造、使用的薄弱环节，容易出现多种缺陷；另外，涡流检测时探头需螺旋式前进，不仅设备复杂，而且需逐点探测，检验时间长，效率低，不能满足现场对工期的要求。
传统超声检测系统是单点检测，该方法只适用于管子末进行加工或安装之前的检验，而管排加工、装配完成以后上述检测很难进行，不能满足在役管排检测的要求，因而，在检测密集排解管道时，该方法遇到很大困难。
利用超声在管子中传播的周向导播模式，以快速提取表征管子纵向缺陷的超声信号，实现对管子的快速检测。所研制的超声导波探头可以缩短检测时间，检测出管子的隐患，利用超声导波检测管道裂纹的技术可以解决这一问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种管道超声波导波检测系统，，通过对超声波斜探头的结构和导波探测仪的内部电路结构进行改进，大大提高了该检测系统的性能，进而降低了危害发生率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，包括：超声波标样管、超声波斜探头、导波检测仪、上位机，所述超声波斜探头一端紧密安装在所述超声波标样管上，另一端与所述导波检测仪电连接，所述导波检测仪与所述上位机通讯连接，其中，
所述导波检测仪包括：主CPU模块、从CPU模块、主从CPU通信模块、数据采集模块、存储模块、键盘、打印模块、显示模块，所述数据采集模块、键盘分别连接所述主CPU模块的输入端，所述打印模块连接所述主CPU的输出端，所述存储模块和所述通信模块分别与所述主CPU模块双向连接，所述主CPU模块通过通信模块与上位机通信连接，所述主CPU模块通过所述主从CPU通信模块与所述从CPU模块连接，所述从CPU模块的输出端连接所述显示模块；
超声波斜探头包括：外壳、楔块、压电晶片、探头接口，所述楔块和压电晶片位于所述外壳内，所述压电晶片和所述楔块固定连接，所述楔块与所述外壳之间填充有消声材料，所述探头接口设置在所述外壳外侧，所述压电晶片通过所述探头接口与所述导波检测仪连接。
进一步，所述压电晶片采用PZT5压电陶瓷，其性能参数为，密度P＝1100kg/m3,压电应变常熟d＝195×10-12C/N，机电耦合系数k＝0.73，损耗因子tgδ＝0.015，所述压电晶片的尺寸为8mm×12mm，所述压电晶片上表面和下表面/侧面分别镀有银电极。
进一步，所述楔块的材质采用有机玻璃，所述楔块的下表面呈弧形，与所述超声波标样管紧密贴合，所述消声材料采用比例为1:3的环氧树脂与钨粉混合物。
进一步，所述外壳的内壁表面设有不规则凸起。
进一步，所述超声波标样管与实际被检验钢管具有相同的尺寸、化学成分、表面状况、热处理状态和声学性能，所述超声波标样管上设有人工缺陷。
进一步，所述人工缺陷包括纵向人工缺陷和横向人工缺陷，分别用于标样管轴向缺陷检测和周向缺陷检测，所述纵向人工缺陷和横向人工缺陷的形状至少为V形槽或矩形槽，其中，V型槽的夹角为60°。
进一步，所述数据采集模块包括前置放大器、A/D转换器、三态缓冲器、瞬态存储器、总线切换模块、DMA控制器、振荡器，所述超声波斜探头通过电缆连接所述前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端连接所述A/D转换器，所述A/D转换器的输出端连接所述三态缓冲器的输入端，所述三态缓冲器的输出端连接所述主CPU模块的输入端，所述瞬态存储器与所述A/D转换器双向连接，所述DMA控制器的输入端分别连接所述振荡器和主CPU模块，所述DMA控制器的输出端通过总线控制模块连接至所述瞬态存储器。
进一步，所述DMA控制器由相互连接的计数器74LS161和数据选择器74LS157组成，所述数据选择器连接总线切换模块，所述计数器连接振荡器。
进一步，所述A/D转换器采用的型号为CA3318，所述瞬态存储器的型号为HM62256-60，所述主CPU模块和从CPU模块均采用ARM7单片机。
进一步，所述导波检测仪还包括报警模块，所述报警模块采用声光报警，与所述主CPU模块连接。
本发明的优点在于：本发明能够精确高效的检测出无缝管壁的缺陷，通过对超声波斜探头的结构和导波探测仪的内部电路结构进行改进，大大提高了该检测系统的性能，进而降低了危害发生率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明的一种管道超声波导波检测系统的结构图；
图2为本发明的一种管道超声波导波检测系统的导波检测仪的内部结构图；
图3为本发明的一种管道超声波导波检测系统的数据采集模块的结构图；
图4为本发明的一种管道超声波导波检测系统的前置放大模块的电路图；
图5为本发明的一种管道超声波导波检测系统的超声波斜探头的结构图。
其中：1、超声波斜探头；2、导波检测仪；3、上位机；101、外壳；102、楔块；103、压电晶片；104、探头接口；105、消声材料；106、凸起；201、主CPU模块；202、从CPU模块；203、主从CPU通信模块；204、数据采集模块；205、显示模块；206、通信模块；207、打印模块；208、键盘；209、存储模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1和图2所示，一种管道超声波导波检测系统，包括：超声波标样管、超声波斜探头1、导波检测仪2、上位机3，所述超声波斜探头1一端紧密安装在所述超声波标样管上，另一端与所述导波检测仪2电连接，所述导波检测仪2与所述上位机3通讯连接，其中，
所述导波检测仪2包括：主CPU模块201、从CPU模块202、主从CPU通信模块206203、数据采集模块204、存储模块209、键盘208、打印模块207、显示模块205，所述数据采集模块204、键盘208分别连接所述主CPU模块201的输入端，键盘208采用6×6的小键盘208，包括功能键和数字键，功能键用于选择操作类型，数字键用于参数输入。
所述打印模块207连接所述主CPU的输出端，所述存储模块209和所述通信模块206分别与所述主CPU模块201双向连接，所述主CPU模块201通过通信模块206与上位机3通信连接，所述主CPU模块201通过所述主从CPU通信模块206203与所述从CPU模块202连接，所述从CPU模块202的输出端连接所述显示模块205，显示模块205采用真彩显示器，根据环境选择背景，亮度可自由设定，显示模块205显示内容丰富，可显示中文菜单、显示回波波形、显示报警闸门、可移动标尺、显示测量结果，在不同的工作模式下显示的内容也不同，其中汉字显示采用笔画法，并生成了专用字库，使得汉字显示清晰、美观、易于控制。
如图5所示，超声波斜探头1包括：外壳101、楔块102、压电晶片103、探头接口104，所述楔块102和压电晶片103位于所述外壳101内，所述压电晶片103和所述楔块102固定连接，所述楔块102与所述外壳101之间填充有消声材料105，所述探头接口104设置在所述外壳101外侧，所述压电晶片103通过所述探头接口104与所述导波检测仪2连接。
进一步，所述压电晶片103采用PZT5压电陶瓷，其性能参数为，密度Ρ＝1100kg/m3,压电应变常熟d＝195×10-12C/N，机电耦合系数k＝0.73，损耗因子tgδ＝0.015，所述压电晶片103的尺寸为8mm×12mm，所述压电晶片103上表面和下表面/侧面分别镀有银电极，为接线方便，将下表面的电机延伸到压电陶瓷的侧面。压电晶片103尺寸为8mm×12mm。
进一步，所述楔块102的材质采用有机玻璃，所述楔块102的下表面呈弧形，与所述超声波标样管紧密贴合，以便更好的传递能量，所述消声材料105采用比例为1:3的环氧树脂与钨粉混合物。因为当电脉冲激励压电晶片103时，它不但向前方传递声能，也向后方辐射，超声检测利用的是前方声能，而后方辐射回波是干扰波，需利用消声材料105吸收后方辐射声能来消除干扰，采用环氧树脂加钨粉，其吸声性能良好，且可任意调节比配，以获得不同的声阻抗与吸声效果，经试验发现，采用1:3的环氧树脂与钨粉混合物作为消声材料105，探头的激励效果最好，提高了定位精度。
进一步，所述外壳101的内壁表面设有不规则凸起106，增强消声效果。
进一步，所述超声波标样管与实际被检验钢管具有相同的尺寸、化学成分、表面状况、热处理状态和声学性能，所述超声波标样管上设有人工缺陷。
进一步，所述人工缺陷包括纵向人工缺陷和横向人工缺陷，分别用于标样管轴向缺陷检测和周向缺陷检测，所述纵向人工缺陷和横向人工缺陷的形状至少为V形槽或矩形槽，其中，V型槽的夹角为600。
如图3所示，所述数据采集模块204包括前置放大器、A/D转换器、三态缓冲器、瞬态存储器、总线切换模块、DMA控制器、振荡器，所述超声波斜探头1通过电缆连接所述前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端连接所述A/D转换器，所述A/D转换器的输出端连接所述三态缓冲器的输入端，所述三态缓冲器的输出端连接所述主CPU模块201的输入端，所述瞬态存储器与所述A/D转换器双向连接，所述DMA控制器的输入端分别连接所述振荡器和主CPU模块201，所述DMA控制器的输出端通过总线控制模块连接至所述瞬态存储器。
其中，由于普通放大器的动态响应速度及频带范围均不能与此处的尖峰回波脉冲相匹配，所以本发明采用分离元件设计了一个前置放大器，如图4所示，包括第一晶体管T1、第二晶体管T2，第一晶体管T1和第二晶体管T2,组成对称反向结构，大大增加了动态响应速度。
本发明采用高速A/D转换器CA3318，最高转换率可达100MHZ，单纯提高A/D转换器的速度并不能有效提高系统的数据采集速度，主CPU模块201在主频6MHZ时执行一条指令至少需要2μm，所以用软件控制A/D转换器无法满足系统连续高速采集的需要，出现了数据采集通道的“瓶颈效应”，为了消除“瓶颈效应”，本发明采用全硬件控制，用74LS161和74LS157构成DMA控制器来产生总线信号、A/D转换器启动/暂停信号、瞬态存储器等控制信号，并保证各信号时序上的协调。
进一步，所述DMA控制器由相互连接的计数器74LS161和数据选择器74LS157组成，所述数据选择器连接总线切换模块，所述计数器连接振荡器。
进一步，所述A/D转换器采用的型号为CA3318，所述瞬态存储器的型号为HM62256-60，所述主CPU模块201和从CPU模块202均采用ARM7单片机，主CPU模块201用于采集、存储探伤回波波形，并根据探伤工艺对采集的波形进行处理及相关分析，管理键盘208和打印模块207，主、从CPU模块202按照通信协议通过通信模块206进行信息交换。
进一步，所述导波检测仪2还包括报警模块，所述报警模块采用声光报警，与所述主CPU模块201连接。
工作方式:当超声波斜探头1做轴向检测时，超声波斜探头1做周向运动，导波经过楔块102折射，入射到轴向管壁上，当导波入射到裂纹危险性缺陷时，反射波信号强烈，波形尖锐，而当内外壁上的腐蚀坑等缺陷，其反射声压低，动态变化反应迟缓，因此容易区分；当超声波斜探头1做周向检测时，超声波斜探头1做轴向前后运动，导波经过楔块102折射，入射到轴向管壁上，当导波入射到裂纹危险性缺陷时，反射波信号强烈，波形尖锐，而当内外壁上的腐蚀坑等缺陷，其反射声压低，动态变化反应迟缓，因此容易区分。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，包括：超声波标样管、超声波斜探头、导波检测仪、上位机，所述超声波斜探头一端紧密安装在所述超声波标样管上，另一端与所述导波检测仪电连接，所述导波检测仪与所述上位机通讯连接，其中，
所述导波检测仪包括：主CPU模块、从CPU模块、主从CPU通信模块、数据采集模块、存储模块、键盘、打印模块、显示模块，所述数据采集模块、键盘分别连接所述主CPU模块的输入端，所述打印模块连接所述主CPU的输出端，所述存储模块和所述通信模块分别与所述主CPU模块双向连接，所述主CPU模块通过通信模块与上位机通信连接，所述主CPU模块通过所述主从CPU通信模块与所述从CPU模块连接，所述从CPU模块的输出端连接所述显示模块；
超声波斜探头包括：外壳、楔块、压电晶片、探头接口，所述楔块和压电晶片位于所述外壳内，所述压电晶片和所述楔块固定连接，所述楔块与所述外壳之间填充有消声材料，所述探头接口设置在所述外壳外侧，所述压电晶片通过所述探头接口与所述导波检测仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述压电晶片采用PZT5压电陶瓷，其性能参数为，密度Ρ＝1100kg/m3,压电应变常熟d＝195×10-12C/N，机电耦合系数k＝0.73，损耗因子tgδ＝0.015，所述压电晶片的尺寸为8mm×12mm，所述压电晶片上表面和下表面/侧面分别镀有银电极。
3.根据权利要求1所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述楔块的材质采用有机玻璃，所述楔块的下表面呈弧形，与所述超声波标样管紧密贴合，所述消声材料采用比例为1:3的环氧树脂与钨粉混合物。
4.根据权利要求1所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述外壳的内壁表面设有不规则凸起。
5.根据权利要求1所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述超声波标样管与实际被检验钢管具有相同的尺寸、化学成分、表面状况、热处理状态和声学性能，所述超声波标样管上设有人工缺陷。
6.根据权利要求5所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述人工缺陷包括纵向人工缺陷和横向人工缺陷，分别用于标样管轴向缺陷检测和周向缺陷检测，所述纵向人工缺陷和横向人工缺陷的形状至少为V形槽或矩形槽，其中，V型槽的夹角为60°。
7.根据权利要求1所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括前置放大器、A/D转换器、三态缓冲器、瞬态存储器、总线切换模块、DMA控制器、振荡器，所述超声波斜探头通过电缆连接所述前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端连接所述A/D转换器，所述A/D转换器的输出端连接所述三态缓冲器的输入端，所述三态缓冲器的输出端连接所述主CPU模块的输入端，所述瞬态存储器与所述A/D转换器双向连接，所述DMA控制器的输入端分别连接所述振荡器和主CPU模块，所述DMA控制器的输出端通过总线控制模块连接至所述瞬态存储器。
8.根据权利要求7所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述DMA控制器由相互连接的计数器74LS161和数据选择器74LS157组成，所述数据选择器连接总线切换模块，所述计数器连接振荡器。
9.根据权利要求7所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述A/D转换器采用的型号为CA3318，所述瞬态存储器的型号为HM62256-60，所述主CPU模块和从CPU模块均采用ARM7单片机。
10.根据权利要求1所述的一种管道超声波导波检测系统，其特征在于，所述导波检测仪还包括报警模块，所述报警模块采用声光报警，与所述主CPU模块连接。
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