CN109307714B - 主被动声融合的储罐底板全域检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主被动声融合的储罐底板全域检测系统，该储罐底板全域检测系统将一个本安防水型传感器或一个由多个本安防水型传感器形成的传感器阵列投放到储罐内部的底板中心区域，与均匀布置在罐底边缘板上的声波传感器共同监测储罐，同时采集主动声激励调制信号和被动声发射信号，能够完成频域和时域信息融合分析处理，形成储罐底板缺陷位置分布、尺寸大小和腐蚀活跃程度的图像，特别适用于大型储罐的检测。本发明改变了传统超声导波技术的传感器逐点检测模式，采用声信号激励模式以及缺陷调制信号提取方式的主动声激励检测方法，提高检测覆盖范围；融合被动声发射检测方法对储罐底板进行检测，将大大提高检测效率，评价结果更全面直观可靠。
Description
技术领域
本发明属于储罐检测技术领域，涉及一种主被动声融合的储罐底板全域检测系统。
背景技术
超声导波和声发射是可以实现不开罐不停产的储罐底板在线检测的技术。其中：
超声导波是主动声技术，测试系统表现为将传感器置于打磨过的罐底边缘板上，在导波收发器的控制下，传感器主动发出脉冲信号到罐底板中激发Lamb波，当Lamb波遇到缺陷时，形成回波，通过分析回波信号可以比较精确地计算出缺陷的位置。如此将传感器沿着罐底边缘板运行一周，进行逐点检测，获得多个方向的检测数据，最后再由计算机完成数据的融合，形成罐底板缺陷分布图像，可以表征底板的腐蚀损伤部位。
声发射是被动声技术，测试系统表现为在储罐外壁近底板处均布一定数量的传感器进行被动听声，由同轴电缆连到声发射仪上，由上位机处理数据，通过各传感器接收到声发射信号的时间差综合估算声源位置，了解罐底各区域的腐蚀状况，定性评估底板的腐蚀活性状态。
可见，超声导波和声发射系统均可通过在底部布置传感器对储罐底板进行检测。超声导波检测的是储罐底板已经形成的腐蚀缺陷，目的在于检测出底板已形成腐蚀部位定量评价减薄量；声发射技术检测储罐底板正在发生腐蚀部位的活跃程度，目的在于找出腐蚀正在发生的部位定性评估活度。两种检测技术的侧重点和得到的结果不同，但最终目的均为明确储罐的状态能否安全运行。已形成腐蚀缺陷的的部位不一定正在发生腐蚀，腐蚀活跃的部位不一定剩余厚度小。
由于现有技术中的超声导波系统只能确定罐底缺陷位置，尚不能得到具体尺寸，而声发射系统仅能检测罐底腐蚀活性，在利用超声导波与声发射系统对储罐底板进行在线检测时可能出现评价结果不全面的问题。
此外，由于超声导波技术需要将传感器沿着罐底边缘板运行一周，进行逐点检测，因此超声导波技术具有监测效率低下、声波衰减检测覆盖范围较小等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提出一种主被动声融合的储罐底板全域检测系统，以提高检测系统的检测覆盖范围和检测效率，同时使得评价结果更加全面直观可靠。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
主被动声融合的储罐底板全域检测系统，包括声波传感器、采集卡和上位机；
所述声波传感器有多个；其中，部分声波传感器均匀布置在储罐外部的罐底边缘板上，部分声波传感器布置在储罐内部的底板中心区域；
每个声波传感器内置一个采集卡；
采集卡上集成有主动声激励模块、数据采集模块、中央处理单元和无线通讯模块；其中：
主动声激励模块和数据采集模块分别与中央处理单元连接；
中央处理单元与无线通讯模块连接；
无线通讯模块与上位机之间设有无线网关并通过所述无线网关连接。
优选地，所述声波传感器与罐底边缘板之间通过耦合剂紧密贴合；
声波传感器与储罐内部的底板之间通过储罐存储介质耦合。
优选地，布置在储罐内部的底板中心区域的声波传感器为本安防水型传感器。
优选地，所述主动声激励模块被配置为用于激发声波传感器在罐底产生主动声激励波。
优选地，所述主动声激励波的频率范围为20kHz-500kHz。
优选地，所述声波传感器被配置为用于接收主动声激励调制信号和被动声发射信号；
其中，主动声激励调制信号是主动声激励波经罐底缺陷调制后触发传感器得到的；
被动声发射信号是由罐底腐蚀活性缺陷发出的被动声发射波触发传感器得到的。
优选地，所述数据采集模块被配置为用于采集经由声波传感器接收的主动声激励调制信号和被动声发射信号，然后将采集到的信号进行数字化处理后发送给中央处理单元。
优选地，中央处理单元被配置为用于控制主动声激励模块和数据采集模块，同时对信号进行处理得到缺陷信息数据，然后将相应的缺陷信息数据通过无线通讯模块上传给上位机。
优选地，，所述上位机被配置为用于对缺陷信息数据进行解调：
通过解调信号在每个检测节点上的能量分布确定缺陷的位置，通过检测波信号不规则传播情况、波形参数和频谱形态识别缺陷的基本尺寸；
同时上位机还被配置为用于对采集的主动声激励调制信号和被动声发射信号进行频域和时域的信号融合，通过层析成像技术对各个声波传感器接收到的信号进行图像重建，得到储罐底板腐蚀的缺陷位置和尺寸，通过定位算法、根据定位事件数获得正在发生腐蚀区域腐蚀活跃程度分布；
同时上位机读取储罐工艺参数，实现对储罐底板腐蚀状态的综合分析和评价。
优选地，所述全域检测系统还包括用于将声波传感器投放到储罐内部的底板中心区域的投放装置；所述投放装置包括中心杆、圆形底座、固定环和移动环；
中心杆安装在圆形底座上，固定环和移动环均套置于中心杆上；
固定环在中心杆上为固定设置；
移动环位于固定环的上方且能沿所述中心杆上下滑动；
在圆形底座的周圈上设有若干个臂杆铰接座，在每个臂杆铰接座上安装一个臂杆；
在移动环的周圈上对应上述臂杆铰接座设有相等数量的一号支撑杆铰接座；
在每个臂杆的中部位置设有一个二号支撑杆铰接座；
在每个一号支撑杆铰接座与对应的一个二号支撑杆铰接座之间安装一个支撑杆；
在圆形底座以及每个臂杆上均可设置声波传感器。
本发明具有如下优点：
本发明将一个本安防水型传感器或一个由多个本安防水型传感器形成的传感器阵列投放到储罐内部的底板中心区域，与均匀布置在罐底边缘板上的声波传感器共同监测储罐，同时采集主动声激励调制信号和被动声发射信号，完成频域和时域信息融合分析处理，形成储罐底板缺陷位置分布、尺寸大小和腐蚀活跃程度(活度)的图像。本发明改变了传统超声导波技术的传感器逐点检测模式，采用声信号激励模式以及缺陷调制信号提取方式的主动声激励检测方法，提高检测覆盖范围；融合被动声发射检测方法对储罐底板进行检测，将大大提高检测效率，同时评价结果更直观可靠。此外，本发明采用无线通讯模块传输检测数据，可实现远程监测，并可进行长期全天候监测。另外，由于本发明的储罐内部的底板中心区域以及储罐的罐底边缘板上均设有声波传感器，因而能够全面覆盖储罐的底板检测范围，适应于大型储罐的监测。
附图说明
图1为本发明实施例1中主被动声融合的储罐底板全域检测系统的结构框图；
图2为本发明实施例1中无线网关的结构框图；
图3为本发明实施例1中声波传感器的布置结构图；
图4为图3中声波传感器布置结构的俯视图；
图5为本发明实施例3中投放装置处于收纳状态时的侧视图；
图6为本发明实施例3中投放装置处于投放状态时的侧视图；
图7为本发明实施例3中投放装置处于投放状态时的俯视图；
图8为本发明实施例4中主被动声融合的储罐底板全域检测方法的流程框图；
图9为本发明中储罐底板的缺陷分布和腐蚀活跃程度分布图；
其中：1-声波传感器，2-采集卡，3-上位机，4-主动声激励模块，5-数据采集模块，6-中央处理单元，7-储罐工控系统，8-储罐，9-罐底边缘板；
10-无线通讯模块，11-无线网关，12-无线通讯模块，13-TCP/IP协议转换模块，14-中心杆，15-圆形底座，16-固定环，17-移动环，18-臂杆铰接座，19-臂杆；
20-一号支撑杆铰接座，21-二号支撑杆铰接座，22-支撑杆。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1
结合图1所示，主被动声融合的储罐底板全域检测系统，包括声波传感器1、采集卡2和上位机3。本实施例1中的声波传感器1同时具有接收和发射声波功能。
声波传感器1有多个，部分声波传感器1均匀布置在储罐8外部的罐底边缘板9上，如图3和图4所示，还有部分声波传感器1投放到储罐内部底板中心区域。
优选地，投放到储罐内部底板中心区域的声波传感器采用本安防水型传感器。
通过分别在罐内部底板中心区域和储罐8的罐底边缘板9上布置上述声波传感器，能够全面覆盖储罐的底板检测范围，进而对储罐的底板缺陷情况进行主被动声波检测。
本实施例1中每个声波传感器1内置一个采集卡。
采集卡2上集成有主动声激励模块4、数据采集模块5、中央处理单元6和无线通讯模块10。其中，主动声激励模块4和数据采集模块5分别与中央处理单元6连接。
中央处理单元6与无线通讯模块10连接。
无线通讯模块10与上位机3之间设有无线网关11并通过所述无线网关连接。
由于上述无线通讯模块10和无线网关11的设置，改变了传感器1和采集通道的一一对应，省去了声波传感器1与采集卡2之间需要布置的大量同轴电缆，以及省去了采集卡2与上位机3之间需要连接的信号线，可实现远程监测，并可进行长期全天候监测。
如图2所示，无线网关包括无线通讯模块12和TCP/IP协议转换模块13，其中，无线通讯模块12与无线通讯模块10之间建立无线通讯，TCP/IP协议转换模块13与上位机相连。
主动声激励模块4被配置为用于激发声波传感器1在罐底产生主动声激励波。产生的主动声激励波包括低频声波和高频声波，具体视储罐的结构和规格而定。
声波传感器1被配置为用于接收主动声激励调制信号和被动声发射信号。其中：
主动声激励调制信号是主动声激励波经罐底缺陷调制后触发传感器得到的；
被动声发射信号是由罐底腐蚀活性缺陷发出的被动声发射波触发传感器1得到的。
数据采集模块5被配置为用于采集经由声波传感器1接收的主动声激励调制信号和被动声发射信号，然后将采集到的信号进行数字化处理后发送给中央处理单元6。
中央处理单元6被配置为用于控制主动声激励模块4和数据采集模块5，同时对信号进行处理得到缺陷信息数据，然后将相应的缺陷信息数据通过无线通讯模块上传给上位机。
此处，中央处理单元6对信号的处理分析主要是值基本滤波。
其中，缺陷信息数据可以在上位机被处理分析，得到缺陷的位置、尺寸大小以及缺陷的腐蚀活性等。
上位机3被配置为用于对接收的缺陷信息数据进行解调：
通过解调信号在每个检测节点上的能量分布确定缺陷的位置，通过检测波信号不规则传播情况、波形参数和频谱形态识别缺陷的基本尺寸。
每个检测节点即对应于在储罐的罐底边缘板上布置的一个声波传感器1。
同时上位机3还被配置为用于对采集的主动声激励调制信号和被动声发射信号进行频域和时域的信号融合，通过层析成像技术对各个声波传感器接收到的信号进行图像重建，得到储罐底板腐蚀的缺陷位置和尺寸，通过定位算法获得正在发生腐蚀区域分布；
其中，对主被动声发射信号融合的过程就是将这些信号按照时域序列进行分析处理的过程，通过将一个缺陷的主动声激励调制信号和被动声发射信号融为一个集合，从而对该缺陷的所有集合信号进行定性和定量分析，以得到缺陷的活性和尺寸。
同时上位机3读取储罐工艺参数，实现对储罐底板腐蚀状态的综合分析和评价。
本实施例1中的储罐工艺参数存储于储罐工控系统7中，上位机3通过读取的方式从储罐工控系统中获得储罐工艺参数，储罐工艺参数包括液位、温度等参数。
优选地，声波传感器1与罐底边缘板之间通过耦合剂紧密贴合，以提高检测效果。
针对典型储罐规格，本实施例1还分别设计不同尺寸、不同线圈结构的声波传感器，进行不同频率声波激励试验，从而选出检测效果好的声波传感器及激励频率。
本实施例1中的检测系统相比于现有技术具有如下优势：
1、利用声波传感器进行主动声激励信号的发和收，同时对被动声发射信号进行接收，改变了传统超声导波系统的传感器逐点检测模式，提高了检测效率。
2、将声波传感器投放到储罐的内部底板中心区域，与储罐外部罐底边缘板上布置的声波传感器形成阵列，共同监测储罐底板的腐蚀状态，提高了主被动声检测覆盖的范围，解决了大型储罐中心区域难以检测的问题。
3、优选传感器参数和主动声激励频率，提高了主动声激励检测系统覆盖范围。
4、融合主被动声形成储罐底板检测系统，经过频域和时域的主被动声信号融合，通过层析成像技术对罐底边缘板上各个声波传感器接收到的信号进行图像重建，得到储罐底板腐蚀的缺陷分布，另外通过定位算法可以获得正在发生腐蚀区域分布。
5、采用无线通讯模式传输检测数据，改变了传感器和通道一一对应，解决了大量布线的弊端，可实现远程监测，并可进行长期全天候监测。
本实施例1能够获得储罐底板腐蚀缺陷的位置、尺寸和腐蚀活性，评价结果更直观可靠。
实施例2
本实施例2述及了一种主被动声融合的储罐底板全域检测系统，该实施例2除以下技术特征与上述实施例1不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1。
由于声波模态数随频率的增大而增加，采用多个窄带激励信号作为激励波，可以抑制被激励波的多模态，降低监测的复杂性。本实施例2中频率范围为20kHz-500kHz，此范围内的激励波衰减较慢，可选择该频段作为主动声激励波的频率范围。
实施例3
本实施例3述及了一种主被动声融合的储罐底板全域检测系统，该实施例3除以下技术特征与上述实施例1或2不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1或2。
本实施例3还增加了用于将声波传感器投放到储罐内部的底板中心区域的投放装置。
如图5至图7所示，投放装置包括中心杆14、圆形底座15、固定环16和移动环17。
中心杆14安装在圆形底座15上，固定环16和移动环17均套置于中心杆14上。
固定环16在中心杆14上为固定设置。
移动环17位于固定环16的上方且能沿中心杆14上下滑动。
在圆形底座15的周圈上设有若干个臂杆铰接座，例如臂杆铰接座18，在每个臂杆铰接座18上安装一个臂杆19。
在移动环17的周圈上对应臂杆铰接座18设有相等数量的一号支撑杆铰接座20。
在每个臂杆19的中部位置设有一个二号支撑杆铰接座21。
在每个一号支撑杆铰接座20与对应的一个二号支撑杆铰接座21之间安装一个支撑杆22。
在圆形底座15以及每个臂杆19上均可设置声波传感器1。
例如，当仅需要投放1个声波传感器时，可以将该声波传感器设置在圆形底座15处，当储罐的体积较大时，可以在圆形底座15和各个臂杆19上均设置声波传感器1。
当投放装置未进行投放之前，处于收纳状态，如图5所示。
当需要将声波传感器投放到储罐内部的底板中心区域时，移动环17沿中心杆14向下滑动，各个臂杆19依次展开，从而实现了声波传感器1的投放，如图6和图7所示。
本实施例3中的投放装置可以是手动控制，也可以是电动控制。例如：
当投放装置采用电动控制时，可以为移动环17配置一个推拉机构，该推拉机构的信号线连接到上位机3上。当需要投放声波传感器时，只需要通过上位机3发出指令，即可控制推拉机构推动移动环17向下移动，进而实现各声波传感器的投放；当储罐检测完成后，可以通过上位机3发出指令，由推拉机构拉动移动环17向上运动即可。
此外，在每个臂杆19上设置的声波传感器1数量可以根据储罐的大小而定。例如，当储罐太大时，臂杆19加长，同时在臂杆19上沿其长度方向上依次设置多个声波传感器。
实施例4
本实施例4述及了一种主被动声融合的储罐底板全域检测方法，该方法采用的检测系统可采用如上述实施例1、2或3中的主被动声融合的储罐底板全域检测系统。
如图8所示，本实施例4中主被动声融合的储罐底板全域检测方法包括如下步骤：
一、安装过程：
首先将由多个声波传感器1组成的传感器阵列布置在打磨好的外部罐底边缘板上，通过耦合剂紧密贴合；同时向储罐的内部底板中心区域投放本安防水型传感器，通过储罐内存储介质耦合，形成传感器阵列。
二、检测过程：
1.首先上位机发出采集指令，无线通讯模块接收指令并传递给中央处理单元；
中央处理单元6向主动声激励模块4发出激发指令，由主动声激励模块4激发声波传感器1在罐底产生主动声激励波；
2.上述主动声激励波经罐底缺陷调制后得到主动声激励调制信号，而由罐底腐蚀活性缺陷还可以发出被动声发射信号，这两种信号通过声波传感器1接收；
3.声波传感器1将主动声激励调制信号和被动声发射信号发送给数据采集模块5；
4.数据采集模块5将采集到的信号进行数字化处理然后发送至中央处理单元6；
5.中央处理单元6对接收的信号进行处理，得到储罐的罐底缺陷信息数据，然后将该缺陷信息数据通过无线通讯模块10发送至上位机3；
6.上位机3对缺陷信息数据进行解调，通过解调信号在每个检测节点上的能量分布确定缺陷的位置，通过检测波信号不规则传播情况、波形参数和频谱形态识别缺陷的基本尺寸；
同时上位机3还对采集的主动声激励调制信号和被动声发射信号进行频域和时域的信号融合，通过层析成像技术对各个声波传感器接收到的信号进行图像重建，得到储罐底板腐蚀的缺陷位置和尺寸，通过定位算法获得正在发生腐蚀区域分布，如图9所示：
其中，平面的灰色云图就是已形成缺陷分布灰色柱状图是腐蚀活跃程度的分布，“X”方向、“Y”方向分别为储罐底板所处水平面的两个坐标方向，事件数表示腐蚀活跃程度，“N#”表示编号为N的传感器，N的取值为自然数。
同时上位机3读取储罐工艺参数，实现对储罐底板腐蚀状态的综合分析和评价。
7.最后关闭无线通讯模块，断开与上位机的通讯连接。
本实施例4通过同时采集主动声激励调制信号和被动声发射信号，能够完成频域和时域信息融合分析处理，从而形成储罐底板缺陷分布和腐蚀活跃程度(活度)的图像。
本发明有效解决了现有技术中超声导波技术只能检测罐底已有腐蚀缺陷位置，而声发射系统仅能检测罐底正在腐蚀区域的活度，而导致的对储罐底板进行在线检测可能出现评价结果不全面的问题，以及超声导波技术的逐点检测效率低和声波衰减检测范围小的问题。采用无线通讯模块传输检测数据，改变了传感器和通道一一对应，解决了大量布线的弊端。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (8)
1.主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，包括声波传感器、采集卡和上位机；所述声波传感器有多个；其中，部分声波传感器均匀布置在储罐外部的罐底边缘板上，部分声波传感器布置在储罐内部的底板中心区域；
每个声波传感器内置一个采集卡；
采集卡上集成有主动声激励模块、数据采集模块、中央处理单元和无线通讯模块；其中：
主动声激励模块和数据采集模块分别与中央处理单元连接；
中央处理单元与无线通讯模块连接；
无线通讯模块与上位机之间设有无线网关并通过所述无线网关连接；
所述全域检测系统还包括用于将声波传感器投放到储罐内部的底板中心区域的投放装置；
所述投放装置包括中心杆、圆形底座、固定环和移动环；
中心杆安装在圆形底座上，固定环和移动环均套置于中心杆上；
固定环在中心杆上为固定设置；
移动环位于固定环的上方且能沿所述中心杆上下滑动；
在圆形底座的周圈上设有若干个臂杆铰接座，在每个臂杆铰接座上安装一个臂杆；
在移动环的周圈上对应上述臂杆铰接座设有相等数量的一号支撑杆铰接座；
在每个臂杆的中部位置设有一个二号支撑杆铰接座；
在每个一号支撑杆铰接座与对应的一个二号支撑杆铰接座之间安装一个支撑杆；
在圆形底座以及每个臂杆上均可设置声波传感器；
所述声波传感器与罐底边缘板之间通过耦合剂紧密贴合；
声波传感器与储罐内部的底板之间通过储罐存储介质耦合。
2.根据权利要求1所述的主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，布置在储罐内部的底板中心区域的声波传感器为本安防水型传感器。
3.根据权利要求1所述的主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，所述主动声激励模块被配置为用于激发声波传感器在罐底产生主动声激励波。
4.根据权利要求3所述的主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，所述主动声激励波的频率范围为20kHz-500kHz。
5.根据权利要求3所述的主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，所述声波传感器被配置为用于接收主动声激励调制信号和被动声发射信号；其中：
主动声激励调制信号是主动声激励波经罐底缺陷调制后触发传感器得到的；
被动声发射信号是由罐底腐蚀活性缺陷发出的被动声发射波触发传感器得到的。
6.根据权利要求5所述的主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，所述数据采集模块被配置为用于采集经由声波传感器接收的主动声激励调制信号和被动声发射信号，然后将采集到的信号进行数字化处理后发送给中央处理单元。
7.根据权利要求6所述的主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，所述中央处理单元被配置为用于控制主动声激励模块和数据采集模块，同时对信号进行处理得到缺陷信息数据，然后将相应的缺陷信息数据通过无线通讯模块上传给上位机。
8.根据权利要求7所述的主被动声融合的储罐底板全域检测系统，其特征在于，所述上位机被配置为用于对接收的缺陷信息数据进行解调：
通过解调信号在每个检测节点上的能量分布确定缺陷的位置，通过检测波信号不规则传播情况、波形参数和频谱形态识别缺陷的基本尺寸；
同时上位机还被配置为用于对采集的主动声激励调制信号和被动声发射信号进行频域和时域的信号融合，通过层析成像技术对各个声波传感器接收到的信号进行图像重建，得到储罐底板腐蚀的缺陷位置和尺寸，通过定位算法、根据定位事件数获得正在发生腐蚀区域腐蚀活跃程度分布；
同时上位机读取储罐工艺参数，实现对储罐底板腐蚀状态的综合分析和评价。
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