CN110057826A - 用于确定管道的质量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本文中公开了一种系统，其具有光学透明基底、微处理器、数据库、配置在光学透明基底的第一侧上面的照相机以及光源，该光学透明基底具有彼此相对的第一侧和第二侧。光源以围绕照相机的环形配置在第一侧，并且操作成照亮配置在光学透明基底的第二侧的物体。此外，照相机与微处理器和数据库操作性通信。照相机操作成捕获配置在光学透明基底的第二侧上面的物体的图像。微处理器操作成由图像计算物体的尺寸和几何形状，并且便于基于标准、参数或校准图接受或拒绝物体。

Description

用于确定管道的质量的方法和系统

本申请为2013年9月13日提交的申请“用于确定管道的质量的方法和系统”（申请号：201310670515.8，申请人：阿尔斯通技术有限公司）的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年9月13日提交的美国临时申请No. 61/700,750（案卷W12/073-0）、与其同时提交的、标题为“METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING QUALITY OF TUBES”的相关美国非临时申请（序列号：13/__,__）（案卷W12/074-1），以及2012年9月13日提交的美国临时申请No. 61/700,788（案卷W12/074-0）的优先权，以上申请的公开内容均由此被全部并入。

技术领域

本公开涉及一种用于确定管道的质量的方法和系统。特别地，本公开涉及一种系统，其实现确定锅炉中使用的线性管道和弯曲管道的质量的自动方法。

背景技术

锅炉管道制造使用了各种不同尺寸的合金钢管道。管道在制造过程期间经常通过将管道围绕具有期望弯曲直径的圆模抽拉而弯曲。管道壁中的金属在弯曲过程期间移位。另外，内周和外周可在弯曲过程期间失去它们的圆度（圆形度），导致管道区段的圆度损失。

美国的美国制造工程师协会锅炉规范（ASME）和欧洲的锅炉规范规定EN两者要求检查管道弯曲的若干特性，诸如最小管道壁厚、最大管道壁厚、通过管道的流面积、椭圆度（不圆度）以及平坦点。按照ASME和EN规定的检查要求弯曲管道首先分段成若干件以暴露管道的若干横截面。这些横截面利用机械测量装备(诸如游标卡尺或千分尺)进行测量。在一些情况下，管道的横截面的图像印到一张纸上（使用油墨），并且测量是在图像上进行的。

两组锅炉规范规定（ASME和EN）详细说明必须基于测量来执行的计算，其中，每个计算值使用接受的标准。典型地，在进行管道的横截面测量和执行期望的计算之后产生检查报告。检查报告详述特定的弯曲样本是失败的还是成功的。如果由检查实验室执行，则该完整的过程可经历数日。

另外，机械测量的方法经受人为误差和在广泛使用设备的情况下出现的设备误差。因此，合乎需要的是，使用较快速且不易产生误差的方法。

发明内容

本文中公开了一种系统，其包括光学透明基底、微处理器、数据库、配置在光学透明基底的第一侧的照相机以及光源，该光学透明基底具有彼此相对的第一侧和第二侧，光源以围绕照相机的环形配置在第一侧，并且操作成照亮配置在光学透明基底的第二侧的物体；其中，照相机与微处理器和数据库操作性通信；其中，照相机操作成捕获配置在光学透明基底的第二侧上面的物体的图像；其中，微处理器操作成由图像计算物体的尺寸和几何形状，并且便于基于参数接受或拒绝物体。

本文中还公开了一种方法，其包括将线性管道的横截面区域配置在光学透明基底的第一侧；其中，横截面区域垂直于穿过横截面区域的质心的轴线；使横截面区域成像以获得图像；将图像传送至微处理器；将图像分成多个节段；测量多个节段中的每个节段的内径和外径；以及确定管道的内径、外径、质心、壁厚、不圆度和流面积。

附图说明

图1是用于测量管道的尺寸和几何形状的示例性系统的描绘；

图2描绘了用于测量弯曲管道的尺寸和几何形状的示例性方法；以及

图3描绘了用于处理和存储从照相机获得的数据的示例性系统。

具体实施方式

本文中公开了一种系统，其用于测量管道的各种特征（尺寸和几何形状）。管道可为笔直（没有任何弯曲部）或弯曲的。在示例性实施例中，系统用于测量弯曲管道的尺寸和几何形状。系统包括光学透明基底、光源、照相机、微处理器以及数据库。在一个实施例中，照相机包含微处理器并且因此与数据库通信。数据库可为计算机的一部分，并且将在下文中被称为计算机数据库。

本文中还公开了一种方法，其快速且准确地检查从管道切割的多个管道横截面，在每个横截面上执行期望的测量并且计算期望的值，诸如由ASME B31.1-2010和EN2952-5规定的值。该方法还包括为每个管道生成检查报告并且将检查数据保存至数据库。该方法可在线性管道或弯曲管道上使用。该方法还涉及存储、处理和传送计算机数据库中的数据。

该方法相比先前使用的其它方法具有显著的优点，其包括由不需要任何特定训练的人员自动收集测量值。管道几何形状的测量使用更多的测量点，并且提供了比利用游标卡尺和千分尺由手进行的测量更准确且可重复的结果。从照相机到微处理器和到数据库的测量数据的自动传送防止转录误差。复杂的数学计算的自动执行可由具有较少训练或没有训练的销售人员进行。该方法与其它传统方法相比导致手工计算误差的减少。检查报告可以以若干种语言获得。不同人类语言的说母语的人可以以他们的优选语言来使用系统和方法。检查结果可在一个小时内（这包括管道准备时间，诸如切割区段和打磨切割端部以移除锐边）获得。

图1描绘了系统100，其用于测量管道的尺寸和几何形状特性。系统100包括光学透明基底102，弯曲管道104的区段配置在光学透明基底102上面。透明基底102具有第一侧和第二侧，其中，第二侧与第一侧相对。虽然图描绘了弯曲管道，但是将注意，管道不必须为弯曲的，而是可为线性的。弯曲管道104的区段源于弯曲管道，该弯曲管道出于审查的目的已被切割成许多区段。弯曲管道104的横截面直接接触光学透明基底102的表面（在第一侧）。弯曲管道不是系统100的一部分，而是将测量其特性中的一个。照相机106配置在光学透明基底102的与第一侧相对的第二侧，弯曲管道104配置在该第一侧上面。照相机可或可不接触光学透明基底102。光源108围绕照相机106基本上同心地配置。光源108光学地照亮弯曲管道104的横截面。不透明的薄片110任选地配置在系统100的顶部之上以阻止任何外部光引起由照相机106收集的图像的扭曲。在一个实施例中，整个系统100可包封在不透明的壳体112中以阻止外部光扭曲由照相机106收集的图像（或另外引起光学像差）。不透明的壳体具有不反射的内表面并且具有开口，管道可插入穿过该开口用于成像和接着被移除。

照相机106可与微处理器和计算机数据库操作性通信。小的触摸屏监视器（照相机屏幕）容许触发检查并且观看照相机图像数据。图3是系统100的照相机、微处理器、监视器、数据库和用户显示器之间的通信描绘。照相机与微处理器操作性通信，该微处理器与监视器、用户显示器和数据库操作性通信。配置在光学透明基底上面的样品具有配置在用户显示器上的它们的图像。用户显示器可用于给图像作注解以及在获取图像之前使管道适当地位于光学透明基底上。微处理器可用于基于图像计算管道尺寸。接着，与计算一起的数据可存储在数据库上。下面提供用户界面的附加细节。在一个实施例中，操作性通信包括电通信。具有较大触摸屏监视器（主屏幕）的面板计算机提供注解、分析、质量记录生成和存储。网络连接性提供对数据和记录的外部访问。

在微处理器与数据库之间的电通信可包括电硬接线、无线通信或它们的组合。微处理器和计算机数据库可与因特网通信。在示例性实施例中，照相机106是具有图像处理能力的数字照相机（即，其包含微处理器，该微处理器包括操作成处理从由照相机记录的图像获得的数据的图像处理库）。示例性照相机可从Cognex公司购买。

照相机内的图像处理库用于图像取得、照相机通信、横截面厚度检测、质心计算以及横截面面积（液体流面积）计算。另外，图像处理库的功能通过自定义代码用于执行内径和外径测量。给定管道的中心以及多个（例如72个）内径和外径测量值，附加的自定义软件计算不圆度、壁厚、平整度；以及用于内径、外径和壁厚的统计数字（最小值，最大值，平均值）。

因此，图像处理库用于确定管道的特性，诸如例如管道的质心、管道的内径、管道的外径、管道的不圆度、壁厚、流面积以及平坦点在管道内径上的出现。数据库存储从微处理器获得的数据，并且可使用该数据来计算弯曲部的全部特征，诸如弯曲部的半径、横跨弯曲部的流面积等。在一个实施例中，系统100可包括用于控制照相机和用于显示管道横截面区域的图像和其它结果的监视器。监视器与包含数据库的计算机电通信，该数据库用于整个系统控制、注解、数据存储、报告和网络接入。

照相机106用于使配置在基底102上面的线性管道或弯曲管道的横截面成像。照相机离接触弯曲管道的横截面的基底的表面的距离“l”为已知的，并且用于测量管道的尺寸。照相机106设置有用以保持照相机在离光学透明基底的表面的固定距离“l”处的器件。这实现不同的测量值没有不同的放大倍数。

照相机106用于获取管道横截面的单个图像或多个图像，并且将这些图像传送给微处理器。在一个实施例中，照相机106用于获取管道的每个横截面区域的1至12个图像。在示例性实施例中，照相机106用于获取管道的横截面的单个图像。接着，该图像在微处理器中被处理，即，其被分成区段，并且每个区段被测量其内径和外径，之后，管道的特性（例如质心、壁厚、液体流面积等）可被测量。

合乎需要的是，基于入射在基底上面的光的强度，管道104安装在其上面的光学透明基底102具有大于75%(特别地大于85%并且更特别地大于95%)的透明度。在一个实施例中，光学透明基底可透射入射在其上面的至少75%(特别地至少85%并且更特别地至少95%）的光。光学透明基底在大小方面大体为大约6英寸×6英寸，为防刮擦的并且可由光学透明材料(诸如石英、二氧化硅、氧化铝、氧化钛、光学透明聚合物等)制造。可使用的光学透明聚合物的实例是聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺等，或包括前述聚合物中的至少一个的组合。在一个实施例中，防刮擦涂层可配置在基底上面。光学透明基底可呈弹性薄膜的形式或呈固体刚性板的形式。在一个实施例中，光学透明基底102可具有配置在其上的网格线以便于管道的定位。

如以上提到的，系统100可任选地收容在不透明壳体112中或者仅由不透明薄片110覆盖。不透明壳体112或不透明薄片110起作用以阻止外部光撞击在照相机106上并使收集的图像扭曲。不透明壳体可由木材、纺织品、金属、陶瓷或聚合物制造，只要该材料阻止光进入照相机106并且不广泛地反射来自光源108的光。

光源108优选同心地分布在照相机106周围。光源108可包括荧光源，或者可包括以环形形式布置在照相机106周围的发光二极管（LED）。合乎需要的是，使用点光源作为光源以防止由于多次反射而产生的图像扭曲。点光源以环形形式配置在照相机周围。合乎需要的是具有围绕照相机的镜头同心地布置的环形。在示例性实施例中，点光源是发光二极管（LED）。在一个实施例中，用于为照相机照亮管道横截面区域的光源108（例如光环）实际上定位成比照相机更靠近光学透明基底102。这提供了横截面区域本身的照明，同时最小化管道内表面的照明。

图2表示了测量线性或弯曲管道的特性的示例性方法。在一个实施例中，在使用系统的一种方法中，管道的横截面配置在光学透明基底102的表面上面，并且与其直接接触。线性管道首先被切割，并且切割的线性管道（即，不弯曲的管道）的横截面配置在基底102上面以确定其内径和外径。照相机106操作成获得切割的管道的横截面区域的图像，并且接着，该图像用于计算内径、外径、壁厚、不圆度、长度，以及内周或外周上的任何平坦点的面积、质心等。接着，由这些尺寸和几何形状特征产生的这些测量值和计算值存储在计算机数据库上。用于获得这些尺寸和几何形状特征的协议（即，图像处理）在下面简单地详述。如果一系列不弯曲的管道将被测量，则这些特征可计算用于每个管道并且存储在计算机数据库上。该数据可用于与其它线性管道或甚至是弯曲管道上获得的数据比较。在一个实施例中，其用作用于与弯曲管道区段比较的基线。

当弯曲管道的尺寸和特性为期望的时，管道首先弯曲成期望的尺寸。将注意，虽然评估的管道是弯曲的，但是分析的区段不全是弯曲的。确定尺寸的系统用于捕获和测量来自弯曲部内和周围的弯曲和不弯曲的横截面两者的尺寸数据。其还确定标准（标称的，不弯曲的）区段的尺寸，在计算和评估期间用作参考。

管道104的弯曲部分切割成多个区段，并且每个区段配置在透明基底102上面。在一个实施例中，弯曲管道切割成2至10个区段，特别是3至7个区段，并且每个区段的相对端部安装在光学透明基底上以使其横截面区域成像。横截面区域大体垂直于与管道壁平行的轴线，其中，该轴线穿过横截面区域的中心。合乎需要但非必要的是，管道布置成使得其中心与照相机106的中心和光源108的中心同心。在一个实施例中，管道布置成使得待成像的横截面区域的中心位于单个轴线上，该单个轴线包括照相机106的中心和光源108的几何中心。在将管道104安装在基底上(其中，其横截面区域接触光学透明基底)之后，横截面区域的图像通过照相机获取，并且传送到微处理器，其中，该图像经历如下面详述的进一步处理。

在捕获管道的一端的图像之后，可获取管道的相对端的第二图像。当第一区段的两端成像时，可捕获第二区段的图像，之后是第三区段的图像等。管道的线性区段也被切割并且配置在透明基底102上面，并且其横截面特性被测量。以该方式，线性管道或弯曲管道的若干横截面区域图像可被捕获，并且传送到微处理器用于附加的计算处理。该附加的处理在下面详述。

由照相机106获得的横截面图像被分成（在内径和外径两者方面）许多径向节段。管道104的横截面的内径和外径在这些节段中的每一个处被测量。在一个实施例中，横截面图像被分成自2至228个径向节段，特别是自24至144个径向节段，并且更特别地自48至96个径向节段。在示例性实施例中，横截面图像沿着内径和外径两者被分成72个径向节段。在一个实施例中，图像被分成多个点而非多个节段。接着，数据的分析在多个点上执行。

微处理器中的库便于计算横截面图像的平均内径和平均外径。其还计算质心、横截面图像的内径和外径的不圆度以及产生的横跨整个横截面区域的壁厚。微处理器还可计算管道内径内的流面积并且确定其位置。其还可用于计算出现在管道的内表面区域上的任何平坦点的存在并且确定其位置。

这些计算可完成用于多个标准。在一个实施例中，计算可完成用于ASME B31.1-2010和EN2952 – 5。

计算用于质心、内径、外径、不圆度、壁厚、流面积、弯曲后管壁中的最大平坦点的长度和面积等的值由微处理器传送至计算机数据库，其中，它们被存储。存储在计算机数据库上的软件程序用于计算管道的其它统计参数（例如，弯曲半径，液体流面积，液体流体积等）。

在一个实施例中，数据库操作成便于弯曲管道上获得的数据与管道的线性部分上获得的数据之间的比较。计算机监视器可用于在执行任何锅炉规范计算之前显示用于操作者认可的图像和计算的测量值。系统还容许操作者选定弯曲管道期望遵守的那个锅炉规范。系统（即，与相关的数据库一起的计算机）容许执行任何锅炉规范（包括但不受限于ASMEB31.1-2010或EN2952 - 5）期望的计算。系统操作成将锅炉规范计算的结果与规范限制比较，以确定是否每个弯曲管道区段通过或没有通过规范要求。

基于用于各种参数的特定限制(取决于参数的最小或最大限制)执行评估。这些可为来自标称值的或测量单位（英寸或毫米）中的百分比变化。评估和阈值限定在设计规范、车间过程以及客户要求中。设计规范限定了“绝对”限制；然而，特定的工作或客户限制可比设计规范限制更严格。

系统100具有许多优点。例如，单个外壳可收容系统100的所有装备。为了稳定和安全，外壳可螺栓连接于台顶(bench-top)。较小触摸屏监视器（照相机屏幕）提供了触发检查和观看照相机图像数据。具有较大触摸屏监视器（主屏幕）的面板计算机提供注解、分析、质量记录生成和存储。网络连接性提供了数据和记录的外部访问。示例性外壳为大约40英寸高、20英寸宽以及24英寸深。

系统存储照相机图像、数据以及注解。结果保存在质量记录数据库中。

操作者操作系统100的过程如下。如以上详述，弯曲部切割成多个区段。每个区段是圆的以移除毛刺和锐边。弯曲部的区段的检查和测量由系统100的监视器上的指令引导。较大触摸屏监视器（主屏幕）上的用户屏幕提供了在光学透明基底上放置第一弯曲区段的方向。操作照相机来捕获管道区段的横截面区域的图像。接着，照相机库使用如上所述的图像（例如，将图像分成区段）来捕获内径、外径、壁厚、薄点、不圆度、流面积以及面积损失，并且提供通过/失败评估以及统计值（例如，用于各种参数的平均值、最小值以及最大值）。屏幕还容许图像的注解，以及在屏幕上看到其图像的样本的识别。

当弯曲区段放置在光学透明基底上时，关于照明环（光源）的图像的横截面区域的图像出现在监视器上。该图像在此处未示出。合乎需要的是，弯曲管道的横截面区域的图像定位成近似接近照明环的图像的中心。因此，监视器给用户提供定位信息（用于弯曲管道）。例如，当弯曲管道的横截面不被适当地放置时，监视器向用户提供指示，并且可不沉溺于图像的进一步处理。另一方面，当管道的横截面被适当地放置时，监视器向用户提供合适的指示，并且将继续进一步处理图像。

在获得和处理图像（即，直径被测量，质心被计算等）之后，图像的部分可由用户注解，或者将由计算机自动注解。在一个实例中，横跨横截面区域的取样点可在图像上被识别。在另一个实例中，不正常的壁厚可使用监视屏幕上的彩色标记来识别。

监视器还指导操作者移除第一弯曲区段并且用弯曲管道的第二弯曲区段替换它。随着监视器指导操作者执行进行中的每个步骤，以上过程被重复。以相似的方式，来自其它弯曲区段的节段可被测量和定性。

当弯曲区段已被测量时，操作者选择屏幕上的“切换观看”操作，并且屏幕促使操作者测量没有弯曲的管道的特性。图像如以上详述地处理。管道样品的未弯曲部分用于与弯曲管道样品比较以检查壁增厚、变薄、面积损失以及其它尺寸特征和变化。笔直的未弯曲管道的测量可在管道弯曲之前或之后完成。因此，系统能够测量和评估由于弯曲过程而产生的扭曲。其还可向用户发布通过/失败信息。数据保存到数据库用于进一步的编译和用于通过互联网与其它用户共享。

因此，总的说来，对于每个弯曲区段，系统（经由监视器屏幕）指导操作者首先将弯曲部的横截面区域放置在光学透明基底上。系统获得第一图像并且处理该图像。在此之后，系统在屏幕上指导操作者放置没有弯曲的横截面区域。系统获得第一图像并且处理该图像。从两个图像获得的尺寸被比较以获得通过/失败信息。数据可由操作者检阅并且存储在数据库上，打出到纸张上或光盘上以提供硬拷贝，在此之后，下一个弯曲区段可被审查。以该方式，多个弯曲区段可被快速定性。

在一个实施例中，系统操作成将来自多个管道横截面的计算结果组合到与线性管道或弯曲管道一致的锅炉规范的整个计算中。计算机监视器容许显示并且编译每个管道横截面的图像，以测量值和位置注解到检查报告中。计算机数据库操作成保存所有关键的测量的和计算的数据，并且该数据可存储、操纵或总结到质量记录数据库中。数据库可用于在任何期望的时间生成检查报告，并且该报告的内容可取决于由操作者选定的锅炉规范的要求来改写。数据库操作成以各种不同的命令语言（例如，英语、德语和中文）提供检查报告。检查报告可以以各种不同的格式（例如，PDF、HTML等）生成。计算机数据库还可引导不熟悉锅炉规范的操作者通过进行所有期望的测量并生成检查报告的过程来与计算一致。

虽然已参考一些实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可作出各种变化，并且等同物可替换其元素，而不背离本发明的范围。另外，可作出许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导而不背离其实质范围。因此，意图是，本发明不受限于公开为设想用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种系统，其包括：

光学透明基底，其具有彼此相对的第一侧和第二侧；

微处理器；

数据库；

照相机，其配置在所述光学透明基底的第一侧上面；以及

光源；所述光源配置在所述第一侧，并且操作成照亮配置在所述光学透明基底的第二侧的物体；

其中，所述照相机与所述微处理器和所述数据库操作性通信；

其中，所述照相机操作成捕获配置在所述光学透明基底的第二侧上面的物体的图像；

其中，所述微处理器操作成由所述图像计算所述物体的尺寸和几何形状，并且便于基于参数接受或拒绝所述物体。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体从由线性管道和弯曲管道组成的组中选定。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学透明基底从由石英、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺及它们的组合组成的组中选定。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源包括以环形布置在所述照相机周围的多个点发光源。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，整个系统包封在具有开口的不透明壳体中，所述开口用于将所述物体引入和移除。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像是管道的横截面区域。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照相机与所述微处理器和所述数据库电通信；并且其中，所述电通信从由电硬接线、无线通信或它们的组合组成的组中选定。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，标准是ASME B31.1-2010或EN2952-5。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述微处理器包括用于所述管道的图像处理库。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，系统操作成计算从由所述管道的内径、外径、壁厚、不圆度、流面积以及所述管道的内表面上的平坦点的大小组成的组中选定的值。

11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统操作成执行锅炉规范要求的计算。

12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统操作成计算并且将来自多个管道横截面的结果编译到与弯曲管道一致的锅炉规范的全部计算中。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括不透明的盖，其阻止外部光撞击在所述系统上并干扰所述图像。

14.一种方法，其包括：

将管道的横截面区域配置在光学透明基底的第一侧；其中，所述横截面区域垂直于穿过所述横截面区域的质心的轴线；

使所述横截面区域成像以获得图像；

将所述图像传送至微处理器；

将所述图像分成多个节段；

测量所述多个节段中的每个节段的参数；以及

确定从由所述管道的内径、外径、质心、壁厚、不圆度和流面积组成的组中选定的值。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括使所述管道弯曲以形成弯曲的管道。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述弯曲管道的弯曲部分切割成许多区段。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括使每个弯曲部分的相对的横截面区域成像以获得所述横截面区域的图像。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括执行锅炉规范要求的计算。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括计算并且将来自多个弯曲管道横截面的结果编译到与所述弯曲管道一致的锅炉规范的全部计算中。