CN110857852A - 用于对金属材料、纤维增强塑料或混合材料制成的结构和/或空心体进行无损结构监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对金属材料、纤维增强塑料或混合材料制成的结构和/或空心体进行无损结构监测系统，智能传感器和无线单元允许连续监测，提供通过无损检测获得的数据。相应地，本发明还提供了一种使用智能传感器和无线单元的组合对样本进行无损检测的方法，智能传感器和无线单元能够实现连续监测，提供通过无损检测获得的数据。一个特殊方面是，本系统或程序还具备自我认证的设计。

Description

用于对金属材料、纤维增强塑料或混合材料制成的结构和/或 空心体进行无损结构监测系统
技术领域
本发明涉及一种使用传感器和无线单元的组合对样品进行无损检测的系统，该系统可以实现连续监测，并提供通过无损检测获得的数据。相应地，本发明还提供了一种使用传感器和无线单元的组合对样本进行无损检测的方法，该方法能够实现连续监测，并提供通过无损检测获得的数据。
背景技术
金属空心体(诸如管道或反应器)广泛用于化学工业中。通常，由于金属空心体中有待运输的材料或即将产生的化学反应，因此需要对其进行连续的结构监测，以确保例如内部的沉积物不会影响材料的运输或热传导等。这还与及时检测壁厚的可能减小量有关，例如利用钢管来运输高腐蚀性或高磨蚀性材料。人工监测过程费力、费时并且成本高，因为对于足够精确的检查，通常必须关闭待监测的系统并清空系统的一部分，或者必须安装测量设备(例如，复杂的传统监测方法有外部视觉监测，内窥相机检查，X射线监测)。只有这样才能进行测试，测试通常不能无损地进行，因为样品需要从系统中去除然后才能对其进行分析以达到检测目的。此外，这种监测和测试方法使得在运行期间难以可靠地估计何时需要更换工厂的部件或者例如，何时需要去除内部沉积物。这种不确定性导致成本很高，因为一方面，零件在其必需更换之前就对其进行了更换(以确保工厂安全)，另一方面，进行人工检查的间隔较短。对于可能的自动监测的另一个特殊要求是，可能需要所使用的传感器具有自我认证和故障监测功能。即使没有人工干预，这样的系统也可以检查传感器的测量精度和传感器免受干扰，以确保测量结果的可靠性达到如下程度，例如，即使没有人工检查，也可能进行认证。出于职业安全的原因，使工作/出勤的员工尽可能地远离危险区域也很重要。
在结构健康监测(SHM)领域，例如飞机建造领域，已经开发了无损技术。无损检测使得检测各种类型和尺寸的缺陷并确定材料特性成为可能。传统的对例如纤维增强塑料样品样本进行无损检测的技术包括超声波检测和热成像检测。例如，在脉冲回波超声波无损检测中，脉冲穿过样品并从样品的另一个表面反射回来。脉冲会被样品内的缺陷反射，吸收或分散，因此从另一个表面反射回来的脉冲会减少。这种存在问题的结构是损伤反应和损伤监测。在本文中，SHM方法是一种利用单独使用的元件来采集测量信号的方法。这种信号采集既发生在非使用中的结构上，也发生在使用中的结构上。
GB 2 544 108 A1、DE 196 06 083 A1和DE 2 035 777揭示了用于确定壁厚的方法。
发明目的
由于这种结构监测系统的相关性，例如，对于由钢制成的管道和反应器或者化学工业中广泛使用的由纤维增强塑料制成的管道、反应器和其它结构而言，需要更加先进的SHM系统。通常，在这种管道和反应器中运输和转化高腐蚀性和/或有毒的组合物，使得密切监测结构完整性对于避免损坏是很重要的。一个特别的挑战在于金属元素以及纤维复合材料不能从外部进行光学监测。
因此，本发明的目的在于提供一种用于结构监测的系统和程序，其无损地监测这种工厂或部件的结构完整性，并将获得的数据传输到中央数据处理单元，以便可以进行自动连续的采集和评估。
发明内容
因此，本发明中用于无损状态监测的的系统包括权利要求1中所限定的部件。在从属权利要求中示出了优选的配置。尽管参照下列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精神和范围。
具体实施方式
根据本发明的系统包括至少一个结构，如空心体(管道，导管，反应器)或由金属材料(优选钢)或纤维复合材料(如GRP(玻璃纤维增强塑料)或CRP(碳纤维增强塑料)制成的类似物。另一种可能的替代方案是该结构应由某种混合材料构成，例如表面涂有塑料涂层(例如聚丙烯)的GRP管。该结构是待监测的部件。所述空心体还设有传感器，所述传感器与待监测的结构相配合地连接。
待监测的结构(空心体，反应器等)可以是化学工业中的工厂，炼油厂，管道，海上结构，例如(石油平台，或其他平台，泵站等)。这些结构可以在地上，地下甚至在水下。本发明的一个优点是，例如，也可以在不需要土方工程的情况下监测埋在地下的建筑物。
该智能传感器在下文中称为超声波传感器，并且具体包括探头和控制器单元。，该传感器的原理是本领域技术人员所熟知的。该传感器用于测量空心体的厚度，即壁厚。超声波测量技术是对空心体(也称为样品本体)的声时测量。公知地，考虑到测量的温度依赖性(这可以通过合适的校正程序用数学方法考虑)，可以根据信号的特定传播时间计算/确定厚度/壁厚。由于对于该测量点而言原始壁厚是已知的(或者可以在附接传感器之前确定)，因此可以通过定期测量来可靠地检测变化。本发明的系统可以在很宽的温度范围内进行测量。优选的温度范围是20℃至150℃，更优选值为50℃至120℃，更优选值为70℃至100℃。根据本发明，只要使用合适的超声波探头，也可以将温度范围扩展到约400℃。
根据本发明，超声脉冲通过样本所需的时间是确定的。由于在安装在建筑物中之前，样本的材料成分(例如合金成分和相应的材料常数，或者在纤维复合材料的情况下，基质材料的类型和纤维增强的类型，以及相应的材料常数)和样本的状态(例如壁厚，内径和外径)是已知的，所以与该状态的偏差可以通过传播时间来检测。由于温度也可以通过根据本发明的传感器系统记录，因此可以非常精确地确定壁厚(或确定干扰的发生)。由于温度干扰造成的影响可以被精确地校正，这里所描述的评估单元可以通过考虑材料特性和记录的变量来执行精确的计算。已经证明，例如，可以以这种方式很好地检测内部中可能导致内径减少和流扰动的沉积物(即壁厚增加)。还可以检测由于磨损或腐蚀造成的壁厚减小。通过本发明的系统可以高精度地检测这种与目标状态的偏差。优点是单侧可访问性完全足以用于结构监测。
根据本发明，这种传感器与所述待监测部件形状相配合地连接，这可以在设计部件期间完成。但是，也可以改装已安装的部件。已证明例如通过使用小型设备，(金属)带或夹具进行的牢固连接，甚至焊接，都是合适的。然而，例如，也可以使用环氧树脂材料将这种传感器粘合到待监测的样本上。同时，这也能够在运行期间实现状态监测，因为检测到的振幅变化可以清楚地表明该传感器与部件的连接不再充分(即传感器至少部分脱离了自身；这也适用于下面描述的优选设计)。
探头的几何形状可以根据要监测的样本来选择。在本发明的一种形式中，金属试件和塑料基试件(即待监测的结构)中的焊缝也可以根据本发明的原理进行监测。这里，在公开内容的上下文中描述的壁厚确定或厚度确定可以被理解为监测焊缝的完整性(即，焊缝是否完整并且没有瑕疵或缺陷，即，例如焊缝的“壁强度/厚度”是否对应于管道的壁厚)。优选使用角度探头来避免与可能不均匀的焊缝的耦合问题/连接问题。同时，这克服了以下缺点：当使用传统探头时，无法十分清晰地检测垂直于声音路径的损坏。然而，特别是考虑到以下说明，本发明还可用于焊缝的自我认证监测。
然而，这种监测的一个问题是，如果测量结果表明壁厚存在偏差，则不能最终确定这些测量结果实际上是正确的。使用超声波系统来安全地监测具有超薄壁厚(例如2mm或更薄)的管道等通常也是有问题的。
有证据表明，通过对传感器进行相对简单的修改也可以克服这些问题。为此目的，传感器探头不直接作用于待监测结构，而是在传感器和结构之间设置一层塑料，例如聚碳酸酯。对这种塑料零件的唯一要求是该零件需要在其所附着的结构的相应温度下是稳定的(即结构在正常运行期间的温度)。这可以以如下方式完成：该材料以限定的长度设置(合适的长度为从几毫米至约一厘米，例如3至10mm，优选5至10mm，执行形式为5至小于10mm)在传感器上(这样材料可在建筑物和传感器探头之间使用)。这种材料层导致信号延迟，因为传感器发射的脉冲必须首先穿过该材料层，然后才能通过待监测的结构。同时，实现了样本和探头之间的热隔离。现在有证据表明，由于该材料层，优选塑料层，在使用传感器期间原则上不发生变化，所以相关的延迟(信号通过该进给路径所需的时间)是一个被测量，其允许监测传感器的功能和传感器免受干扰(因为进给路径的几何形状保持不变，因此其可以用作测量标准)。这里描述的延迟可以在使用传感器之前确定为测量变量(例如，这里，认证机构可以确定测量变量，以便整个系统的认证成为可能，该整个系统在运行期间需要连续自我认证)。可以针对每次测量再次确定该延迟。只有当有效运行中测量的值与输入处确定(并且认证，如果可以实施)的值匹配时，才能确保传感器无故障运行。如果不是这种情况，则可以从远程位置，必要时通过软件导入或其他校正机制，特别是通过与下面更详细描述的无线单元的组合，来抑制传感器(即，消除干扰/故障)。在任何情况下，该功能都与以下事实相关：可以在无需进行人工现场检测的情况下明确确定传感器不处于无故障工作状态。同时，有证据表明，由于延迟的可确定性，对于壁厚相对较薄的结构，也可以安全地监测这种自检。这使得下面描述的双向传感器(即，既可以发送数据也可以接收数据的传感器)可以使第三方(例如认证机构(
Figure BDA0002178278960000041
等))也可以检查传感器的功能和传感器免受干扰。为此，必须将特定的测量协议传输到传感器，该测量协议用来确定该传感器确定由通过引线部分引起的上述延迟(并且传输测量结果)。如果测量值与各个传感器的预设值相对应，则认证机构可以从远处确认传感器的无故障运行(在没有现场工作人员的情况下)。然后，例如，在记录每次测量之前，由认证机构记录和/或由相应的操作员进行书面记录。这样的系统最终是一个自我认证系统。尽管进行了将塑料元件用作样本和探头之间的测量标准这种看起来相对简单的修改，但这产生了意想不到的巨大优势，因为这种自我认证系统具有独特的优点。
因此通过使用合适的超声波脉冲，传感器可以采集并得出关于样本状态的结论的数据。可以在整个超声频率窗口内使用超声波脉冲。优选4至8Mhz的范围，例如5、6或7MHz。通过将该范围与样本的精确规格(材料成分、壁厚等)相匹配，最佳测量范围可以与具体情况轻松地适应。因此，用波扫描可以允许进行连续状态监测并在必要时表征局部缺陷。该方法适用于在运行的循环加载期间无损地跟踪这些缺陷对疲劳机制的影响。这可以用于生成数据，数据可以用于评估样本或其对于保持期望的功能，适用于静态载荷和动态载荷(以执行的形式，该评估可以准实时地执行)。
然后，例如，基于通过超声材料检测已知的程序进行数据评估。在对破坏性事件进行直接记录可以看出本发明系统的重要优势。
同时，待监测结构上设置有与该传感器连接的控制器或无线单元。这些部件用于将数据传输给中央数据采集和评估系统。由传感器和无线单元组成的单元优选地设计成可以尽可能地长期使用。该单元还可以配备有电池，以提供足够长寿命的电源。通过这种方式，可以得到多年运行时间。
中央数据采集系统可以是基于云的系统或应用服务器，因此可以实现高度的空间分离，并且例如可以使用最佳计算机容量。如果需要，所谓的网关设备可以互连，以便将大量传感器的数据全部传输到数据采集和评估单元。当然，本发明的系统可以包括大量这样的传感器，使得可以监测更大的装置。在待监测系统为大型(延展)系统的情况下，可能无法确保来自各个传感器的数据可以安全地传输到中央单元(因为对于安全无线传输而言，距离太长)，系统的各个区域可以配备有单独的接收器(网关装置)，以便可以安全地监测大型系统。通过设置连续或重叠的区域，其中各个传感器可以与相应的网关装置通信，以便可以安全地传输获得的全部数据。这种系统称为根据本发明的LORAWAN系统，即“远程广域网”系统。
因此，这种监测系统包括大量传感器，每个传感器配备有用于无线数据传输的无线单元并且与待监测的结构/空心体形状配合地连接。根据系统的大小，这样的系统还包括至少一个网关装置用以接收数据(并将数据转发到中央数据采集和处理单元)。因此可以对多个传感器单元的数据进行集中处理。由于传感器连续地收集数据并以适当的方式传输数据，因此中央数据采集和处理单元可以连续地处理所接收的数据，以便从原始数据中过滤出结构监测所需要的信息。这种数据处理方法是本领域技术人员所熟悉的。
这种无线单元可以优选地设计成可以发送和接收数据。通过外部(远程)访问，可以为这种类型的双向传感器提供软件更新、故障检查程序和故障纠正程序等，这简化了传感器系统的维护工作等，因为维护人员无需每次检查或故障纠正时都在现场。
与传统方法相比，根据本发明的方法和系统的优点在于，原则上它们可以在任何时间提供关于部件的可操作性的线索和/或及时连续地跟踪出现的问题，以便通过对评估的适当控制来确保报警功能。根据数据评估的方法，还可以连续描述应力状态(在下文中也称为CMS，“状态监测系统”)。由于连续结构监测，这种系统可以及时指出工厂运转期间的薄弱点，从而可以更具体地进行维护工作和维修。由于在运行期间连续进行监测，因此可以避免不希望有的停机时间。该系统也可以设计成例如，当识别出薄弱点或有问题的点时，将警告自动传输给负责工厂特定部分的人员，以便可以没有延迟地采取必要的进一步措施。系统还可以自动生成配置中应当采取的步骤，例如，下订单等。
此外，所收集的数据可以用于紧急控制/监测以及使用合适的统计方法(例如，在应用服务器上或在基于云的系统中运行)来预测(预测)被监测建筑物的状态变化。通过使用合适的算法，可以对“材料剩余寿命”执行统计上合理的计算(被监测结构在指定值内被视为稳定的时间)。这意味着即使在(故障)事件发生之前系统也可以生成警告，从而可以提前计划维护和/或更换工作。获得的历史数据还可以与其他数据组合，例如来自其他类型的材料测试的数据，来自相应的工厂控制系统的数据或来自被监测工厂的运行的其他数据，以便能够实现更复杂的数据评估或生成被监测工厂的更多详细数据(这再次能够实现更好和更精确的数据分析，或为尚未评估的事件/情况提供数据)。
通过这种方式，由于传感器和无线电元单独地生成数据、传输数据并记录数据，因此不需要人员的情况下进行连续监控而无需关闭待监测的工厂。根据应用程序专用的预定设置，系统则可以基于所接收的数据连续地发送状态报告，从而可以及时地安排必要的维护/维修工作例如日常停机(进行清洁操作或切换到其他反应/材料)。这也减少了这种维护和维修所需的时间，因为可以更好地计划维护和维修。系统的连续监测还意味着连续记录和评估与维护相关的结构数据，从而通常可以很好地提前预测最迟必须进行维护和维修工作的时间。这也简化了这种系统中的工作流程。
通过使用包括无接触数据传输的本发明的系统，还可以避免昂贵的布线，这不但费力，而且成本高。通过使用已知的传感器技术，甚至可以对大型系统进行连续监测，因为所使用的无线模块甚至能够在几千米的无线电距离上实现安全数据传输。
证据表明，上述系统可用于安全地监测由本文中描述的材料制成的部件和整个系统，例如金属材料，具体是钢。可以容易地监测具有不同壁厚和直径的建筑物/空心体，例如壁厚度为1毫米以上(例如几毫米或几厘米)、直径为几英寸的管道。
本发明的系统适用于监测工厂或部件的关键点，但也可以监测整个工厂。唯一的要求是在系统上安装足够数量的传感器。利用超声波传感器，足以将系统中的传感器分布成，使得各个传感器之间的距离在1至5米的范围内，优选地在1至3米的范围内。这确保了完整的连续结构监测(SHM和CMS)。
关于传感器调节，证据表明，在安装后执行校准，可获得最佳结果。该校准旨在找到最强接收信号处的测量频率。这允许获得足够强且易于解读的信号，使得可以以极好的可靠性运行结构监测。
如上所述，数据评估的执行是基于存在于装有数据处理分析软件的中央处理单元中的原始数据。由于连续和自动的数据采集和数据评估，系统可以设计成，将确定的状态信息自动传输给预定的接收者(维修人员，还有数据存储器)，例如通过无线传输到达终端用户设备(智能手机/平板电脑/笔记本电脑等)。最终，提供了一种状态监测系统，该系统可以在长时间内通过无线的方式自动生成连续、无损的条件数据，并发送给数据采集和评估单元，然后发送条件信息和(如果需要)行动建议(维护间隔、特定维护或维修工作)。这创建了一个通信系统，其中待监测的部件通过传感器和无电单元单独连续地传输状态数据。
基于根据本发明的系统的设计的上述陈述可由本领域技术人员容易地实施。这具体包括上述传感器或无线单元的附接。例如，通过已知原理的协议，可以实现传感器的传输信号并将信号传输到移动设备。这里，系统和程序可以根据应用很容易地适应具体情况。这是本发明的另一个优点，因为从原理上提供了一种模块化系统，该系统容易适应但同时能够实现简单和可靠的状态监测。

Claims (18)

1.用于对金属材料、纤维增强塑料或混合材料制成的结构和/或空心体进行无损结构监测系统，包括智能传感器和无线单元的至少一个组合，所述智能传感器与待监测的结构和/或空心体相配合地连接，所述无线单元与所述智能传感器连接，用于传输由所述传感器获得的数据；其特征在于，所述智能传感器是超声波传播时间测量传感器。
2.一种用于对由金属材料，纤维增强塑料或混合材料制成的结构和/或空心体进行无损结构监测的方法，包括传输由所述智能传感器获得的数据，所述智能传感器与待监测的结构和/或空心体相配合地连接，所述无线单元与所述智能传感器连接，其特征在于，所述智能传感器是超声波传播时间测量传感器。
3.根据权利要求1所述的系统或根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述传感器的传感器探头的工作频率范围为4-8MHz。
4.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于：其中所述无线单元的工作频率为850-950MHz；优选地，所述无线单元的工作频率为864MHz-915 Mhz；优选地，所述无线单元是符合ETSIEN 300 328V1.7.1标准的短程无线单元。
5.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于：其中所述空心体是由钢、纤维复合材料或两者的混合材料制成的反应器或管。
6.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于：其中所述待监测的结构/空心体的温度范围为-20-400℃；优选地，所述温度范围为80-120℃或200-400℃。
7.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于：其中所述传感器的探头与所述待监测的结构和/或空心体之间设有确定厚度的塑料层。
8.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于：若干所述结构和/或空心体被同时且自动地监测。
9.根据权利要求8所述的系统或方法，其特征在于：多个所述结构和/或空心体是工厂的一部分，例如化学工业、炼油厂、管道或海上结构中的一部分。
10.根据上述权利要求1、2或8所述的系统或方法，其特征在于：还包括至少一个网关装置，定义组的数据首先被传输到所述传感器。
11.根据权利要求1或2中任一项所述的系统或方法，其特征在于：还包括数据采集单元，所述数据采集单元能够在网关装置介入或不介入的情况下均能接收和处理由至少一个所述传感器生成的数据。
12.根据权利要求11所述的系统或方法，其特征在于：所述数据采集单元使数据处理后的结构信息被自动传输到移动终端设备。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统或方法，其特征在于：所述网关装置设有多个，多个所述网关装置产生连续或重叠的监测区域。
14.根据权利要求1或2中任一项所述的系统或方法，其特征在于：所述传感器和无线单元的组合在没有外部电源供电的情况下至少96个月有效。
15.根据权利要求1或2所述的系统或方法，其特征在于：所述传感器通过粘合或层压与所述空心体相配合地连接。
16.根据上述权利要求1或2之一所述的系统或方法，其特征在于：所述数据评估适用于SHM和/或CMS。
17.根据权利要求1或2之一所述的系统或方法，其特征在于：还包括用于基于网络的与位置无关的可视化的数据评估设备。
18.根据上述权利要求1或2中任一项所述的系统或方法，其特征在于：所述系统或方法用于在线维护预测。
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