CN113028970A - 一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于管道检测技术领域，公开了一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚方法，通过将两个反射式高频线圈作为涡流探头，对称设置到待测管道工件的内侧和外侧，利用两个涡流探头分别测出到管道内外面上的探测距离；再对探测距离进行校正，最后根据校正后的探测距离，确定待测管道工件的管道壁厚测量结果。本发明使用经平板标定法标定好的涡流线圈在管道曲面上测距，同时使用涡流——激光联合测量的方法来获得管道曲面和涡流线圈之间的真实距离，建立这二者之间的对应关系——即校正曲线。在实际测量管道曲面距离时，用平板标定法标定好的涡流线圈的测距结果，再通过校正曲线进行校正，即可得到高精度的管道曲面测距结果。
Description
技术领域
本发明涉及管道检测技术领域，具体而言涉及一种基于涡流技术的管道工件厚度及距离同时测量方法，尤其适用于机械加工、航空航天、船舶运输、石油化工、铁道高铁、压力容器、特种设备等领域金属管道的厚度及距离测量，使用该方法，可在不需要管道曲面基体标定样本的情况下，提高管道厚度及距离的测量精度。
背景技术
涡流检测是基于电磁感应原理的一种无损检测方法，具有非接触、检测速度快的特点，适用于所有导电材料的无损检测，在无损检测及测距、测厚方面具有广泛应用。当通有交变电流的涡流线圈在接近导体试件时，会在导体内部产生涡流，涡流产生反向的交变磁场阻碍原磁场的变化，磁场的反作用引起线圈等效阻抗发生变化。阻抗信号的大小与试件的电磁特性（电阻率、导磁率）、结构尺寸（导体厚度）线圈与试件之间的距离等因素有关，通过分析检测线圈的阻抗变化，就能检测出样件的形状尺寸及物理参数的变化。
金属材料距离及厚度的测量主要利用涡流的提离效应和低频大穿透能力，是涡流检测技术的重要应用领域。线圈和试件之间的距离称为“提离”，涡流传感器与试件之间的距离变化会引起检测线圈的阻抗变化，称为“提离效应”。当低频激励时，涡流的穿透深度很大，其阻抗信号大小和材料深度的大小有关，因此，可以利用低频时阻抗信号的大小来测量材料的厚度。
现有的测厚技术主要使用低频透射式涡流线圈，利用低频产生可穿透材料厚度的涡流来测量厚度，其探头结构为一发一收式，一个线圈用来激励，另外一个线圈在另一侧接收信号。但由于使用低频激励，能量分散，空间分辨率低，故测量精度随材料厚度的增大而下降。
现有的测距技术主要使用高频反射式涡流线圈，探头结构中只有一个自发自收式线圈，利用线圈阻抗信号随距离的大小而变化的特点来测距。但高频激励时，涡流主要集中在材料表面，测距精度高，但由于其穿透深度很浅，故难以用于较厚的管道的管壁厚度测量。
目前，现有技术中使用涡流来进行测距、测厚主要是应用于金属平板的测距和测厚，在测距、测厚之前，需要对待测金属材料进行标定，确定检测信号和距离的对应关系。由于标定需要用到量尺或量块来确定距离大小，而金属管道由于结构弯曲，无法在管道曲面上使用量尺或量块通过标定来确定检测信号和距离的对应关系。由于管道曲面会对涡流线圈的信号产生较大影响，因此若使用在平板上标定好的涡流线圈对管道进行测距、测厚，会造成很大测量误差，故此涡流检测方法无法用于曲率较大的金属管道的距离及厚度测量。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，采用两个反射式高频线圈测距，达到测厚测距同时实现、且均具有较高精度的目的。同时通过使用标定曲线校正法来消除使用平板标定好的线圈在测量管道时所产生的误差，提高金属管道的测距、测厚精度。
为实现上述目的，本发明提出一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，包括以下步骤：
步骤1、将待测管道工件放置在两个间隔开并且平行布置的滚轴上，两个滚轴由电机驱动实现同步转动；
步骤2、通过支撑系统将两个反射式高频线圈作为涡流探头分别固定，并对称地分别设置到待测管道工件的内侧和外侧，其中所述支撑系统可被操作而使两个涡流探头沿着待测管道工件的轴向移动，以改变轴向测量位置；
步骤3、测量过程中，由两个涡流探头分别测出到管道内外面上的探测距离
和
；
步骤4、根据预先建立的涡流探头测量距离和真实提离距离之间的关系校正曲线校正涡流探头在管道内外面上的探测距离
和
，获得校正后的探测距离
和
；其中，所述关系校正曲线用经平板标定法标定好的涡流探头在管道曲面上测距，结合涡流—激光联合测量的方法来获得管道曲面和涡流线圈之间的真实提离距离；
步骤5、根据校正后的探测距离
和
获得待测管道工件的管道壁厚测量结果，即：
其中，t 表示管道壁厚测量结果，s 表示两个涡流探头之间的距离。
由以上技术方案可见，与现有技术相比，本发明的显著的有益效果在于：
1、本发明使用两个反射式高频线圈作为涡流探测头，通过获取线圈到管道内外壁之间的距离来间接达到测厚测距同时实现、且均具有较高精度的目的，解决现有技术中使用低频透射式涡流线圈测厚时，存在空间分辨率低、测量精度低的缺点，且测距和测厚不能兼顾的缺陷；
2、在管道曲面上测距、测厚时，针对现有技术中涡流线圈只能在平面上进行标定，无法使用量块和量尺在管道曲面上进行标定，来获得线圈和材料表面之间的真实距离的问题，本发明通过使用涡流—激光联合测量的方法来获得管道曲面和涡流线圈之间的真实距离，进而建立涡流线圈测量信号和距离之间的关系曲线，用于管道测距测厚；
通过校正曲线法来消除平板标定法所导致的管道曲面测距测厚误差大、测量精度低的问题。具体思路为，使用经平板标定法标定好的涡流线圈在管道曲面上测距，同时使用涡流——激光联合测量的方法来获得管道曲面和涡流线圈之间的真实距离，建立这二者之间的对应关系——即校正曲线。在实际测量管道曲面距离时，将平板标定法标定好的涡流线圈的测距结果，通过校正曲线进行校正，即可得到高精度的管道曲面测距结果；
3、本发明的管道测量方法应用范围广，不仅可用于不同半径的管道金属的测距测厚，还可用于平板的测距测厚；
4、利用本发明的管道测量方法能获得较高的测量精度和测量结果，方法简单，易于实现，不需要再增加额外特殊的设备。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明上述内容及实施例和特征。
附图说明
在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。
图1是本发明示例的管道工件同步测量系统的原理示意图（主视图）。
图2是本发明示例的管道工件同步测量系统的俯视图。
图3是本发明示例的涡流平板标定法用于管道曲面测距结果的校正原理示意图。
图4是本发明示例的涡流探头在管道内侧的探测距离与涡流探头的真实提离距离（即校正后的探测距离）之间的关系曲线示意图。
图中各部件的名称为：
100-管道工件；10-滚轴；15-悬臂；21-第一涡流探头；22-第二涡流探头；30-支柱。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
结合图1-4所示的示例，根据本发明的实施例的基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，包括以下步骤：
步骤1、将待测管道工件100放置在两个间隔开并且平行布置的滚轴10上，两个滚轴10由电机驱动实现同步转动；
步骤2、通过支撑系统将两个反射式高频线圈作为第一涡流探头21和第二涡流探头22分别固定，并对称地分别设置到待测管道工件100的内侧和外侧；
步骤3、测量过程中，由两个涡流探头，即第一涡流探头21和第二涡流探头22分别检测出到管道内外面上的探测距离
和
；
步骤4、根据预先建立的涡流探头测量距离和真实提离距离之间的关系校正曲线校正涡流探头在管道内外面上的探测距离，获得校正后的探测距离
和
；其中，关系校正曲线由使用经平板标定法标定好的涡流探头，在管道曲面上测距，结合涡流—激光联合测量的方法，来获得管道曲面和涡流线圈之间的真实提离距离；
步骤5、根据校正后的探测距离
和
获得待测管道工件的管道壁厚测量结果，即：
其中，表示管道壁厚测量结果，s表示两个涡流探头之间的距离。
结合图1、2所示，支撑系统包括两个悬臂15，分别用于安装一个反射式高频线圈作为第一涡流探头21，以及安装另一个反射式高频线圈作为第二涡流探头22，第一涡流探头21和第二涡流探头22分别对称地位于待测管道工件的内侧和外侧。结合图1、2所示，两个涡流探头分别安装到对应悬臂的端部。
优选地，支撑系统可被操作而使第一涡流探头21和第二涡流探头22沿着待测管道工件的轴向移动，以改变轴向测量位置。例如，通过设计可伸缩运动的悬臂来实现轴向的移动。
图1、2所示的示例中，标号30表示支柱。
在测量过程中，通过电机驱动滚轴旋转以使得待测管道工件转动，结合涡流探头在待测管道工件的轴向移动，以实现对管道侧壁的所有位点的测量。
在示例的实施例，前述的用于驱动滚轴转动的电机被设置成按照设定的速度转动，并且结合涡流探头在待测管道工件以预定的轴向距离轴向移动，从而获得网格化的测量结果。
优选地，电机为步进电机，提供高精度的步进运动，结合周期性的轴向移动的间隔，从而可形成对整个管道壁面（展开后为平面）网格化的探测结果，利于观察到局部的缺陷或者不均匀特征。
其中，在使用涡流探头探测到距离后，通过校正曲线法来消除平板标定法所导致的管道曲面测距、测厚误差大、测量精度低的问题。结合图3，关系校正曲线被设置成根据以下方式获得：
将激光探头和涡流探头相对固定，并分别放置在管道曲面上；
利用激光探头测距不受管道曲率影响的特性，将其所测得的距离，减去激光探头和涡流探头之间的安装距离，即得到涡流探头的真实提离距离，即：
若激光探头在管道内侧及外侧所测得的距离分别为
及
，激光探头和涡流探头之间的安装距离为d，则涡流探头在管道内侧及外侧的真实提离距离
及
分别为：
同时，使用平板标定法标定后的涡流探头在管道内侧及外侧测量得到的探测距离分别为
及
；
结合图4所示的示例，如此，可建立不同半径的管道上，涡流探头分别在管道内侧及外侧的探测距离
及
与涡流探头的真实提离距离
及
之间的对应关系曲线，即所述的关系曲线；
如此，步骤4中，针对每一个测量得到的探测距离
和
，通过关系曲线进行校正处理，输出校正后的探测距离
和
，即真实提离距离。
本发明针对以上实施例的管道工件的测量方法，通过对不同材质和管径的管道进行测量，均得到理想的检测效果，检测误差控制在0.5 mm以内。
实施例1
A.管道试件及线圈尺寸参数：
管道尺寸：
平均半径r =95 mm，管长l =60 mm，材料为SUS304不锈钢（电导率1.4 MS/m）；
线圈尺寸及工作参数：
外半径r o =5 mm，内半径r i =3 mm，厚h c =2 mm，内外线圈间距为22 mm时。采用电压激励，激励电压u =8 V，激励频率f =1MHz。
B. 测量效果：
如下，表1为管道半径为95 mm、内外线圈间距为22 mm时，管道厚度的测量结果。由结果可见，管道厚度的最终测量误差为0.3 mm左右。
表1 管厚测量结果（管半径95 mm，内外线圈间距22 mm）（单位：mm）
实施例2
A.管道试件及线圈尺寸参数：
管道尺寸：
平均半径r =57.5 mm，管长l =60 mm，材料为SUS304不锈钢（电导率1.4 MS/m）；
线圈尺寸及工作参数：
外半径r o =5 mm，内半径r i =3 mm，厚h c =2 mm，内外线圈间距为17 mm时。采用电压激励，激励电压u =8 V，激励频率f =1MHz。
B. 检测效果：
如下，表2为管道半径为57.5 mm、内外线圈间距为17 mm时，管道厚度的测量结果。由结果可见，管道厚度的最终测量误差为0.4 mm左右。
表2 管厚测量结果（管半径57.5 mm，内外线圈间距17 mm）（单位：mm）
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将待测管道工件放置在两个间隔开并且平行布置的滚轴上，两个滚轴由电机驱动实现同步转动；
步骤2、通过支撑系统将两个反射式高频线圈作为涡流探头分别固定，并对称地分别设置到待测管道工件的内侧和外侧，其中所述支撑系统可被操作而使两个涡流探头沿着待测管道工件的轴向移动，以改变轴向测量位置；
步骤3、测量过程中，由两个涡流探头分别检测出到管道内外面上的探测距离
和
；
步骤4、根据预先建立的涡流探头的探测距离和真实提离距离之间的关系曲线校正涡流探头在管道内外面上的探测距离
和
，获得校正后的探测距离
和
；其中，所述关系曲线校正用经平板标定法标定好的涡流探头在管道曲面上测距，结合涡流——激光联合测量的方法，来获得管道曲面和涡流线圈之间的真实提离距离；
步骤5、根据校正后的探测距离
和
获得待测管道工件的管道壁厚测量结果，即：
其中，t 表示管道壁厚测量结果，s 表示两个涡流探头之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡流技术的管道工件测距测厚法，其特征在于，所述支撑系统包括两个悬臂，分别用于安装一个反射式高频线圈作为第一涡流探头，以及安装另一个反射式高频线圈作为第二涡流探头，第一涡流探头和第二涡流探头分别对称地位于待测管道工件的内侧和外侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，其特征在于，在测量过程中，通过电机驱动滚轴旋转以使得待测管道工件转动，结合涡流探头在待测管道工件的轴向移动，以实现对管道侧壁的所有位点的测量。
4.根据权利要求3所述的一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，其特征在于，所述电机被设置成按照设定的速度转动，并且结合涡流探头在待测管道工件以预定的轴向距离轴向移动，从而获得网格化的测量结果。
5.根据权利要求4所述的一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，其特征在于，所述电机为步进电机。
6.根据权利要求1所述的一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，其特征在于，所述步骤4中，所述关系校正曲线被设置成根据以下方式获得：
将激光探头和涡流探头相对固定，并分别放置在管道曲面上；
利用激光探头测距不受管道曲率影响的特性，将其所测得的距离，减去激光探头和涡流探头之间的安装距离，可得涡流探头的真实提离距离，即：
若激光探头在管道内侧和外侧所测得的距离分别为
和
，激光探头和涡流探头之间的安装距离为d，则涡流探头在管道内侧和外侧的真实提离距离
和
分别为：
同时，使用平板标定法标定后的涡流探头在管道内侧及外侧测量得到的探测距离分别为
及
；
如此，可建立不同半径的管道上，涡流探头分别在管道内侧及外侧的探测距离
及
与涡流探头的真实提离距离
及
之间的对应关系曲线，即所述的关系曲线。
7.根据权利要求5所述的一种基于涡流技术的管道工件同时测距测厚法，其特征在于，所述步骤4中，针对每一个测量得到的探测距离
和
，通过所述的关系曲线进行校正处理，输出校正后的探测距离
和
。
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