CN116242239A - 一种检测球墨铸铁管厚度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测球墨铸铁管厚度的方法及装置，在被测球墨铸铁管内侧安装四个同型号的电涡流传感器，内侧四个传感器的位置形成一个圆；外侧也安装该型号的四个电涡流传感器，它们的位置形成另一个圆，便于后续建立坐标系计算。基于趋肤效应，电涡流传感器开始标定电涡流传感器到被测球墨铸铁管表面的距离，然后根据平面不共线三点可画圆原则，可以计算出待测球墨铸铁管内外半径的值，然后通过内外半径数值相减即可得到待测球墨铸铁管的壁厚。本发明为非接触式测量，结构简单，易于操作，检测精度高，精度可达微米级。

Description

一种检测球墨铸铁管厚度的方法及装置

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，具体涉及一种检测球墨铸铁管厚度的方法及装置。

背景技术

随着工业化进程的建设和不断的发展，管道类别的产品使用更加广泛，例如，将管道使用于输送气体、油物和水利运输等，管线输送方式也渐渐地被人们所重视。管道的特有功用非常之多，已成了现代工业化装备中不可或缺的设备构件之一，正因为这样，针对管道产用过程中所碰到的问题的研究也就成了现今科研领域攻占的高地。

目前测量物质厚度的方法，主要有利用电容法、光线位移传感器法和超声波法等。

电容法将所测电容代入电容公式计算得出球墨铸铁管厚度，但由于电容是由两表面间整体距离决定的，仅能用于管厚均匀的场合，因此通过电容公式计算的管厚也并不能代表某个位置的管厚，而且这个值与理论计算的值也有偏差，电容法检测负载能力差、容易受外界干扰和测量精度不够高的缺点。

超声波法是当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。“基于超声波的铸铁烘缸测厚研究”介绍了超声波法测量铸铁缸时精度低，成本高，容易受到主客观因素的影响。

光线位移传感器法，是利用光反射测量物体表面位移的方法，谢清新等发表了“基于激光位移传感器的中厚板在线厚度测量系统”，贺维的论文“基于反射式光纤传感器的圆柱度测量技术研究”介绍了反射式光强调制型位移传感器测量反射面到光纤端面之间距离的方法，该方法建立了接收光纤接收光强与被测物体距光纤端面的距离d的关系，就通过光强值大小计算得到物体位移量的大小，但是球墨铸铁管表面几乎都是麻面，光反射不均匀，使得用该方法测量出的qi光纤端面到球墨铸铁管表面的距离误差极大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种电涡流传感器高频反射式原理测量球墨铸铁管厚度的装置及方法。

本发明技术方案如下：

一种检测球墨铸铁管厚度的方法，包括以下步骤：

步骤1.在内圆环上分别布置n个背向内圆环中心的内侧电涡流传感器，在外圆环上分别布置n个指向外圆环中心的内侧电涡流传感器，内/外侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴分别均交汇于内/外圆环的中心，n不小于4，内圆环的直径小于外圆环的直径，将内圆环放置在外圆环内，调整内/外圆环的中心轴至互相平行，将待测球墨铸铁管放置在内/外圆环之间，调整待测球墨铸铁管的中心轴至与内/外圆环其中心轴平行；

步骤2.使内侧电涡流传感器分别测量其发射传感器线圈前端面中心到待测球墨铸铁管内周的距离，再根据各内侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴相对内圆环中心的方向，及各内侧电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心相对内圆环中心的坐标，计算各内侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴与待测球墨铸铁管内周的交汇点相对内圆环中心的坐标，任选三个交汇点的坐标根据三点共圆公式计算其点共圆的半径，计算所有的任选出的三个交汇点的点共圆的半径；

步骤3.若所有点共圆的半径与其均值相差不超过阈值，则计算所有点共圆的半径的均值作为待测球墨铸铁管的内周半径，若任一个点共圆的半径与其均值相差超过阈值，则调整待测球墨铸铁管的中心轴至与内圆环其中心轴平行，再按照步骤2～3重新测量，直到得到待测球墨铸铁管的内周半径；

步骤4，使外侧电涡流传感器分别测量其发射传感器线圈前端面中心到待测球墨铸铁管外周的距离，再根据各外侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴相对外圆环中心的方向，及各外侧电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心相对外圆环中心的坐标，按照步骤2～3计算直到得到待测球墨铸铁管的外周半径；

步骤5，使用测量得到的外径与内径相减，得待测球墨铸铁管的壁厚。

根据三点共圆公式计算其点共圆的半径包括以下步骤：

任选三个交汇点的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，

将任选三个交汇点的坐标带入下式：

解出A、B、C、D，可得点共圆的半径r,

采用所述方法检测球墨铸铁管厚度的装置，包括所述的电涡流传感器、内圆环、外圆环、待测球墨铸铁管，和前置器、耐热外壳、耐热透明玻璃、及位于待测球墨铸铁管的位置调整机构；

所述前置器用于根据电涡流传感器采集的信号测量待测球墨铸铁管表面到电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心的距离；

所述电涡流传感器安装在耐热外壳内，所述电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴朝向耐热外壳的耐热透明玻璃，所述内圆环、外圆环上分别布置有至少4个耐热外壳，内/外圆环上的电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴分别均交汇于内/外圆环的中心；

所述位置调整机构用于调整待测球墨铸铁管两端的位置，使待测球墨铸铁管的中心轴调整。

进一步的，所述电涡流传感器由发射传感器线圈、头部、耐热外壳、高频电缆组成；

所述前置器包括振荡电路、电压检测电路和放大器三部分。

前置器为电涡流传感器的发射传感器线圈提供高频交流激励电流；前置器还用于将待测球墨铸铁管表面到电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心的距离变化转变为电压或电流信号输出；

耐热外壳选择陶瓷材料作为外壳材料；

耐热透明玻璃安装在耐热外壳的开口端，既隔热又不影响传感器探头的精度；

所述电涡流传感器检测检测范围为1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1％，系统温漂≤0.05％/℃。

进一步的，所述内圆环、外圆环上分别布置有4个耐热外壳，内/外圆环上的电涡流传感器两两组成一组，各组的发射传感器线圈中心轴相互正交，且分别均交汇于内/外圆环的中心。

本发明的有益效果：

本发明通过在被测球墨铸铁管内侧安装四个同型号的电涡流传感器记为电涡流传感器A、电涡流传感器B、电涡流传感器C、电涡流传感器D，内侧四个传感器的位置形成一个圆，便于后续建立坐标系计算；外侧也安装该型号的四个电涡流传感器记为电涡流传感器A1、电涡流传感器B1、电涡流传感器C1、电涡流传感器D1，它们的位置形成另一个圆，便于后续建立坐标系计算。搭建好这个测量平台后，电涡流传感器开始标定，若标定有误，则重新标定，直到电涡流传感器能正常工作为止；若标定无误，则说明电涡流传感器能正常工作，即可开始测量八个传感器与待测球墨铸铁管的距离，由此可得八个数据。

然后根据平面不共线三点可画圆原则，可以计算出待测球墨铸铁管内外半径的值，然后通过内外半径数值相减即可得到待测球墨铸铁管的壁厚。本发明为非接触式测量，结构简单，易于操作，检测精度高，精度可达微米级。

附图说明

图1是本发明电涡流传感器高频反射式原理测量球墨铸铁管厚度的结构图。

图2是电涡流传感器高频反射式原理图。

图3是模拟实物画图用电涡流传感器高频反射式原理测量球墨铸铁管厚度的侧视等效图，图中八个电涡流传感器A、B、C、D、A1、B1、C1、D1都是同一型号的电涡流传感器。

图4是模拟实物画图用电涡流传感器高频反射式原理测量球墨铸铁管厚度的主视等效图。

图5是等效图中的内径图。

图6是等效图中的外径图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

如图1所示，本发明提供了一种电涡流传感器高频反射式原理测量球墨铸铁管厚度的测量装置，包括电涡流传感器型号为ML33，内圆环、外圆环、待测球墨铸铁管1，和前置器、耐热外壳2、耐热透明玻璃3、及位于待测球墨铸铁管的位置调整机构,电缆以及附件组成，前置器用于根据电涡流传感器采集的信号测量待测球墨铸铁管表面到电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心的距离，电涡流传感器安装在耐热外壳内，电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴朝向耐热外壳的耐热透明玻璃，内圆环、外圆环上分别布置有至少4个耐热外壳，内/外圆环上的电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴分别均交汇于内/外圆环的中心，内圆环、外圆环分别布置在待测球墨铸铁管1内侧和外侧，位置调整机构用于调整待测球墨铸铁管两端的位置，使待测球墨铸铁管的中心轴调整。

测量方法的步骤包括：

如图2所示，在被测球墨铸铁管1的外侧上方设有发射传感器线圈L₀，当在线圈L₀上加高频(>1MHz)激励电流i₀时，线圈L₀上产生交变磁通φ₀，该磁场作用于球墨铸铁管，但由于趋肤效应，不能透过具有一定厚度的球墨铸铁管，而仅作用于墨铸铁管外表的薄层。在交变磁场的作用下球墨铸铁管外表产生了感应电流

即为涡流。感应电流也产生一个交变磁通/>

并反作用于线圈L₀上，其方向与线圈原磁场方向相反。当被测对象的材料一定时，就可测出h₀的值。

同理，球墨铸铁管的内侧下方的电涡流传感器也可测出h₁的值。

由于测量待测球墨铸铁管厚度时，并不知晓待测球墨铸铁管的轴心。

故本实施例的测量方法包括以下步骤：

图3所示为球墨铸铁管的实际测量的侧视等效图，便于后续计算，在待测球墨铸铁管的外周布置四个指向待测球墨铸铁管外表面的外侧电涡流传感器A1/B1/C1/D1,在待测球墨铸铁管的内周布置四个内侧电涡流传感器A/B/C/D，四个外侧电涡流传感器均匀分布于待测球墨铸铁管外周的外虚拟圆四周，且外侧电涡流传感器的线圈中心轴均交汇于外虚拟圆的轴心，四个内侧电涡流传感器均匀分布于待测球墨铸铁管内周的内虚拟圆四周，且内侧电涡流传感器的线圈中心轴均交汇于内虚拟圆的轴心。

图5所示为内侧传感器测量实际球墨铸铁管内周直径的等效图，四个内侧传感器的坐标系xoy是以内侧四个传感器的中心点o建立的，其发射传感器线圈L₀的前端面坐标已知。

图6所示为外侧传感器测量实际球墨铸铁管外周直径的等效图，四个外侧传感器的坐标系XOY是以外部四个传感器的中心点O建立的，其发射传感器线圈L₀的前端面坐标已知。

由于平面不共线的三点可确定圆心和半径，所以可以通过该原则利用外侧电涡流传感器和内侧电涡流传感器分别测量球墨铸铁管的内外半径值，内外半径相减即可得到球墨铸铁管的壁厚。

该方法如下：

三个已知点的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，圆的一般方程可写为二次多项式，即

A(x²+y²)+Bx+Cy+D＝0 (1)

将式(1)变形可得圆的标准方程，即

将已知三点坐标带入式(2)可得圆心坐标(x,y)和半径r,即

由该方法可计算出四个内侧电涡流传感器分别到球墨铸铁管内周的距离已知图5所示内侧电涡流传感器的射传感器线圈L₀的前端面中心相对内圆环中心的坐标和发射传感器线圈中心轴相对内圆环中心的方向，因此可推算出四个内侧电涡流传感器的线圈中心轴与球墨铸铁管内周交汇的四个点的坐标分别为：

a＝(80.34,0)b＝(0,100.87)c＝(-98.23,0)d＝(0,-78.24)

四个点可以得到

个圆心坐标和半径，如下表1所示，

表1为等效球墨铸铁管内部半径的测量值

由表1可知，r₁,r₂,r₃,r₄四组数据与实际均值90相差都不超过一定阈值，也就说明此次测量的四个数值都是有效的，若计算的半径数值有一组或多组与均值相差超过一定阈值，说明内虚拟圆的轴心与待测球墨铸铁管的轴心互相不平行，则需弃掉测量出的四个点的坐标，然后重新调整待测球墨铸铁管的轴心，再重新测量数据直到无误为止。

与实际的内部半径90相差不超过一定阈值，即可认为测得的球墨铸铁管的内部半径无误。

由该方法可计算出四个外侧电涡流传感器分别到球墨铸铁管外周的距离，已知图6所示外侧电涡流传感器的射传感器线圈L₀的前端面中心相对内圆环中心的坐标和发射传感器线圈中心轴相对内圆环中心的方向，因此可推算出四个外侧电涡流传感器的线圈中心轴与球墨铸铁管外周交汇的四个点的坐标分别为：

e＝(87,0)f＝(0,94.02)g＝(-112.74,0)h＝(0,-104.31)

四个点可以得到

个圆心坐标和半径，如下表2所示，

表2为等效球墨铸铁管外部半径的测量值

由表2可知，R₁,R₂,R₃,R₄四组数据与实际均值100相差都不超过一定阈值，也就说明此次测量的四个数值都是有效的，若计算的半径数值有一组或多组与均值相差超过一定阈值，说明外虚拟圆的轴心与待测球墨铸铁管的轴心互相不平行，则需弃掉测量出的四个点的坐标，然后重新调整待测球墨铸铁管的轴心，再重新测量数据直到无误为止。

与实际的内部半径100相差不超过一定阈值，即可认为测得的球墨铸铁管的外部半径无误。

使用测量得到的外径与内径相减，即得球墨铸铁管的壁厚

与实际值10相差不超过一定阈值，即可认为测得的球墨铸铁管的壁厚为10，也说明该方法是可以得到球墨铸铁管壁厚的实际值。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种检测球墨铸铁管厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在内圆环上分别布置n个背向内圆环中心的内侧电涡流传感器，在外圆环上分别布置n个指向外圆环中心的内侧电涡流传感器，内/外侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴分别均交汇于内/外圆环的中心，n不小于4，内圆环的直径小于外圆环的直径，将内圆环放置在外圆环内，调整内/外圆环的中心轴至互相平行，将待测球墨铸铁管放置在内/外圆环之间，调整待测球墨铸铁管的中心轴至与内/外圆环其中心轴平行；

步骤2.使内侧电涡流传感器分别测量其发射传感器线圈前端面中心到待测球墨铸铁管内周的距离，再根据各内侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴相对内圆环中心的方向，及各内侧电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心相对内圆环中心的坐标，计算各内侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴与待测球墨铸铁管内周的交汇点相对内圆环中心的坐标，任选三个交汇点的坐标根据三点共圆公式计算其点共圆的半径，计算所有的任选出的三个交汇点的点共圆的半径；

步骤3.若所有点共圆的半径与其均值相差不超过阈值，则计算所有点共圆的半径的均值作为待测球墨铸铁管的内周半径，若任一个点共圆的半径与其均值相差超过阈值，则调整待测球墨铸铁管的中心轴至与内圆环其中心轴平行，再按照步骤2～3重新测量，直到得到待测球墨铸铁管的内周半径；

步骤4，使外侧电涡流传感器分别测量其发射传感器线圈前端面中心到待测球墨铸铁管外周的距离，再根据各外侧电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴相对外圆环中心的方向，及各外侧电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心相对外圆环中心的坐标，按照步骤2～3计算直到得到待测球墨铸铁管的外周半径；

步骤5，使用测量得到的外径与内径相减，得待测球墨铸铁管的壁厚。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据三点共圆公式计算其点共圆的半径包括以下步骤：

任选三个交汇点的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，

将任选三个交汇点的坐标带入下式：

解出A、B、C、D，可得点共圆的半径r,

3.采用如权利要求1～2任一项所述方法检测球墨铸铁管厚度的装置，其特征在于，包括所述的电涡流传感器、内圆环、外圆环、待测球墨铸铁管，和前置器、耐热外壳、耐热透明玻璃、及位于待测球墨铸铁管的位置调整机构；

所述前置器用于根据电涡流传感器采集的信号测量待测球墨铸铁管表面到电涡流传感器的发射传感器线圈前端面中心的距离；

所述电涡流传感器安装在耐热外壳内，所述电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴朝向耐热外壳的耐热透明玻璃，所述内圆环、外圆环上分别布置有至少4个耐热外壳，内/外圆环上的电涡流传感器的发射传感器线圈中心轴分别均交汇于内/外圆环的中心；

所述位置调整机构用于调整待测球墨铸铁管两端的位置，使待测球墨铸铁管的中心轴调整。

4.根据权利要求3所述的检测球墨铸铁管厚度的装置，其特征在于，所述电涡流传感器检测检测范围为1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为1％。

5.根据权利要求4所述的检测球墨铸铁管厚度的装置，其特征在于，所述内圆环、外圆环上分别布置有4个耐热外壳，内/外圆环上的电涡流传感器两两组成一组，各组的发射传感器线圈中心轴相互正交，且分别均交汇于内/外圆环的中心。

Images