CN1865979A - 垂直入射型线聚焦超声传感器阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道自动检测用垂直入射型线聚焦超声传感器阵列结构与检测参数的设计方法。用于油、气及相关产品输送管道从内部实行缺陷自动检测的场合。给出了管道检测中水程距离的确定方法，传感器声束检测管道覆盖弧长的确定方法，传感器数量确定方法及一种传感器阵列结构方案。

Description

垂直入射型线聚焦超声传感器阵列设计方法

技术领域：

本发明涉及一种管道检测用线聚焦脉冲超声传感器阵列的设计方法，该阵列采用声束垂直入射方式，传感器具有脉冲波收发功能，主要用于油、气及其相关产品输送管道的内部全自动检测，为管道中缺陷的检测、评估与维修提供数据。该发明提出了阵列结构的设计方法与测试参数的确定方法。

背景技术：

超声波自动管道检测系统是利用超声传感器阵列，通过超声回波来探测管道缺陷大小、方位和应力的存在。这种方法用计算机解读时更为方便和准确，检测精度高、数据解读明晰、测量厚度不受限制，近几年国际上发展迅速。预期超声波方式在今后仍是长输油气管道缺陷检测的主要手段之一。

管道无损检测技术是管道工业发达国家竞相研制的高新技术。该技术目前仅有国外几家公司掌握，如专业研制和生产超声管道检测技术的著名公司有NKK、Pipetronix、TDWilliamson、日本钢管株式会社、NDT Systems & Services AG、Tuboscope Pipeline Services Inc、NGKS International Corp等(K.Reber，M.Beller，H.Willems，and O.A.Barbian，A new generation of ultrasonic in-line inspection tools fordetecting，sizing and locating metal loss and cracks in transmission pipelines，NDTSystem & Service AG，Am Hasenbiel 6，76297 Stutensee，Germany，IEEE UltrasonicsSymposium 2002，pp.665-671)。

国内对这方面的研究尚处于起步阶段，还未见到用于实际石油管道在役检测机器人的有关报道。但国内相关领域的领导和专家充分意识到了管道中开展无损检测及相关技术的重要性和迫切性，相继在一些院校和科研所投资，进行管道无损检测技术的理论和实际应用技术的研究。

发明内容：

本发明的目的在于针对目前国内现有技术的不足，提供一种线聚焦管道检测用超声传感器阵列的设计方法，为管道中缺陷的检测服务。该发明采用线聚焦传感器阵列，可兼顾一次性扫查面积与缺陷检出率这一矛盾。给出了阵列参数确定与测试参数确定的设计公式。

本发明包括如下具体步骤：

1)将线聚焦脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传播特性作为阵列设计依据之一；

2)传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，为了使传感器在整个管道检测区域中遇到缺陷时有较大的回波声压，将传感器焦柱中部定位在管道壁中部，由于传感器本身对声束有聚焦作用，再加上入射到管道表面的二次聚焦作用，实际焦距比传感器的理论焦距要短；

3)以实际焦距落在管道壁中部作为设计目标，得到传感器水程距离h的计算公式；

4)根据传感器的声束角α和水程距离h，得到传感器检测弧长l的计算公式；

5)根据管道内径r，管道壁厚t，传感器检测弧长l，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式N。

附图说明：

图1为本发明流程框图

图2为本发明管道中传感器声波分析示意图

图3为传感器阵列结构示意图

1-传感器阵列，2-介质，3-管道壁，4-传感器

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

1)传感器选型

按照传感器所发射的超声波声束种类可以将超声传感器分为普通平直探头型、点聚焦型和线聚焦型三种型号。普通平直探头向外发射的声束截面是圆型，点聚焦型传感器的声束理论上在焦点上是一个点，线聚焦传感器声束理论上在焦点处是一条线。在相同晶片当量直径的前提下，普通平直探头所扫查的面积最大，线聚焦探头次之，点聚焦探头最小。考虑到实际检测要求，超声传感器阵列要完全能覆盖管道内表面，并且传感器数量要尽可能少，同时要对小缺陷有一定的检出能力，在综合考虑这些要求之后，认为，普通平直探头虽然一次性扫查区域大，但是能量不够集中，检出小缺陷的能力较差，点聚焦探头虽然能量集中，检测小缺陷的能力最好，但要完成对整个管道内表面扫查所需的传感器数量较大，故选择线聚焦超声传感器作为检测用的超声传感器。

本发明中的超声传感器阵列检测管道缺陷时，要求阵列上所有的传感器一次性通过管道时，应能够覆盖整个管道表面，并且要有一定的重叠率。设计时，为了保证传感器获得大的超声回波，将传感器的实际焦距定位在管道壁厚的中部，这样，可保证在整个壁厚范围内，检测对象都处于聚焦探头的焦柱之内。由于管道有二次聚焦作用，所以实际焦距要比理论计算得到的焦距短。根据这些要求和线聚焦超声探头声场特性，就可以进行直探头阵列结构设计。

2)线聚焦传感器在管道中水程距离确定方法

为了使传感器在整个管道壁上遇到缺陷时有较高的回波声压，将经管道二次聚焦的超声传感器的理论焦点设计在管道壁的中部，图2是单个传感器在管道中的布设的示意图。从图中的几何关系可以计算出传感器的水程距离。

在图2中，r是管道内径；t是管道壁厚；O是管道中心；O′是声束在管道壁中焦点的位置，它位于管壁的中部；h是传感器的水程距离。设超声波在管道流体介质中的声速为c₁，在管道壁中的声速为c₂。并建立如图所示的平面直角坐标系XOY。则超声波入射到管道内壁上点D的坐标(x_D，y_D)可由下面的方程组求得

$\left\{\begin{array}{c}y+\mathrm{xtg\α}=a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α}\\ y^2+x^2=r^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

则

$\left\{\begin{array}{c}{x}_D=\frac{(a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α})\mathrm{tg\α}+\sqrt{(1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α})r^2-{(a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α})}^2}}{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α}}\\ y_D=\frac{a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α}-\mathrm{tg\α}\sqrt{(1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α})r^2-{(a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α})}^2}}{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

则，D点超声波的入射角∠ODC为：

$\∠\mathrm{ODC}=\mathrm{\α}+\arcsin \frac{y_D}{r}---\left(2\right)$

根据折射定理，超声波在管道壁中的折射角∠O′DH为：

$\∠O^{\′}\mathrm{DH}=\arcsin (\frac{c_2}{c_1}\sin \∠\mathrm{ODC})---\left(3\right)$

由图2中几何关系知，O′点的坐标(x_O′，y_O′)就是直线OO′与直线DO′的交点，可由下面的方程组求解得到

$\left\{\begin{array}{c}y=-\mathrm{xtg}(\∠O^{\′}\mathrm{DH}-\arcsin \frac{y_D}{r})+y_D+x_D\mathrm{tg}(\∠O^{\′}\mathrm{DH}-\arcsin \frac{y_D}{r})\\ y=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

则

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{O^{\′}}=\frac{y_D}{\mathrm{tg}(\∠O^{\′}\mathrm{DH}-\arcsin \frac{y_D}{r})}+x_D\\ y_{O^{\′}}=0\end{array}\right.$

而根据设计要求，二次聚焦后的焦点应在管道壁厚的中点，所以，可知O′点的坐标为 故可得到以下表达式：

$r+\frac{t}{2}=\frac{y_D}{\mathrm{tg}(\∠O^{\′}\mathrm{DH}-\arcsin \frac{y_D}{r})}+x_D---\left(5\right)$

将y_D、x_D和∠O′DH的表达式代入式(5)，整理后得：

$(r+\frac{t}{2})(1+\mathrm{tg\α})=\frac{a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α}-\mathrm{tg\α}\sqrt{(1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α})r^2-{(a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α})}^2}}{\mathrm{tg}\left\{\arcsin \right[\frac{c_2}{c_1}\sin (\mathrm{\α}+\arcsin \frac{y_D}{r})]-\arcsin \frac{y_D}{r}\}}---\left(6\right)$

$+(a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α})\mathrm{tg\α}+\sqrt{(1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α})r^2-{(a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α})}^2}$

从式(6)可以看出，当传感器参数一定，且测试管道的直径及壁厚一定时，上式只有一个未知数，所以可以求得传感器的水程距离h。但由于方程非常复杂，无法给出h的显式解，所以只能借助计算机进行数值求解该方程。

3)单个传感器检测弧长的确定方法

传感器声束所能覆盖的管道内表面弧长为：

$l=2r\arcsin \left(\frac{a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α}-\mathrm{tg\α}\sqrt{(1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α})r^2-{(a+\mathrm{rtg\α}-\mathrm{htg\α})}^2}}{r(1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α})}\right)---\left(7\right)$

4)阵列中传感器数目的确定方法

覆盖整个管道检测区域所需的传感器的个数是：

$N=\frac{2\mathrm{r\π}}{l}---\left(8\right)$

5)设计特例

当线聚焦超声传感器直径为Ф10mm，晶片长度为7mm，此时传感器的理论焦距为31mm，管道内径为Ф195mm，壁厚为14mm，以水为耦合介质，超声波在水中的传播速度为1500m/s，在管道壁中的传播速度为5900m/s，则编程计算得传感器的水程距离h为11.7mm，此时，传感器声束所能覆盖的弧长为4.36mm，如果传感器的声束不交叠，则需要140个传感器，如果有10％的交叠，则需要175个传感器。为了使传感器以轴心对称布置，设计采用了180个超声传感器组成阵列。

根据水程距离及管道参数，经计算知传感器阵列基座的最大外径为Ф171.6mm，本发明采用外径为Ф160mm的传感器基座。每个传感器均匀地布置在传感器座上。传感器阵列采用9列布置，每一列上有20个传感器，每列上的传感器相隔18°，且按基座轴心对称，列与列之间按同一方向相隔2°。传感器阵列布设示意图如图3所示。

Claims (1)

1、一种垂直入射型线聚焦超声传感器阵列设计方法，包括如下具体步骤：

1)将线聚焦脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传特性作为阵列设计依据之一；

2)传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，将传感器焦柱中部定位在管道壁中部，由于传感器本身对声束有聚焦作用，再加上入射到管表面的二次聚焦作用，实际焦距比传感器的理论焦距要短；

3)以实际焦距落在管道壁中部作为设计目标，得到传感器水程距离h的计算公式；

4)根据传感器的声束角α和水程距离h，得到传感器检测弧长l的计算公式；

5)根据管道内径r，管道壁厚t，传感器检测弧长l，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式N。