CN206378112U - 一种疏浚钢管远程在线测厚装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种疏浚钢管远程在线测厚装置，包括单片机控制装置、人机交互界面和远程通讯装置，其中，所述单片机控制装置包括单片机最小系统和信号采集装置；所述人机交互界面包括液晶显示屏和按键；所述远程通讯装置包括GPRS装置、GPS装置、远程服务器和远程客户端。本实用新型提供了一种疏浚钢管远程在线测厚装置，有效避免爆管事故，减少材料浪费，克服钢管测厚装置无法实现远程实时监测的缺陷。

Description

一种疏浚钢管远程在线测厚装置

技术领域

本发明涉及一种疏浚钢管远程在线测厚装置，属于超声检测技术领域。

背景技术

近些年来，随着现代工业和经济的快速发展，能源、交通、石油、化工等基础设施的投资持续增加，对钢管的需求不断提升，钢管壁厚的测量要求也越来越高，钢管测厚技术迅猛发展起来。超声波测厚技术以其体积小、便于携带且价格便宜、对空气水源无污染、不受使用场地环境局限等优点，在钢管测厚方面具有独特的优势。

现有的钢管超声波测厚技术已经较为成熟，可以对管径20mm以上，壁厚1mm～300mm的室内空置钢管进行较为精确的测量。但是，现有的超声测量设备都是手持式测厚仪，在疏浚、废水废料输送、输煤或粉煤灰渣输送等海上、水上环境或人力难以到达的地方，显现出众多的不足，而往往这些工业领域又需要对钢管壁厚进行实时监测，否则会因磨损严重造成恶劣的后果。

以疏浚领域为例，疏浚钢管作为挖泥船水力输送管线的主要组成部分，使用环境相比其它行业较为恶劣。一方面，疏浚工程中的高浓度、高压力、高流速、大流量泥浆会对管道内壁产生较大磨损、冲击和腐蚀等，尤其是输送岩石、珊瑚礁、硬质粘土等坚硬物料时，磨损情况会更加严重；另一方面，大型疏浚工程的管道多敷设在海水中，易受到海水腐蚀，海洋中波、浪、潮、流对钢管所产生的低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们代谢产物，使得这种腐蚀速度成倍增加。在内部磨损和表面腐蚀的双重作用下，疏浚钢管产生疲劳，老化加速，甚至被磨穿，寿命十分有限，通常的疏浚钢管工作半年到一年就需要更换。磨损严重的钢管在高压输送环境下，很容易破裂造成爆管事故，使得整个工程停工，所带来的损失数以百万计。而由于现有钢管在线监测手段的缺乏，使得爆管情况很难预测，有时为了稳妥起见，在钢管远未达到报废寿命之前，就将其整个管线进行更换，带来了材料的极大浪费。再者，疏浚钢管通常都布置在湖泊、河口、近海、外海岛礁的水面、水下或上岸陆地等环境中，要依靠交通艇进行巡查测量，耗时费力。因此，急需开发一套远程实时在线的钢管测厚装置。目前仅有美国热电监测分析技术公司研发了一种用于地下管道腐蚀情况的在线测量装置，但该装置仍采用引出线缆的方式，并未做到远程实时测量。

发明内容

目的：为了克服以上不足，考虑现实情况的需求，本发明提供了一种疏浚钢管远程在线测厚装置，避免爆管事故，减少材料浪费，克服钢管测厚装置无法实现远程实时监测的缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种疏浚钢管远程在线测厚装置，包括单片机控制装置、人机交互界面和远程通讯装置，其中，

所述单片机控制装置包括单片机最小系统和信号采集装置，所述单片机最小系统包括单片机，所述信号采集装置包括信号采集板，且所述信号采集板的输出端与单片机的I/O口相连，将采集到的信号传输至单片机处理；

所述人机交互界面包括液晶显示屏和按键，所述液晶显示屏与单片机的并行通信口相连接，将当前使用的探头编号和测量值显示在液晶显示屏上，所述按键与单片机的I/O口相连接，用于设置测量参数；

所述的远程通讯装置包括GPRS装置、GPS装置、远程服务器和远程客户端，所述GPRS装置与单片机的串行通信口相连接，用于远程数据的传输；所述GPS装置与单片机的串行通信口相连接，将测试点的经纬度以及高度信息实时上传至远程服务器，便于获知当前钢管所在具体位置；所述远程服务器端通过固定的IP地址接入互联网，用来与GPRS装置建立网络通讯；所述远程客户端通过互联网与远程服务器建立通讯，用于调用、分析和处理数据库的测厚数据。

优选地，所述单片机最小系统还包括电源电路、时钟电路、复位电路和存储芯片，所述电源电路与单片机的I/O口相连，用于为硬件电路各部分提供稳定电压；所述时钟电路与单片机的串口相连接，可获取测量的实时时间；所述复位电路与单片机的RESET口相连，通过一个按键用于恢复电路起始状态；所述存储芯片通过I²C协议串行连接到单片机端，将测量的位置、时间点、钢管编号以及厚度值存储，便于后期查询和动态分析。

优选地，所述信号采集装置还包括超声波探头组、超声波发射电路和回波接收调理电路，各电路均设置在信号采集板上，其中，

所述超声波探头组安装在待测物上，分别与所述超声波发射电路和回波接收调理电路连接，所述超声波探头组集成了发射和接收功能，由超声波发射电路激励超声波探头组产生超声波，采集的信号又通过超声波探头组传输至回波接收调理电路进行调理;

所述超声波发射电路包括信号产生电路和超声波驱动电路，所述信号产生电路输入端与单片机的I/O口相连；所述信号产生电路产生的低功率功脉冲信号通过超声波驱动电路放大得到高功率的窄脉冲正弦波信号，进而激励超声波探头组产生并发射超声波；

所述回波接收调理电路包括三级放大电路、偏置整形电路、检波电路、门选电路和计数电路，所述三级放大电路、偏置整形电路、检波电路、门选电路和计数电路按顺序连接，所述计数电路通过8位并入串出移位寄存器与单片机I/O口连接。

优选地，所述超声波探头组采用一个及一个以上的探头，设置在待测钢管的管壁上，便于布置测点位置。

优选地，所述超声波探头组中所用探头为轮式探头或固定密封式探头。

优选地，所述轮式探头外圈设有一种干耦合材料，在干耦合材料和超声探头之间填充水作为耦合剂，水被密封在干耦合材料中。

优选地，所述固定密封式探头焊死在钢管外壁，并配铸铝防腐蚀电控盒密封，采用聚胺酸材料制成的加强密封圈密封。

有益效果：本发明提供一种疏浚钢管远程在线测厚装置，实现单片机控制装置和远程客户端的通讯，实现钢管磨损量的远程实时监测，便于查询、警报、分析和预测，节省了大量人力，同时确保了疏浚钢管更换的时机，避免爆管事故，减少材料浪费。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构示意图。

图2是本实用新型单片机测厚部分硬件电路框架。

图3是本实用新型单片机最小系统的时钟电路。

图4 是本实用新型单片机最小系统的存储电路。

图5是本实用新型单片机最小系统的复位电路。

图6是本实用新型单片机最小系统的电源电路。

图7是本实用新型的超声波发射驱动电路。

图8是本实用新型回波接收调理电路——三级放大电路、偏置整形部分。

图9是本实用新型回波接收调理电路——检波、门选、计数电路部分。

图10是本实用新型的一种远程监测查询装置的网络示意图。

图11 是本实用新型的一种疏浚钢管远程在线测厚装置下位机主程序流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

如图1-11所示，一种疏浚钢管远程在线测厚装置，包括单片机控制装置、人机交互界面和远程通讯装置，其中，

所述单片机控制装置包括单片机最小系统和信号采集装置，所述单片机最小系统包括单片机，所述信号采集装置包括信号采集板，且所述信号采集板的输出端与单片机的I/O口相连，将采集到的信号传输至单片机处理；

所述人机交互界面包括液晶显示屏和按键，所述液晶显示屏与单片机的并行通信口相连接，将当前使用的探头编号和测量值显示在液晶显示屏上，所述按键与单片机的I/O口相连接，用于设置测量参数；

所述的远程通讯装置包括GPRS装置、GPS装置、远程服务器和远程客户端，所述GPRS装置与单片机的串行通信口相连接，用于进行数据传输,所述GPS装置与单片机的串行通信口相连接，用于将测试点的经纬度以及高度信息实时上传至远程服务器，便于获知当前钢管所在具体位置；所述远程服务器上安装有SOL Server数据库，并通过固定的IP地址接入互联网，利用接收程序将多台测厚设备传送的钢管厚度值、对应的时间值和设备编号等数据，按规定的格式存入数据库，并提供用户接口，供安装有远程客户端的电脑进行查询、分析、统计等处理；所述远程客户端可以布置在项目部、钢管厂或其它需要了解钢管磨损情况的任意一台Windows系统电脑中，所述远程客户端采用的客户端程序采用B/S(浏览器/服务器)或C/S（客户端/服务器）模式，用户安装浏览器或软件，连入互联网后，即可输入远程服务器的IP地址，调用数据库的测厚数据，以网页形式对多台测厚设备的数据进行查看访问。

优选地，所述单片机最小系统还包括电源电路、时钟电路、复位电路和存储芯片,如图3-6所示，所述电源电路与单片机的I/O口相连，用于为硬件电路各部分提供稳定电压；所述时钟电路与单片机的串口相连接，可获取测量的实时时间；所述复位电路与单片机的RESET口相连，通过一个按键用于恢复电路起始状态；所述存储芯片通过I²C协议串行连接到单片机，将测量的时间点、钢管编号以及厚度值存储，便于后期查询和动态分析。

优选地，所述信号采集装置包括超声波探头组、超声波发射电路和回波接收调理电路，各电路均设置在信号采集板上，其中，

所述超声波探头设置在待测物上，分别与超声波驱动电路和所述三级放大电路连接，兼具发射与接收功能，超声波发射电路通过探头激励出超声波，将采集的信号又通过探头传输至回波接收调理电路进行调理，经调理后的信号经计数电路送入单片机处理，计算出回波时间，得出钢管厚度值。

如图7所示为所述超声波发射电路，包括信号产生电路和超声波驱动电路，所述信号产生电路信号由单片机I/O口输出，经74HC74D触发器触发产生；所述信号产生电路产生的低功率功脉冲信号通过超声波驱动电路放大得到高功率的窄脉冲正弦波信号，进而激励超声波探头组产生并发射超声波；

所述回波接收调理电路包括三级放大电路如图8所示、偏置整形电路、检波电路、门选电路和计数电路如图9所示，所述三级放大电路、偏置整形电路、检波电路、门选电路和计数电路按顺序连接；所述计数电路通过8位并入串出移位寄存器74HC165D与单片机I/O口连接；

优选地，所述单片机控制装置还具备警报功能，通过单片机编程，当测试的钢管厚度超出设定的警报临界值时进行警报，单片机将警报信息发送给液晶屏和远程通讯装置，实现远程警报。

优选地，所述超声波探头组采用一个及一个以上的探头，设置在待测钢管的管壁上。本实用新型中多探头可以同时使用，也可以只连接其中一个或几个探头。在钢管内壁磨损情况较为复杂的部位，可以同时接入多个探头，呈多角度，多位置测厚，避免误测和漏测，方便布置的同时大大节省成本。

优选地，所述超声波探头组中所用探头为轮式探头或固定密封式探头。

优选地，所述轮式探头外圈为一种干耦合材料，在干耦合材料和超声探头之间填充水作为耦合剂，水被密封在干耦合材料中不会流出。本实用新型中采用的干耦合材料为硅胶。

优选地，所述固定密封式探头焊死在钢管外壁，并配铸铝防腐蚀电控盒密封，采用聚胺酸材料制成的加强密封圈密封，高耐腐蚀性，无需每次测量时人为添加耦合剂。

本实用新型主程序采用自上而下的设计理念，以AVR Atmega128片机作为主控芯片，采用C语言作为编程语言，以分块的思想进行程序的编写。如图11示，本实用新型的工作流程如下：测厚装置开机之后首先进行装置的初始化，尤其是计数器的清零初始化，确保后续计数的脉冲个数准确无误，然后在单片机的控制信号下产生发射脉冲和控制74HC221D芯片在第一次接收到回波后工作产生阀门脉冲，接着使晶振启动，最后使计数器工作得到计数个数数据，数据送入单片机进行处理，从而得到超声波在被测材料中的往返时间t,最后由公式计算得到被测材料的厚度，并在显示器上显示。本领域技术人员可根据上述描述实现本实用新型的工作。

本实用新型中单片机最小系统采用Atmel公司推出的AVR系列ATmega128型芯片，液晶显示屏采用12864液晶屏，电源电路采用MAX858CSA+T升压型稳压芯片，时钟电路采用DS1302芯片作为实时时钟，存储电路采用MB85RC16V型存储器芯片，远程服务器为WindowsServer操作装置，并采用SQL Server数据库用于存储数据，所述GPRS装置采用SIM808芯片，所述GPS装置亦集成在SIM808芯片中（本实用新型中GPS装置可集成在GPRS装置采用的GPRS芯片上，即该芯片兼具GPRS和GPS功能，例如SIM808芯片；也可以独立于GPRS装置，采用GPS芯片，并通过GPRS装置将数据上传至远程服务器，均为常规技术手段）。本实用新型中述及的单片机最小系统包括单片机（ATmega128型芯片）、电源电路、时钟电路、复位电路和存储芯片,各电路与单片机之间的连接关系均为本领域技术人员所掌握的常规技术手段，故而未加详述。

本实用新型所述回波接收调理电路包括三级MAX4180放大电路、偏置整形电路、检波电路、门选电路和计数电路，采样调理后的信号送入74HC393D计数器计数后送入单片机，由单片机计算出回波时间，再根据声速，得出钢管厚度值。上述技术均为本领域技术人员所掌握的常规技术手段，故而未加详述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种疏浚钢管远程在线测厚装置，其特征在于，包括单片机控制装置、人机交互界面和远程通讯装置，其中，

所述单片机控制装置包括单片机最小系统和信号采集装置，所述单片机最小系统包括单片机，所述信号采集装置包括信号采集板，且所述信号采集板的输出端与单片机的I/O口相连，将采集到的信号传输至单片机处理；

所述人机交互界面包括液晶显示屏和按键，所述液晶显示屏与单片机的并行通信口相连接，将当前使用的探头编号和测量值显示在液晶显示屏上，所述按键与单片机的I/O口相连接，用于设置测量参数；

所述的远程通讯装置包括GPRS装置、GPS装置、远程服务器和远程客户端，所述GPRS装置与单片机的串行通信口相连接，用于远程数据的传输；所述GPS装置与单片机的串行通信口相连接，将测试点的经纬度以及高度信息实时上传至远程服务器，便于获知当前钢管所在具体位置；所述远程服务器端通过固定的IP地址接入互联网，用来与GPRS装置建立网络通讯；所述远程客户端通过互联网与远程服务器建立通讯，用于调用、分析和处理数据库的测厚数据。

2.根据权利要求1所述的一种疏浚钢管远程在线测厚装置，其特征在于，所述单片机最小系统还包括电源电路、时钟电路、复位电路和存储芯片，所述电源电路与单片机的I/O口相连，用于为硬件电路各部分提供稳定电压；所述时钟电路与单片机的串口相连接，可获取测量的实时时间；所述复位电路与单片机的RESET口相连，通过一个按键用于恢复电路起始状态；所述存储芯片通过I²C协议串行连接到单片机端，将测量的位置、时间点、钢管编号以及厚度值存储，便于后期查询和动态分析。

3.根据权利要求1所述的一种疏浚钢管远程在线测厚装置，其特征在于，所述信号采集装置还包括超声波探头组、超声波发射电路和回波接收调理电路，各电路均设置在信号采集板上，其中，

所述超声波探头组安装在待测物上，分别与所述超声波发射电路和回波接收调理电路连接，所述超声波探头组集成了发射和接收功能，由超声波发射电路激励超声波探头组产生超声波，采集的信号又通过超声波探头组传输至回波接收调理电路进行调理;

所述超声波发射电路包括信号产生电路和超声波驱动电路，所述信号产生电路输入端与单片机的I/O口相连；所述信号产生电路产生的低功率功脉冲信号通过超声波驱动电路放大得到高功率的窄脉冲正弦波信号，进而激励超声波探头组产生并发射超声波；

所述回波接收调理电路包括三级放大电路、偏置整形电路、检波电路、门选电路和计数电路，所述三级放大电路、偏置整形电路、检波电路、门选电路和计数电路按顺序连接，所述计数电路通过8位并入串出移位寄存器与单片机I/O口连接。

4.根据权利要求3 所述的一种疏浚钢管远程在线测厚装置，其特征在于：所述超声波探头组采用一个及一个以上的探头，设置在待测钢管的管壁上，便于布置测点位置。

5.根据权利要求3或4所述的一种疏浚钢管远程在线测厚装置，其特征在于：所述超声波探头组中所用探头为轮式探头或固定密封式探头。

6.根据权利要求5所述的一种疏浚钢管远程在线测厚装置，其特征在于：所述轮式探头外圈设有一种干耦合材料，在干耦合材料和超声探头之间填充水作为耦合剂，水被密封在干耦合材料中。

7.根据权利要求5所述的一种疏浚钢管远程在线测厚装置，其特征在于：所述固定密封式探头焊死在钢管外壁，并配铸铝防腐蚀电控盒密封，采用聚胺酸材料制成的加强密封圈密封。