TW202201004A - 一用於偵測一表面之不平整度之感測器模組，一具有該模組之裝置，以及一使用該感測器模組，以偵測一表面其不平整度之方法 - Google Patents

一用於偵測一表面之不平整度之感測器模組，一具有該模組之裝置，以及一使用該感測器模組，以偵測一表面其不平整度之方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一用於偵測一表面其不平整度之感測器模組，特別是用於偵測管道外表面之凸起處或彎曲處之感測器模組。該感測器模組具有一臂組件，其係由一含有至少兩端之臂體，及一或多個裝設在該臂體至少一端之表面接觸元件所組成；一磁鐵組件，包含至少一可產生磁力線之磁鐵；以及一磁感測組件，其係由一裝設在鄰近磁鐵處，以偵測相應於臂體移動時所產生的磁力線變化之磁感測器所組成。本發明同時揭露一具有該之感測器模組之裝置，以及一使用該感測器模組，以偵測一表面其不平整度之方法。

Description

一用於偵測一表面之不平整度之感測器模組，一具有該模組之裝置，以及一使用該感測器模組，以偵測一表面其不平整度之方法
本發明係關於一用於偵測一表面不平整度之感測器模組，本發明亦關於一包括該感測器模組之裝置，以及一使用該感測器模組，以偵測一表面其不平整度之方法。
工業廠房的運作，仰賴各種設備，如管道，盤管，儲槽，反應器，鍋爐等。在某些狀況下，這些設備會在嚴苛的條件下操作。例如，在一腐蝕性的環境，高壓或高溫下。這樣嚴苛的條件會造成材料的變形，如此一來設備也會變形，凸起，及產生裂紋。在許多案例中，可經由檢查該設備的表面，以偵測上述各種缺陷。如果發現其表面變形或不平整，就需要調查發生了甚麼問題，以便及時維修。
因此，有必要發展一裝置或方法，可有效測定設備表面之不平整度或變形。相關習知技術之某些實例，如下所述。
歐洲專利第0 297 541 B1號揭露了一自動管體圓周掃描儀，可對一群排列在狹小空間內，如水平方向所示之管體，自動地進行調查，修補及其他作業。該儀器係由以下元件所組成，一裝設於一群管體其中一上管之上支撐/橫部，以便沿著一管軸移動，停下和抓緊該上管，一裝設在一下管之下支撐/橫部，以便移動，停下及抓緊該下管，一位在該上支撐/橫部及下支撐/橫部之間，固定於該處，且垂直延伸之彈性軌道(flexible rail)，以及一裝設在該彈性軌道之探測掃描部，可藉此上下移動。該儀器可抓緊任一位在上述上管和下管之間的管體，以對同一管體周圍進行探測掃描。
然而，該歐洲專利所述之儀器，只能應用於水平操作，並不適用於垂直操作。
日本專利第4775492 B2號，揭示了一表面檢查裝置，及一使用光學偵測例如一薄鋼板之一細微不平缺陷之方法。該裝置包含了一用於照射一鋼板表面之光源，其光波長為10.6微米或更長，以及一用於偵測微小缺陷之偵測系統。該偵測系統係依據因鋼板表面不規則微小缺陷所反射光線之聚焦或擴散，所得到的明暗圖案，測得該些微小缺陷。該光源發出光線，照射鋼板那些和鋼板卷接觸的部分。該偵測系統具有一可將被鋼板表面所反射的光，投射於其上之螢幕，以及一用以測量該螢幕光強度分布(light intensity distribution)之二維(two-dimensional)相機。
此日本專利之技術，要求入射角要接近90°左右，如此一來，要將一必要設備引入一實際操作線，會變得困難重重，同時還有光學元件難以調整的問題。
在偵測一表面之缺陷或不平整度方面，也有一些進展，其中如磁通量偵測/感測技術之應用，如以下各文件所述。
日本專利公開號H08-160006，其揭露了一使用一漏磁(magnetic flux leakage)檢測法，以偵測位於一物品內之一夾雜物(inclusion)之技術，藉由因表面形狀變化所產生的漏通率(leakage flux)訊號，漏磁檢測法可偵測表面缺陷。
美國專利公開號2011/0000338 A1揭示了一方法及裝置，其係用於偵測存在於一鐵磁金屬(ferromagnetic metal)物品之一凹凸形表面缺陷，包括感測一由該凹凸形表面缺陷之應變(strain)所造成之一訊號。該訊號係從鐵磁金屬往施加磁通量處洩漏之磁通量。該偵測裝置包含一可將鐵磁金屬磁化之磁化器(magnetizer)，及複數個磁感測器，其排列方向係垂直於該鐵磁金屬之一移動方向，以感測因凹凸形表面缺陷之應變(strain)所造成之一訊號。
上述美國專利公開案所述之方法及裝置僅限於偵測尺寸落在0.5-6微米之間的表面缺陷，因此，無法施用於各種應用中。
因此本發明之目標係在組成一用於偵測一表面不平整度之感測器模組，特別是該表面之凸起處或彎曲處，力求克服上述習知技術之問題，同時提供一有效，結構簡易，適用於各種應用之模組。
本發明之首要面向係關於一用於偵測一表面不平整度之感測器模組，該感測器模組包括一臂組件，其係由一具有至少兩端之臂體，及一或多個裝設在該臂體至少一端之表面接觸元件所組成；一磁鐵組件，由至少一可產生磁力線之磁鐵所構成；以及，一磁感測組件，由一裝設在鄰近磁鐵處，用於偵測相應於臂體移動所產生的磁力線變化之磁感測器所組成。
本發明之另一面向，係關於該用於偵測一表面其不平整度之裝置，包括該具有如上所述優勢之感測器模組，該感測器模組係裝設於一驅動工具，而該驅動工具係用於驅動該感測器模組，沿著待測之表面移動。
本發明之又一面向，係關於一用於偵測一表面之不平整度之方法，該方法具有下列步驟：
a)使用本發明之該感測器模組檢查該表面，以獲得該磁力線之變化數據；
b)將步驟a)所測得的數據傳送到該處理器；
c)步驟b)所接收的數據，轉換為從一起始位置到一受測位置之距離變化，以測定該表面之不平整度概況。
本發明之感測器模組，具有該感測器模組之裝置，以及使用該感測器模組之方法，可偵測裝設在狹小空間內的設備，其表面之不平整度。此外，該感測器模組可多方向操作。例如，可沿水平方向，傾斜方向，或垂直方向。
本發明茲於下詳細說明之，並請一併參閱相關圖式。
在權利請求項中和”包括”(comprising)並用及說明中所出現之單數名詞或複數名詞，可表示”一個”，同時也包含下列意義，”一或多個”，“至少一個”，及”一個或大於一個”的數量。
專業術語如包括(“comprise”)，具有(“has/have”)，包含(“include”)皆為開放式動詞(open-ended verbs)，其中這些動詞的至少一種形式，例如其現在分詞“comprise”，“comprising”， “has/have”，“having”，“include”，“including”，同時也是開放式動詞。例如，任何包括，具有，包含一步驟或更多步驟之方法，並不限於一步驟或多步驟，同時也涵蓋了那些未表明的步驟。
以下所提及之任何儀器，設備或方法，除非另有說明，係指儀器，設備或其他在所屬技術領域中，專門技術人員普遍使用或施行者。
本申請案中所揭露及請求之模組，裝置，及方法，係用於涵蓋從實施，操作，修改，改變任何並無顯著不同於本發明實驗之因素，所獲得本發明之各個面向，同時包括即使在權項中並未具體指出的情況下，依據所屬技術領域中，一般技術人員觀點，即可獲取和本發明類似的性質，效用，優勢和結果。因此，任何替代或類似本發明各面向者，包括對本領域專門技術人員顯而易見之微小修改或變化，皆應視為落在本發明所附權項中所示之目的，概念及範圍內。
依據第一圖到第三圖所示之該第一示例中，本發明之第一面向，係關於一用於偵測表面(圖中未顯示)不平整度之感測器模組。該感測器模組具有一臂組件(1)，其係由一具有至少兩端之臂體(11)，一或多個裝設在該臂體(11)至少一端之表面接觸元件(12)所組成；一磁鐵組件(2)，其係由至少一可產生磁力線之磁鐵(21)所組成；以及，一磁感測組件(3)，其係由一裝設在鄰近磁鐵(21)處，用於偵測相應於臂體(11)移動所產生的磁力線變化之磁感測器(31)所組成。
依據以上面向所述，藉由磁鐵(21)相對於磁感測器(31)的移動，可感測到磁力線的變化，接著該磁力線的變化會被轉換為一到該表面之垂直距離。
臂組件(1)進一步包括一用於控制該臂體(11)之一移動方向之方向控制裝置(13)，使其趨近或遠離該表面。方向控制裝置(13)係作為控制臂體(11)往預定方向移動之用。
在一示例中，該臂體(11)可被塑形為一具有一端(111)及一自由端(112)之棒狀物。但是臂體(11)之形狀，並不限於棒狀，也可能是其他形狀，如圓柱狀或三角形。
自由端(112)係用於裝設在表面接觸元件(12)。而該表面接觸元件(12)會偏移(biased)以接觸該表面，而且可能是任何能促進偵測器模組沿著該表面移動之元件。例如，該表面接觸元件(12)可能是一或多個輪子，滾輪，球體，軌道，及履帶。
依據上述實施例所述，該表面接觸元件(12)會偏移以接觸該表面，所以偵測器模組可有效地偵測到和該臂體(11)的移動相關之磁力線變化。
在一較佳實施例中，該磁鐵組件(2)組裝在臂組件(1)上的方式，可使磁鐵(21)所產生之磁力線其排列，和該臂體(11)之移動方向相關聯。
依據第一圖到第三圖所示之該第一示例中，該方向控制裝置(13)包括一組裝於臂體(11)之移動導件(131)，及一裝設於臂體(11)之固定導件(132)，其中該移動導件(131)及該固定導件(132)合作，以導引該臂體(11)，沿著一垂直於該表面之方向，趨近或遠離該表面。除了移動導件(131)及固定導件(132)外，方向控制裝置(13)可能還包括其他元件。例如，該方向控制裝置(13)可能包括數個線圈(loops)及一導桿。
在本發明之一實施例中，該臂組件(1)進一步包括一偏移組件(14)。
依據第一圖到第三圖所示之第一示例中，該偏移組件(14)包括一表面接觸元件支撐件(141)，和一從表面接觸元件支撐件(141)向下延伸之延伸部(142)。偏移組件(14)可進一步具有一軸件(143)，從延伸部(142)沿著平行於臂體(11)的方向延伸出去，一位在軸件(143)上之彈簧(144)，以及一位在彈簧(144)一端之推頂部(145)，該推頂部(145)係以壓縮的方式，推頂該彈簧(144)。所有上述元件之裝配，都是為了使彈簧(144)之偏移力(biasing force)，能被傳遞到該表面接觸元件(12)，以確保該表面接觸元件(12)能一直接觸該表面。
該磁鐵(21)可選自磁條，磁棒，圓形磁鐵片，半圓形磁鐵片，橢圓形磁鐵片，正方形磁鐵片，及三角形磁鐵片，其中任一種。
依據該第一實施例，該磁鐵(21)可能是一位在該臂體(11)之一表面上之一磁條。較佳地，該磁條的形狀係和臂體(11)之形狀相符。或者在另一實施例中，該磁鐵(21)可能是一位在磁鐵組件(2)內之一圓形磁鐵片。
依據一較佳實施例，該感測器模組進一步包括一可和該磁感測組件(3)通訊之處理器，其係用於接收來自該磁感測器(31)之感測數據，以及將該感測數據轉換為該表面之不平整度概況(unevenness profiles)。藉由將磁力線變化的數據轉換為該表面之不平整度，該處理器使操作者能獲得所需資料。
依據本發明之第一實施例，於第一圖中清楚顯示，該磁感測組件(3)包括磁感測器(31)；一用於支撐該磁感測器(31)之磁感測器支架(32)，其係位在鄰近該磁鐵(21)處，而且面向該磁鐵(21)；以及一電性連接該磁感測器(31)之電路(33)，用於接收來自該磁感測器(31)之感測數據，及傳送該感測數據到處理器。
本發明感測器模組之第二示例，如第四圖到第七圖所示。
依據第四圖所示之第二實施例，該臂體(11)係可旋轉地組裝於該磁鐵組件(2)上；而該方向控制裝置(13)包括有一旋轉導件(133)及一固定桿(134)。該旋轉導件(133)係可旋轉地裝設於該臂體(11)之該端(111)，同時藉由旋轉導件(133)上之一孔洞(1331)，可滑動地組裝於該固定桿(134)，而該固定桿(134)之一端係裝設於該磁感測組件(3)。
依據上述第二實施例之排列設置，使磁鐵組件(2)在臂體(11)移動時，可相對應地旋轉。此設計使感測器模組體積巧小，因此可使用該感測器模組，以偵測位在狹小空間內該表面之不平整度。
依據本發明之兩者中之另一實施例，該表面接觸元件(12)，係藉由一位在該臂體(11)和該磁感測組件(3)之間的扭力彈簧，而偏移以接觸該表面。
參閱第四圖所示之第二示例，該磁鐵組件(2)包括磁鐵(21)及一桿體(22)。該桿體(22)具有一可旋轉地組裝於臂體(11)之一端，而其另一端係可旋轉地組裝於磁感測組件(3)。較佳地，該磁鐵(21)係一磁鐵旋轉件，位在桿體(22)組裝於磁感測組件(3)之位置。
如第四圖到第六圖所示，第二實施例之磁感測組件(3)具有一磁感測器架(34)，磁感測器(31)係連接附著在磁感測器架(34)上，而該電路(33)係裝設在磁感測器架(34)，並且電性連接到磁感測器(31)，以接收來自磁感測器(31)的感測數據，並傳送該感測數據到處理器。
在一較佳實施例中，該磁感測器架(34)係呈倒L型(L-inverted shape)，其具有一端(341)，可旋轉地組裝於該磁鐵組件(2)，而其另一端(342)則裝設於方向控制裝置(13)之固定桿(134)。而磁感測器(31)則連接附著在該磁感測器架(34)，且位在鄰近該磁鐵(21)處，以偵測該磁鐵(21)之旋轉。
第七a圖顯示本發明感測器模組之第二示例，係位在一正常位置(normal position)(N)，而第七b圖顯示該感測器模組係位在一偵測位置(detecting position)(B)；其中配備有磁鐵(21)之桿體(22)，從該正常位置(N)移動到該偵測位置(B)，移動角度是為(Θ)。
本發明的第二面向係關於該用於偵測該表面不平整度之裝置，該裝置具有本發明之感測器模組，該感測器模組係裝設於一驅動工具(driving tool)(5)，而該驅動工具(5)係用以驅動該感測器模組，沿著該待測表面移動。
第八圖顯示該用於偵測表面不平整度之裝置，配備有本發明第一示例之感測器模組，而第九圖所顯示之裝置，則配備有本發明第二示例之感測器模組。
在一特別用於偵測一管道(pipe)之一外表面其不平整度，特別是該管道外表面之凸起及彎曲處之實施例中，該裝置具有複數個感測器模組，沿著該管道外表面之圓周排列。較佳地，該些感測器模組係成對排列，同時每一感測器模組係安排在彼此相對的位置。成對排列的感測器模組可提供關於管道直徑的資料。此外，該管道之不平整度，可藉由改變從該偵測裝置所測得之管道直徑相關數據來測定。
更理想地，至少有四對感測器模組，沿著該管道外表面之圓周排列，以測得該管道周圍概況。
另外，本發明之該裝置可進一步包括一輔助感測器，其係用於偵測更多該受測設備之其他數據。例如，該輔助感測器係為一滲碳感測器(carburization sensor)及一裂紋及厚度量測感測器(crack and thickness measurement sensor)。
本發明之第三面向係關於一用於偵測一表面之不平整度之方法，該方法具有下列步驟：
a)使用本發明之該感測器模組檢查該表面，以獲得該磁力線之變化數據；
b)將步驟a)所測得的數據傳送到該處理器；
c)將步驟b)所接收的數據，轉換為從一起始位置到一受測位置之距離變化，以測定該表面之不平整度概況。
本發明之方法可在該轉換數據步驟之前，進一步包括一放大磁力線變化數據之訊號之步驟。在一實施例中，此放大磁力線變化數據訊號之步驟，係使用一閘道器(gateway)來執行。
發明之最佳模式
本發明的最佳模式，如同詳細說明中所述。
1:臂組件
11:臂體
111:端
112:自由端
12:表面接觸元件
13:方向控制裝置
131:移動導件
132:固定導件
133:旋轉導件
1331:孔洞
134:固定桿
14:偏移組件
141:表面接觸元件支撐件
142:延伸部
143:軸件
144:彈簧
145:推頂部
2:磁鐵組件
21:磁鐵
22:桿體
3:磁感測組件
31:磁感測器
32:磁感測器支架
33:電路
34:磁感測器架
341:端
342:端
5:驅動工具
第一圖：本發明感測器模組，第一示例之側視圖；
第二圖：本發明感測器模組，第一示例之上視圖；
第三圖：本發明感測器模組，第一示例接觸表面時之側視圖；
第四圖：本發明感測器模組，第二示例之側視圖；
第五圖：本發明感測器模組，第二示例之另一側視圖；
第六圖：本發明感測器模組，第二示例之前視圖；
第七a及七b圖：本發明感測器模組之第二示例，分別位在一正常位置及偵測位置時之側視圖；
第八圖：本發明用於偵測該表面其不平整度之裝置，第一示例之上視圖；
第九圖：本發明用於偵測該表面其不平整度之裝置，第二示例之上視圖。
1:臂組件
11:臂體
111:端
12:表面接觸元件
13:方向控制裝置
131:移動導件
132:固定導件
14:偏移組件
141:表面接觸元件支撐件
142:延伸部
143:軸件
144:彈簧
3:磁感測組件
31:磁感測器
32:磁感測器支架
33:電路

Claims (30)

  1. 一種一用於偵測一表面不平整度之感測器模組，該感測器模組包括： 一臂組件包括 一具有至少兩端之臂體， 一或多個裝設在該臂體至少一端之表面接觸元件； 一磁鐵組件，包括至少一可產生磁力線之磁鐵；以及 一磁感測組件，包括一裝設在鄰近磁鐵處，用於偵測相應於臂體移動時所產生的磁力線變化之磁感測器。
  2. 如請求項1所述感測器模組，其中該臂組件進一步包括一用於控制該臂體之一移動方向之方向控制裝置，使其趨近或遠離該表面。
  3. 如請求項1或2所述之感測器模組，其中該臂體被塑形為一具有一端及一自由端之棒狀物。
  4. 如請求項3所述之感測器模組，其中該自由端係用於裝設在該表面接觸元件，而該表面接觸元件會偏移以接觸該表面。
  5. 如請求項1所述之感測器模組，其中該磁鐵組件組裝在該臂組件上的方式，可使該磁鐵所產生之磁力線其排列，和該臂體的該移動方向產生關聯。
  6. 如請求項2所述之感測器模組，其中該方向控制裝置包括一組裝於臂體之移動導件，及一裝設於臂體之固定導件，其中該移動導件及該固定導件合作，以導引該臂體，沿著一垂直於該表面之方向，趨近或遠離該表面。
  7. 如請求項1所述之感測器模組，其中該表面接觸元件係選自一或多個輪子，滾輪，球體，軌道，及履帶。
  8. 如請求項1所述之感測器模組，其中該臂組件進一步包括一偏移組件。
  9. 如請求項8所述之感測器模組，其中該偏移組件包括一表面接觸元件支撐件，和一從該表面接觸元件支撐件向下延伸之延伸部。
  10. 如請求項9所述之感測器模組，其中該偏移組件可進一步具有一軸件，從該延伸部沿著平行於該臂體的方向延伸出去，一位在該軸件上之彈簧，以及一位在該彈簧一端之推頂部，該推頂部係以壓縮的方式，推頂該彈簧。
  11. 如請求項1或5所述之感測器模組，其中該磁鐵可選自磁條，磁棒，圓形磁鐵片，半圓形磁鐵片，橢圓形磁鐵片，正方形磁鐵片，及三角形磁鐵片，其中任一種。
  12. 如請求項11所述之感測器模組，其中該磁鐵是一位在該臂體之一表面上之一磁條。
  13. 如請求項11所述之感測器模組，其中該磁鐵是一位在磁鐵組件內之圓形磁鐵片。
  14. 如請求項1所述之感測器模組，其中該感測器模組進一步包括一可和該磁感測組件通訊之處理器，其係用於接收來自該磁感測器之感測數據，以及將該感測數據轉換為該表面之不平整度概況。
  15. 如請求項14所述之感測器模組，其中該磁感測組件包括： 該磁感測器； 一用於支撐該磁感測器之磁感測器支架，鄰近且面向該磁鐵；以及 一電性連接該磁感測器之電路，以接收來自該磁感測器之感測數據，及傳送該感測數據到該處理器。
  16. 如請求項2所述之感測器模組，其中 該臂體係可旋轉地組裝於該磁鐵組件；以及 該方向控制裝置包括有一旋轉導件及一固定桿，該旋轉導件係可旋轉地裝設於該臂體之該端，同時藉由旋轉導件上之一孔洞，可滑動地組裝於該固定桿，而該固定桿之一端係裝設於該磁感測組件。
  17. 如請求項1所述之感測器模組，其中該表面接觸元件，係藉由一位在該臂體和該磁感測組件間之扭力彈簧，而偏移以接觸該表面。
  18. 如請求項1所述之感測器模組，其中該磁鐵組件包括： 該磁鐵；以及 一桿體，具有一可旋轉地組裝於臂體之一端，及另一端，可旋轉地組裝於該磁感測組件， 其中該磁鐵係一磁鐵旋轉件，位在該桿體組裝於該磁感測組件之位置。
  19. 如請求項15所述之感測器模組，其中該磁感測組件包括一磁感測器架，該磁感測器係連接附著在該磁感測器架上，而該電路係裝設於磁感測器架，且電性連接該磁感測器，以接收來自磁感測器之該感測數據，並傳送該感測數據到處理器。
  20. 如請求項19所述之感測器模組，其中該磁感測器架係呈倒L型，其具有一端，可旋轉地組裝於該磁鐵組件，而其另一端則裝設於該方向控制裝置之該固定桿。
  21. 如請求項19或20所述之感測器模組，其中該磁感測器係連接附著在該磁感測器架，且位在鄰近該磁鐵處。
  22. 一種一用於偵測一表面之不平整度之裝置，該裝置包括如請求項1所述之該感測器模組，該該感測器模組係組裝在一驅動工具，而該驅動工具係用於驅動該感測器模組，沿著該待測表面移動。
  23. 如請求項22所述之裝置，其係用於偵測一管道之不平整度，其中該裝置包括複數個感測器模組，沿著該管道之一外表面之一圓周排列。
  24. 如請求項23所述之裝置，其中該些感測器模組係成對排列，同時每一感測器模組都安置在彼此相對的位置。
  25. 如請求項24所述之裝置，其中至少有四對該感測器模組，沿著該管道該外表面之該圓周排列。
  26. 如請求項22所述之裝置，進一步包括一輔助感測器，該輔助感測器係為一滲碳感測器(carburization sensor)，或裂紋及厚度量測感測器(crack and thickness measurement sensor)。
  27. 一種一用於偵測一表面之不平整度之方法，該方法具有下列步驟： a)          使用如請求項1所述之該感測器模組檢查該表面，以獲得該磁力線之變化數據； b)          將步驟a)所測得的數據傳送到該處理器； c)          將步驟b)所接收的數據，轉換為從一起始位置到一受測位置之距離變化，以測定該表面之不平整度概況。
  28. 如請求項27所述之方法，在該轉換數據步驟之前，該方法進一步包括一放大該磁力線變化數據之該訊號之步驟。
  29. 如請求項28所述之方法，其中該放大該磁力線變化數據之該訊號之步驟，係使用一閘道器(gateway)來執行。
  30. 如請求項1所述之感測器模組，以偵測一表面之不平整度。
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