1引言

目前,以超声波测厚仪测量管材和其它部件厚度。测量方法是逐点测量,缺乏对整个管材连续测量的能力。根据美国石油协会的最新标准规定,石油管材在生产、加工和投入使用之前要进行全长度厚度测量。本文研究超声波脉冲连续测厚原理以及实现八通道连续管材厚度测量系统。

2超声波脉冲连续测厚原理

2.1超声波脉冲测厚原理

超声波脉冲法测厚的基本原理为:超声波换能器(探头)发出的超声波一部分在外表面被反射回换能器,如图1(a)所示;一部分如图1(b)所示,在内表面反射回换能器;还有一些发生多次反射,如图1(c)所示。假设超声波在外表面反射回换能器所用的时间是t1,在内表面反射回换能器的时间是t2,超声波在试件内的传播速度是c,那么试件的厚度l为:

2.2超声波连续测厚原理

在八通道超声波测厚系统中,我们采用八个探头均匀环绕在管材周围、相邻的两个探头相隔45°的探头分布方式。工作时八个探头依次触发,每个探头的激发频率为75 Hz,同时管材在传送器的传送下均匀通过探头的测量区域,如果管材的传送速度为10 m/min,那么同一个探头两个相邻的测量点之间的距离为2.22 mm;整个系统相邻的两个测量点之间的距离为0.278 mm。

3系统组成

3.1探头的分布

在应用过程中,由于管材表面不够平滑,无法做到探头与管材表面的直接耦合,超声波由空气到固体的透射率非常低,所以为了保证有一定能量的超声波透射过管材,在探头到管材之间就需要耦合剂。在本系统中,我们采用了喷淋水耦合的方法,利用水作为耦合剂。图2为超声波耦合示意图。在图2中,超声波探头被包围在水仓中间,水由水仓喷向管材,超声波借助水柱耦合到管材,在内外壁上发生反射,再借助水柱耦合进探头。

从管材壁反射回的超声波脉冲经过探头接收后变成电信号,再经过电路分析,得出壁厚信息。

3.2电路分析

超声波测厚电路主要由脉冲发生器、分频电路、探头激励电路、回波信号放大电路、干扰切割电路、壁厚形成电路、脉冲宽度转换电路组成。

图3是系统电路框图:

系统由数字脉冲发生器提供20 MHz脉冲,送给数字分频电路,经过数字分频电路产生三部分同频率脉冲信号,一部分送移位触发电路,一部分送壁厚脉冲形成电路,另一部分送数据采集卡;每个探头激励脉冲形成电路产生幅度为640 V的冲击信号用来激发探头;回波信号首先经过放大电路放大,再由一块高速比较器剔除干扰;由逻辑电路形成壁厚脉冲;壁厚脉冲通过脉冲宽度转换电路将壁厚信号转换为便于测量的电压幅值信号送数据采集卡。系统通过移位触发依次触发8个超声波探头。探头A触发后探头B触发,之后C触发,等到探头H触发之后,探头A再次触发,依次轮回。

由于整个系统是8个通道的,在此之前的超声波探头激励脉冲形成电路、回波信号放大电路、干扰信号切割电路、壁厚脉冲形成电路都各有8套,形成的8路壁厚脉冲信号为了保证测量标准的一致性,要通过同一个充放电电路。所以,信号在进入恒流源充放电电路之前要进行混合,通过时分复用把8个通道的信号混合为一个通道的信号。

4改进的超声波测厚系统

4.1系统不足

前面我们讨论的超声波测厚系统,能够对管材进行连续测量,而且通过增加通道,可以同时对管材的多条线进行测量,能更加全面的了解管材的厚度信息。但是存在一些问题。

4.1.1超声波探头激励的频率不能太高

由于工艺的原因,为了保证测量标准的一致性,本系统只能经过同一个充放电电路和峰值检波电路进行测量。在恒流源充放电电路中,电容的充放电需要一定的时间,如果探头的激励频率过高,则会发生前一个充放电和后一个充放电周期重叠的现象,造成测量的错误。探头激励的频率不高则导致测量的速度不能过快,否则就造成了测量的不连续性。

4.1.2通道数不能过多

通道数不能过多,也就是探头个数不能过多。原因与超声波激励频率不能过高一样。由于探头是依次激励的,如果通道的个数多,也会造成充放电周期的重叠。通道数不能过多则影响测量的覆盖范围。

4.1.3探头激励方式只能是串行

由于所有通道的壁厚信号要经过同一个充放电电路和峰值检波电路,这样就要求这些通道在时间上不能并发,否则会造成壁厚脉冲的重叠从而造成测量错误。这是探头激励只能是串行方式的原因。探头只能依次激发,造成了测量速度不能过快。否则,在同一个探头相邻的两个激励周期内,测量点将相距过远而失去系统的连续测量能力。

4.1.4系统只能对特定区域进行连续壁厚测量,不具备对壁厚缺陷进行判断识别的能力。

4.2系统改进的方法探讨

系统的瓶颈主要在于所有的壁厚信号必须通过同一个恒流源充电放电电路和峰值检波电路。随着芯片处理速度的提高,可直接对回波信号采样,得到的原始回波数据既可以用来进行厚度测量、计算,还可以对后续的缺陷识别提供第一手数据。在改进的系统中,采用对整个管材分区的方法。系统对整个管材表面分为16个区,每个区覆盖管材圆周的22.5°,在每个分区内部,又有16个探头作为超声波的发射装置和接收装置并行排列,这些探头的工作方式是串行触发的,与前面所述的测厚系统相同。在各个分区之间,检测是并行的。各个分区独立检测,各自只负责自己的区域,不再需要进入同一个电路以统一测量标准。每个区探头1到探头16送到模拟开关后,经过模拟开关,通过A/D转换器变换为数字信号,再通过DSP中的算法进行数据的特征提取,为以后缺陷信号的识别做铺垫工作。如图4所示。

由于各通道波形都是由同一种超声波换能器激发以及接收的,信号波形之间存在相当大的相关性,若把经过A/D转换后的数据直接交给DSP传送到微机,则数据量过大,容易造成传输堵塞。所以,在送给控制DSP之前,先由各个区域的DSP进行处理,以得到在不影响管材缺陷识别的情况下可以保留的最少数据。考虑到各种回波信号之间的相关性,以及在缺陷信号特征不易用精确的数学表达式描述的情况下,可以采用主分量分析的方法对回波信号的特征进行提取,然后再进行处理。

5结论

本文研究的八通道超声波连续测厚系统在实际应用中能够实现对管材厚度的全长度连续测量,符合美国石油协会API的最新标准。如果能对系统进行上述的改进,则能够实现对管材的全长度连续快速测量。

摘自：中国计量测控网