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1引言 目前,以超聲波測(cè)厚儀測(cè)量管材和其它部件厚度。測(cè)量方法是逐點(diǎn)測(cè)量,缺乏對(duì)整個(gè)管材連續(xù)測(cè)量的能力。根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,石油管材在生產(chǎn)、加工和投入使用之前要進(jìn)行全長(zhǎng)度厚度測(cè)量。本文研究超聲波脈沖連續(xù)測(cè)厚原理以及實(shí)現(xiàn)八通道連續(xù)管材厚度測(cè)量系統(tǒng)。 2超聲波脈沖連續(xù)測(cè)厚原理 2.1超聲波脈沖測(cè)厚原理 超聲波脈沖法測(cè)厚的基本原理為:超聲波換能器(探頭)發(fā)出的超聲波一部分在外表面被反射回?fù)Q能器,如圖1(a)所示;一部分如圖1(b)所示,在內(nèi)表面反射回?fù)Q能器;還有一些發(fā)生多次反射,如圖1(c)所示。假設(shè)超聲波在外表面反射回?fù)Q能器所用的時(shí)間是t1,在內(nèi)表面反射回?fù)Q能器的時(shí)間是t2,超聲波在試件內(nèi)的傳播速度是c,那么試件的厚度l為: 
2.2超聲波連續(xù)測(cè)厚原理 在八通道超聲波測(cè)厚系統(tǒng)中,我們采用八個(gè)探頭均勻環(huán)繞在管材周圍、相鄰的兩個(gè)探頭相隔45°的探頭分布方式。工作時(shí)八個(gè)探頭依次觸發(fā),每個(gè)探頭的激發(fā)頻率為75 Hz,同時(shí)管材在傳送器的傳送下均勻通過探頭的測(cè)量區(qū)域,如果管材的傳送速度為10 m/min,那么同一個(gè)探頭兩個(gè)相鄰的測(cè)量點(diǎn)之間的距離為2.22 mm;整個(gè)系統(tǒng)相鄰的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離為0.278 mm。 3系統(tǒng)組成 3.1探頭的分布 在應(yīng)用過程中,由于管材表面不夠平滑,無法做到探頭與管材表面的直接耦合,超聲波由空氣到固體的透射率非常低,所以為了保證有一定能量的超聲波透射過管材,在探頭到管材之間就需要耦合劑。在本系統(tǒng)中,我們采用了噴淋水耦合的方法,利用水作為耦合劑。圖2為超聲波耦合示意圖。在圖2中,超聲波探頭被包圍在水倉中間,水由水倉噴向管材,超聲波借助水柱耦合到管材,在內(nèi)外壁上發(fā)生反射,再借助水柱耦合進(jìn)探頭。 
從管材壁反射回的超聲波脈沖經(jīng)過探頭接收后變成電信號(hào),再經(jīng)過電路分析,得出壁厚信息。 3.2電路分析 超聲波測(cè)厚電路主要由脈沖發(fā)生器、分頻電路、探頭激勵(lì)電路、回波信號(hào)放大電路、干擾切割電路、壁厚形成電路、脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路組成。 圖3是系統(tǒng)電路框圖: 
系統(tǒng)由數(shù)字脈沖發(fā)生器提供20 MHz脈沖,送給數(shù)字分頻電路,經(jīng)過數(shù)字分頻電路產(chǎn)生三部分同頻率脈沖信號(hào),一部分送移位觸發(fā)電路,一部分送壁厚脈沖形成電路,另一部分送數(shù)據(jù)采集卡;每個(gè)探頭激勵(lì)脈沖形成電路產(chǎn)生幅度為640 V的沖擊信號(hào)用來激發(fā)探頭;回波信號(hào)首先經(jīng)過放大電路放大,再由一塊高速比較器剔除干擾;由邏輯電路形成壁厚脈沖;壁厚脈沖通過脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路將壁厚信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電壓幅值信號(hào)送數(shù)據(jù)采集卡。系統(tǒng)通過移位觸發(fā)依次觸發(fā)8個(gè)超聲波探頭。探頭A觸發(fā)后探頭B觸發(fā),之后C觸發(fā),等到探頭H觸發(fā)之后,探頭A再次觸發(fā),依次輪回。 由于整個(gè)系統(tǒng)是8個(gè)通道的,在此之前的超聲波探頭激勵(lì)脈沖形成電路、回波信號(hào)放大電路、干擾信號(hào)切割電路、壁厚脈沖形成電路都各有8套,形成的8路壁厚脈沖信號(hào)為了保證測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的一致性,要通過同一個(gè)充放電電路。所以,信號(hào)在進(jìn)入恒流源充放電電路之前要進(jìn)行混合,通過時(shí)分復(fù)用把8個(gè)通道的信號(hào)混合為一個(gè)通道的信號(hào)。 4改進(jìn)的超聲波測(cè)厚系統(tǒng) 4.1系統(tǒng)不足 前面我們討論的超聲波測(cè)厚系統(tǒng),能夠?qū)懿倪M(jìn)行連續(xù)測(cè)量,而且通過增加通道,可以同時(shí)對(duì)管材的多條線進(jìn)行測(cè)量,能更加全面的了解管材的厚度信息。但是存在一些問題。 4.1.1超聲波探頭激勵(lì)的頻率不能太高 由于工藝的原因,為了保證測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的一致性,本系統(tǒng)只能經(jīng)過同一個(gè)充放電電路和峰值檢波電路進(jìn)行測(cè)量。在恒流源充放電電路中,電容的充放電需要一定的時(shí)間,如果探頭的激勵(lì)頻率過高,則會(huì)發(fā)生前一個(gè)充放電和后一個(gè)充放電周期重疊的現(xiàn)象,造成測(cè)量的錯(cuò)誤。探頭激勵(lì)的頻率不高則導(dǎo)致測(cè)量的速度不能過快,否則就造成了測(cè)量的不連續(xù)性。 4.1.2通道數(shù)不能過多 通道數(shù)不能過多,也就是探頭個(gè)數(shù)不能過多。原因與超聲波激勵(lì)頻率不能過高一樣。由于探頭是依次激勵(lì)的,如果通道的個(gè)數(shù)多,也會(huì)造成充放電周期的重疊。通道數(shù)不能過多則影響測(cè)量的覆蓋范圍。 4.1.3探頭激勵(lì)方式只能是串行 由于所有通道的壁厚信號(hào)要經(jīng)過同一個(gè)充放電電路和峰值檢波電路,這樣就要求這些通道在時(shí)間上不能并發(fā),否則會(huì)造成壁厚脈沖的重疊從而造成測(cè)量錯(cuò)誤。這是探頭激勵(lì)只能是串行方式的原因。探頭只能依次激發(fā),造成了測(cè)量速度不能過快。否則,在同一個(gè)探頭相鄰的兩個(gè)激勵(lì)周期內(nèi),測(cè)量點(diǎn)將相距過遠(yuǎn)而失去系統(tǒng)的連續(xù)測(cè)量能力。 4.1.4系統(tǒng)只能對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行連續(xù)壁厚測(cè)量,不具備對(duì)壁厚缺陷進(jìn)行判斷識(shí)別的能力。 4.2系統(tǒng)改進(jìn)的方法探討 系統(tǒng)的瓶頸主要在于所有的壁厚信號(hào)必須通過同一個(gè)恒流源充電放電電路和峰值檢波電路。隨著芯片處理速度的提高,可直接對(duì)回波信號(hào)采樣,得到的原始回波數(shù)據(jù)既可以用來進(jìn)行厚度測(cè)量、計(jì)算,還可以對(duì)后續(xù)的缺陷識(shí)別提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)。在改進(jìn)的系統(tǒng)中,采用對(duì)整個(gè)管材分區(qū)的方法。系統(tǒng)對(duì)整個(gè)管材表面分為16個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)覆蓋管材圓周的22.5°,在每個(gè)分區(qū)內(nèi)部,又有16個(gè)探頭作為超聲波的發(fā)射裝置和接收裝置并行排列,這些探頭的工作方式是串行觸發(fā)的,與前面所述的測(cè)厚系統(tǒng)相同。在各個(gè)分區(qū)之間,檢測(cè)是并行的。各個(gè)分區(qū)獨(dú)立檢測(cè),各自只負(fù)責(zé)自己的區(qū)域,不再需要進(jìn)入同一個(gè)電路以統(tǒng)一測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)區(qū)探頭1到探頭16送到模擬開關(guān)后,經(jīng)過模擬開關(guān),通過A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號(hào),再通過DSP中的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的特征提取,為以后缺陷信號(hào)的識(shí)別做鋪墊工作。如圖4所示。 
由于各通道波形都是由同一種超聲波換能器激發(fā)以及接收的,信號(hào)波形之間存在相當(dāng)大的相關(guān)性,若把經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接交給DSP傳送到微機(jī),則數(shù)據(jù)量過大,容易造成傳輸堵塞。所以,在送給控制DSP之前,先由各個(gè)區(qū)域的DSP進(jìn)行處理,以得到在不影響管材缺陷識(shí)別的情況下可以保留的最少數(shù)據(jù)?？紤]到各種回波信號(hào)之間的相關(guān)性,以及在缺陷信號(hào)特征不易用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述的情況下,可以采用主分量分析的方法對(duì)回波信號(hào)的特征進(jìn)行提取,然后再進(jìn)行處理。 5結(jié)論 本文研究的八通道超聲波連續(xù)測(cè)厚系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管材厚度的全長(zhǎng)度連續(xù)測(cè)量,符合美國(guó)石油協(xié)會(huì)API的最新標(biāo)準(zhǔn)。如果能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上述的改進(jìn),則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管材的全長(zhǎng)度連續(xù)快速測(cè)量。 摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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