超声波管材壁厚连续测量系统的研究

　　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。