專利名稱：垂直入射型線聚焦超聲傳感器陣列設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管道檢測(cè)用線聚焦脈沖超聲傳感器陣列的設(shè)計(jì)方法，該陣列采用聲束垂直入射方式，傳感器具有脈沖波收發(fā)功能，主要用于油、氣及其相關(guān)產(chǎn)品輸送管道的內(nèi)部全自動(dòng)檢測(cè)，為管道中缺陷的檢測(cè)、評(píng)估與維修提供數(shù)據(jù)。該發(fā)明提出了陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與測(cè)試參數(shù)的確定方法。
背景技術(shù)：
超聲波自動(dòng)管道檢測(cè)系統(tǒng)是利用超聲傳感器陣列，通過(guò)超聲回波來(lái)探測(cè)管道缺陷大小、方位和應(yīng)力的存在。這種方法用計(jì)算機(jī)解讀時(shí)更為方便和準(zhǔn)確，檢測(cè)精度高、數(shù)據(jù)解讀明晰、測(cè)量厚度不受限制，近幾年國(guó)際上發(fā)展迅速。預(yù)期超聲波方式在今后仍是長(zhǎng)輸油氣管道缺陷檢測(cè)的主要手段之一。
管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是管道工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研制的高新技術(shù)。該技術(shù)目前僅有國(guó)外幾家公司掌握，如專業(yè)研制和生產(chǎn)超聲管道檢測(cè)技術(shù)的著名公司有NKK、Pipetronix、TDWilliamson、日本鋼管株式會(huì)社、NDT Systems & Services AG、Tuboscope Pipeline Services Inc、NGKS International Corp等(K.Reber，M.Beller，H.Willems，and O.A.Barbian，A new generation of ultrasonic in-line inspection tools fordetecting，sizing and locating metal loss and cracks in transmission pipelines，NDTSystem & Service AG，Am Hasenbiel 6，76297 Stutensee，Germany，IEEE UltrasonicsSymposium 2002，pp.665-671)。
國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究尚處于起步階段，還未見到用于實(shí)際石油管道在役檢測(cè)機(jī)器人的有關(guān)報(bào)道。但國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)和專家充分意識(shí)到了管道中開展無(wú)損檢測(cè)及相關(guān)技術(shù)的重要性和迫切性，相繼在一些院校和科研所投資，進(jìn)行管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的理論和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種線聚焦管道檢測(cè)用超聲傳感器陣列的設(shè)計(jì)方法，為管道中缺陷的檢測(cè)服務(wù)。該發(fā)明采用線聚焦傳感器陣列，可兼顧一次性掃查面積與缺陷檢出率這一矛盾。給出了陣列參數(shù)確定與測(cè)試參數(shù)確定的設(shè)計(jì)公式。
本發(fā)明包括如下具體步驟1)將線聚焦脈沖超聲傳感器作為陣列檢測(cè)單元，以單個(gè)傳感器在管道壁中的傳播特性作為陣列設(shè)計(jì)依據(jù)之一；2)傳感器陣列的檢測(cè)區(qū)域覆蓋管道內(nèi)表面、外表面及管道壁，為了使傳感器在整個(gè)管道檢測(cè)區(qū)域中遇到缺陷時(shí)有較大的回波聲壓，將傳感器焦柱中部定位在管道壁中部，由于傳感器本身對(duì)聲束有聚焦作用，再加上入射到管道表面的二次聚焦作用，實(shí)際焦距比傳感器的理論焦距要短；3)以實(shí)際焦距落在管道壁中部作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到傳感器水程距離h的計(jì)算公式；4)根據(jù)傳感器的聲束角α和水程距離h，得到傳感器檢測(cè)弧長(zhǎng)l的計(jì)算公式；5)根據(jù)管道內(nèi)徑r，管道壁厚t，傳感器檢測(cè)弧長(zhǎng)l，得到傳感器陣列中傳感器數(shù)量的確定公式N。


圖1為本發(fā)明流程框2為本發(fā)明管道中傳感器聲波分析示意3為傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖1-傳感器陣列，2-介質(zhì)，3-管道壁，4-傳感器
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
1)傳感器選型按照傳感器所發(fā)射的超聲波聲束種類可以將超聲傳感器分為普通平直探頭型、點(diǎn)聚焦型和線聚焦型三種型號(hào)。普通平直探頭向外發(fā)射的聲束截面是圓型，點(diǎn)聚焦型傳感器的聲束理論上在焦點(diǎn)上是一個(gè)點(diǎn)，線聚焦傳感器聲束理論上在焦點(diǎn)處是一條線。在相同晶片當(dāng)量直徑的前提下，普通平直探頭所掃查的面積最大，線聚焦探頭次之，點(diǎn)聚焦探頭最小?？紤]到實(shí)際檢測(cè)要求，超聲傳感器陣列要完全能覆蓋管道內(nèi)表面，并且傳感器數(shù)量要盡可能少，同時(shí)要對(duì)小缺陷有一定的檢出能力，在綜合考慮這些要求之后，認(rèn)為，普通平直探頭雖然一次性掃查區(qū)域大，但是能量不夠集中，檢出小缺陷的能力較差，點(diǎn)聚焦探頭雖然能量集中，檢測(cè)小缺陷的能力最好，但要完成對(duì)整個(gè)管道內(nèi)表面掃查所需的傳感器數(shù)量較大，故選擇線聚焦超聲傳感器作為檢測(cè)用的超聲傳感器。
本發(fā)明中的超聲傳感器陣列檢測(cè)管道缺陷時(shí)，要求陣列上所有的傳感器一次性通過(guò)管道時(shí)，應(yīng)能夠覆蓋整個(gè)管道表面，并且要有一定的重疊率。設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證傳感器獲得大的超聲回波，將傳感器的實(shí)際焦距定位在管道壁厚的中部，這樣，可保證在整個(gè)壁厚范圍內(nèi)，檢測(cè)對(duì)象都處于聚焦探頭的焦柱之內(nèi)。由于管道有二次聚焦作用，所以實(shí)際焦距要比理論計(jì)算得到的焦距短。根據(jù)這些要求和線聚焦超聲探頭聲場(chǎng)特性，就可以進(jìn)行直探頭陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2)線聚焦傳感器在管道中水程距離確定方法為了使傳感器在整個(gè)管道壁上遇到缺陷時(shí)有較高的回波聲壓，將經(jīng)管道二次聚焦的超聲傳感器的理論焦點(diǎn)設(shè)計(jì)在管道壁的中部，圖2是單個(gè)傳感器在管道中的布設(shè)的示意圖。從圖中的幾何關(guān)系可以計(jì)算出傳感器的水程距離。
在圖2中，r是管道內(nèi)徑；t是管道壁厚；O是管道中心；O′是聲束在管道壁中焦點(diǎn)的位置，它位于管壁的中部；h是傳感器的水程距離。設(shè)超聲波在管道流體介質(zhì)中的聲速為c1，在管道壁中的聲速為c2。并建立如圖所示的平面直角坐標(biāo)系XOY。則超聲波入射到管道內(nèi)壁上點(diǎn)D的坐標(biāo)(xD，yD)可由下面的方程組求得y+xtgα=a+rtgα-htgαy2+x2=r2---(1)]]>則xD=(a+rtgα-htgα)tgα+(1+tg2α)r2-(a+rtgα-htgα)21+tg2αyD=a+rtgα-htgα-tgα(1+tg2α)r2-(a+rtgα-htgα)21+tg2α]]>則，D點(diǎn)超聲波的入射角∠ODC為∠ODC=α+arcsinyDr---(2)]]>根據(jù)折射定理，超聲波在管道壁中的折射角∠O′DH為∠O′DH=arcsin(c2c1sin∠ODC)---(3)]]>由圖2中幾何關(guān)系知，O′點(diǎn)的坐標(biāo)(xO′，yO′)就是直線OO′與直線DO′的交點(diǎn)，可由下面的方程組求解得到
y=-xtg(∠O′DH-arcsinyDr)+yD+xDtg(∠O′DH-arcsinyDr)y=0---(4)]]>則xO′=yDtg(∠O′DH-arcsinyDr)+xDyO′=0]]>而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次聚焦后的焦點(diǎn)應(yīng)在管道壁厚的中點(diǎn)，所以，可知O′點(diǎn)的坐標(biāo)為 故可得到以下表達(dá)式r+t2=yDtg(∠O′DH-arcsinyDr)+xD---(5)]]>將yD、xD和∠O′DH的表達(dá)式代入式(5)，整理后得(r+t2)(1+tgα)=a+rtgα-htgα-tgα(1+tg2α)r2-(a+rtgα-htgα)2tg{arcsin[c2c1sin(α+arcsinyDr)]-arcsinyDr}---(6)]]>+(a+rtgα-htgα)tgα+(1+tg2α)r2-(a+rtgα-htgα)2]]>從式(6)可以看出，當(dāng)傳感器參數(shù)一定，且測(cè)試管道的直徑及壁厚一定時(shí)，上式只有一個(gè)未知數(shù)，所以可以求得傳感器的水程距離h。但由于方程非常復(fù)雜，無(wú)法給出h的顯式解，所以只能借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解該方程。
3)單個(gè)傳感器檢測(cè)弧長(zhǎng)的確定方法傳感器聲束所能覆蓋的管道內(nèi)表面弧長(zhǎng)為l=2rarcsin(a+rtgα-htgα-tgα(1+tg2α)r2-(a+rtgα-htgα)2r(1+tg2α))---(7)]]>4)陣列中傳感器數(shù)目的確定方法覆蓋整個(gè)管道檢測(cè)區(qū)域所需的傳感器的個(gè)數(shù)是N=2rπl---(8)]]>5)設(shè)計(jì)特例當(dāng)線聚焦超聲傳感器直徑為Ф10mm，晶片長(zhǎng)度為7mm，此時(shí)傳感器的理論焦距為31mm，管道內(nèi)徑為Ф195mm，壁厚為14mm，以水為耦合介質(zhì)，超聲波在水中的傳播速度為1500m/s，在管道壁中的傳播速度為5900m/s，則編程計(jì)算得傳感器的水程距離h為11.7mm，此時(shí)，傳感器聲束所能覆蓋的弧長(zhǎng)為4.36mm，如果傳感器的聲束不交疊，則需要140個(gè)傳感器，如果有10％的交疊，則需要175個(gè)傳感器。為了使傳感器以軸心對(duì)稱布置，設(shè)計(jì)采用了180個(gè)超聲傳感器組成陣列。
根據(jù)水程距離及管道參數(shù)，經(jīng)計(jì)算知傳感器陣列基座的最大外徑為Ф171.6mm，本發(fā)明采用外徑為Ф160mm的傳感器基座。每個(gè)傳感器均勻地布置在傳感器座上。傳感器陣列采用9列布置，每一列上有20個(gè)傳感器，每列上的傳感器相隔18°，且按基座軸心對(duì)稱，列與列之間按同一方向相隔2°。傳感器陣列布設(shè)示意圖如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種垂直入射型線聚焦超聲傳感器陣列設(shè)計(jì)方法，包括如下具體步驟1)將線聚焦脈沖超聲傳感器作為陣列檢測(cè)單元，以單個(gè)傳感器在管道壁中的傳特性作為陣列設(shè)計(jì)依據(jù)之一；2)傳感器陣列的檢測(cè)區(qū)域覆蓋管道內(nèi)表面、外表面及管道壁，將傳感器焦柱中部定位在管道壁中部，由于傳感器本身對(duì)聲束有聚焦作用，再加上入射到管表面的二次聚焦作用，實(shí)際焦距比傳感器的理論焦距要短；3)以實(shí)際焦距落在管道壁中部作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到傳感器水程距離h的計(jì)算公式；4)根據(jù)傳感器的聲束角α和水程距離h，得到傳感器檢測(cè)弧長(zhǎng)l的計(jì)算公式；5)根據(jù)管道內(nèi)徑r，管道壁厚t，傳感器檢測(cè)弧長(zhǎng)l，得到傳感器陣列中傳感器數(shù)量的確定公式N。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種管道自動(dòng)檢測(cè)用垂直入射型線聚焦超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)與檢測(cè)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。用于油、氣及相關(guān)產(chǎn)品輸送管道從內(nèi)部實(shí)行缺陷自動(dòng)檢測(cè)的場(chǎng)合。給出了管道檢測(cè)中水程距離的確定方法，傳感器聲束檢測(cè)管道覆蓋弧長(zhǎng)的確定方法，傳感器數(shù)量確定方法及一種傳感器陣列結(jié)構(gòu)方案。
文檔編號(hào)F17D5/00GK1865979SQ20061004054
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者宋壽鵬 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)