基于超声衍射反射回波渡越时间的缺陷识别技术

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

化工自动化及仪表,2006,33(4):50~52󰀁

ControlandInstrumentsinChemical󰀁Industry󰀁󰀁󰀁

基于超声衍射反射回波渡越时间的缺陷识别技术

陈天璐,阙沛文

(上海交通大学自动检测研究所,上海200030)

󰀁󰀁摘要:󰀁针对超声衍射回波渡越时间(TOFD)法对近表面缺陷不敏感、被测表面以下8mm之内为盲区的现状,提出一种改进的基于衍射和反射回波的渡越时间(TOFDR)的缺陷识别技术。该法不再直接检测缺陷上下端

部衍射的信号。通过检测经过底面反射一次的衍射信号,避免了侧向波和衍射波的叠加,将盲区缩减到被测表面以下2mm,且可以实现在线检测。阐述了该法的原理,给出了缺陷参数的计算方法,分析了探头间距和频率的影响。实验表明,该法可以检测到表面下2~35mm内94%的垂直裂缝,实际位置和尺寸同计算结果吻合,精度可达󰀂0.3mm。

󰀁󰀁关键词:󰀁TOFD;TOFDR;缺陷识别;裂缝

󰀁󰀁中图分类号:TP274󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1000󰀁3932(2006)04󰀁0050󰀁03

1󰀁引󰀁言

超声衍射渡越时间(TOFD)法是20世纪70年代产生并发展起来的一种精确测定垂直或接近垂直的裂缝缺陷的位置和尺寸的方法。与传统的脉冲法不同,反射回波的能量或到达时间不是用来测定缺陷的有无,而是检测缺陷的尺寸和位置

[1]

一步应用和深入发展。当缺陷接近于被测表面时(端部处于被测表面下8mm之内),衍射回波会与侧向波重叠

[3,4]

。回波的到达时刻很难确定。无法

计算缺陷的位置和尺寸。现有的解决方案主要集中于通过滤波、频谱分析、和希尔伯特变换等信号处理方法分离重叠的信号。然而,参数选择和计算复杂度增加了这些方法在应用上尤其是在线检测上的难度

[5]

。借助声

速和探头几何位置等信息,该法可方便地计算缺陷上下端面的位置,进而得到缺陷的深度和长度。脉冲法的精度一般是10mm。超声TOFD法的精度可达󰀂0.3mm。高精度和低价便携的硬件设备使该法迅速在石油化工、能源和无损检测等领域得到广泛应用。

然而,超声TOFD法的盲区大大了它的进

[2]

。

基于超声衍射反射回波渡越时间(TOFDR)的

缺陷识别技术从检测方法,而非后续数据处理角度,

󰀁󰀁收稿日期:2006󰀁06󰀁21(修改稿)

󰀁󰀁基金项目:国家 863!计划资助项目(2001AA602021)

及其它类型的内存等)的指令结构、答复指令AI的处理等详细分析。这些操作指令的构造、处理与前文详述的实例是类似的。

这些分析、学习,对于编写上位机软件,开发通

过PPI协议与S7󰀁200系列PLC进行交互的轻量级的现场设备,都是有意义的。我们已经据此以VB开发出用户自定义的上位机程序,实现对PLC数据的监视和现场采集、数据库入库、趋势图等功能。

StudyofPPIProtocol

PENGWei󰀁zhen,MAHong󰀁zhao,ZHANGHua,ZHANGWei(a.CollegeofMaterialScienceandChemicalEngineering;

b.InsituteofZhidaInformationandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Bymonitoringserialport,loggingPPIpackagesofwhichStep7󰀁Micro/WINcommunicateswithS7󰀁200se󰀁riesPLC,referringtoPROFIBUSspecification,weobtainthekeyformatofPPIprotocolframe,whichcanaccomplishmostbasicfunctionssuchasreaddata,writedata,lock/unlockPLCmemory,connectiontest,start/stopPLCandsoon.ItbringsmuchconvenienceformonitorprogramsdevelopmentandlightfieldequipmentsinterrelatedwithS7󰀁200seriesPLC.

Keywords:PPIprotoco;lSiemensPLC;S7󰀁200;serialcommunication

a

a

b

b

󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁陈天璐等.基于超声衍射反射回波渡越时间的缺陷识别技术

#51#

改进了TOFD法。该法可直接通过回波到达时间、声速和探头物理位置等信息得到缺陷的位置和尺寸。不但不需要信号的分离处理,还将盲区的范围缩减到表面下2mm之内。实验验证了该法的有效性和可行性。被测试件表面下2~35mm之内94%的缺陷可以被检测到,实际位置和尺寸同计算结果吻合,精度为󰀂0.3mm。2󰀁超声衍射渡越时间法

TOFD法的数学模型可用图1(a)表示[6]。发射探头(T)和接收探头(R)分别布置在被测物的同侧表面。固定T,慢慢移动R。当缺陷位于探头对之间时,会有四种信号产生。分别是侧向波(直接从T传输到R)、底面波(经过底面反射的声波)和缺陷上下端面的衍射回波。图1(b)为各个信号到达时间的示意图

[7]

设探头间距为2S;缺陷深度为D;长度为L;被测件厚度为H;声速为c;缺陷与探头中间处距离为Y;声波在探头内传输时间为t0;信号传输S1,S2,S3和S4声程的时间为t1,t2,t3和t4。根据勾股定理可以得到式(1)。当Y为0的时候,缺陷位于两个探头正中间,端面反射回波幅度最大,传输时间最短。可以得到式(2):

󰀁c(t1+t2-t0)=S1+S2=[D2+(S-Y)2]1/2

+[D+(S+Y)]

2

2

1/2

(1)(2)

󰀁c(t1+t2-t0)=S1+S2=2[D2+S2]1/2计算:󰀁D=1

2

ctp+4tpSc󰀁(tp=t1+t2-t0-2222于是,缺陷深度D和长度L可以由式(3)、(4)

2S

)c

(3)2S

)(4)c

。两个端面的衍射回波会在侧向波和

底面波之间出现。各信号相位依次相差90度。假

󰀁L=

12

ctq+4tqSc-D󰀁(tq=t3+t4-t0-

图1󰀁TOFD原理和信号时序图

3󰀁超声衍射反射回波渡越时间法

TOFD法通过探头和试件简单的几何关系以及信号到达时间差可以计算出精确的缺陷位置和长度。但它无法识别出接近表面的缺陷。当缺陷上端面或全部位于盲区(表面以下8mm之内)时,侧向波和端面衍射回波的声程差距很小,到达时间很接近,重叠现象无法避免。要通过信号到达时间差得到缺陷位置和长度,就必须先使重叠的信号分离开。

TOFDR法原理如图2(a)所示。声波传播路径的确定基于一个前提,即反射发生在声程最短处。图中,接收探头不直接接收端面衍射的回波信号,而是接收经过底面反射过一次后的回波信号。端面回波的声程会比侧向波的声程大很多,甚至比底面波的声程还要大。如此,信号的到达时间差增大,重叠被巧妙地避开了。各信号到达时间如图2(b)所示。两个端面的反射回波在侧向波和底面反射波后出现。

图2󰀁TOFDR原理图和回波时序图

󰀁󰀁为简单起见,仅讨论缺陷位于两探头正中间的情况。假设:ta∀∀∀侧向波从T到达R的时间;S1

+S2+S3∀∀∀T发出的声波经过缺陷上端面衍射,底面反射后被R接收的总声程;tc∀∀∀到达时间;

#52#

化工自动化及仪表󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第33卷󰀁

S4,S5,S6和td∀∀∀下端面回波的声程和到达时间。根据勾股定理和对称原理,两个端面的总声程可由式(5)和(6)表示:󰀁S1+S2+S3=S1+S∃2+S3

=

S+D+

222测到的是缺陷上端面的位置,此处仅给出部分上端面深度计算结果。当端面深度大于8mm时,两种方法均可给出满意的结果。当端面深度小于8mm的时候,TOFD方法几乎测不到衍射回波,给出的结果

S+(2H-D)

2222(5)

2全为零。TOFDR方法仍可以给出与实际近乎一致的结果。只有当端面深度小于2mm时,TOFDR方法也给出零结果。可见,盲区从表面下8mm减小到了2mm。

4.2󰀁探头间距和频率的影响

其它条件不变,仅改变两个探头之间的距离,从20~120mm,用TOFDR方法对五个典型缺陷(深度在2~20mm之间)进行检测。计算结果见图3(a)。同样,仅改变两探头的频率,对同样的缺陷进行检测,计算结果见图3(b)。可见,探头间距和频率的

󰀁S4+S5+S6=S4+S∃5+S6

=

S+(D+L)+

S+(2H-D-L)

(6)

以底面反射波(BW,到达时间为tb)为参考信号,两端面同BW的声程差可由式(7)和式(8)表示。信号到达时间差、声速、探头间距和试件厚度都是已知的。联立这两式可以解出缺陷上下端面的深度D和D+L。

󰀁(tc-tb)c=S1+S2+S3-BW=

+

22S2+D2S+H

22S+(2H-D)-2(7)

改变对这一深度范围内缺陷的TOFDR检测几乎没有影响。5󰀁结󰀁论

在TOFD基础上,提出了一种改进的TOFDR方法。通过接收经底面反射一次后的回波信号,巧妙避开了测向波和端面回波信号的重叠,从而将盲区缩减到被测表面下2mm之内。实验表明,该方法可以检测出表面下2~35mm范围内94%的裂缝缺陷。精度达到󰀂0.3mm。

表1󰀁计算结果比较

缺陷号实际深度/mm

1

23456710

18.315.613.210.88.75.34.73.42.51.8

TOFD结果/mmTOFDR结果/mm

18.2

15.713.210.98.400000

18.115.513.210.58.65.34.63.52.40

󰀁(td-tb)c=S4+S5+S6-BW=

+

2S2+(D+L)22S+(2H-D-L)-2S+H

22(8)

4󰀁实验结果分析

在核工业无损检测中心,分别对五段半剖的海底管道样本进行了检测。这些管道材质为合金钢,壁厚从15~40mm不等,内部共有30余处用电火花加工的不同尺寸和深度的裂缝缺陷。宽带纵波斜探头尺寸为6mm%6mm,频率为5MHz和10MHz。偶合剂为水。选用德国USN󰀁60型数字超声波探伤仪。为提高精度,保证具有重复性,将两个探头装在一个有刻度的实验车上,易于调整距离和位置。利用测向波和底面反射波的位置和信号间的相位关系,两端面衍射回波容易判断。根据回波信号幅度变化可以将缺陷调整到两探头正中间的位置。4.1󰀁TOFD和TOFDR的比较

在完全一致的条件下,分别用两种方法对各个管道样本进行多次检测,并按公式计算缺陷参数。TOFDR法计算结果与实际参数一致。误差在󰀂0.3mm之内。表1显示了部分计算结果。由于最难检

图3󰀁探头间距离和频率对测试结果的影响

󰀁󰀁TOFDR比TOFD中端面回波信号声程长,信噪(下转第60页)

#60#

口处压力低于0.8MPa。6󰀁结󰀁论

化工自动化及仪表󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第33卷󰀁

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过泵加热井高温直读监测系统实现了稠油、超稠油过泵加热井生产过程中井底流温、流压资料的实时监测和全数字化处理,解决了直读监测及在线动态分析处理等技术问题,为油藏开发提供了及时、准确的动态资料,对提高稠油、超稠油井的开发监测水平,进行井下动态参数的及时评价,指导生产,提高油田经济效益具有重要的意义。

HighTemperatureOn󰀁lineMeasuringTechnologyforPumpHeatingWell

CAOHai󰀁tao,ZENGZhou󰀁mo,ZHANGZhi󰀁rong,SUNChang󰀁ku(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTechnologyandInstruments,

TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Accordingtothepumpheatingtechnicsintheproductionprocessofthickoilandtheultra󰀁thickoilwel,lthedataofwellpressureandwelltemperatureareobtainedreal󰀁tmiebyhightemperaturesensor.Throughthepumpheatingcable,thedataaretransmittedtothegroundcontrolsystemtorealizereal󰀁tmiedirect󰀁readingmeasurementanddigitalizationprocessing.Thetechniqueproblemsofon󰀁linedynamicanalysisandtreatmentaresolved.Tmielyandaccuratedynamicdatadownholearesuppliedforthedevelopmentofoilpoo.l

Keywords:hightemperatureoilwelltesting;hightemperaturesensor;direct󰀁readingmeasurement;on󰀁linedynamicanalysis;oilpoolanalysis(上接第52页)

比略低,若在线检测,对操作人员要求较高。

参考文献:

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CrackIdentificationTechniqueBasedonUltrasonicTimeofFlightDiffractionReflection

CHENTian󰀁lu,QUEPei󰀁wen

(InstituteofAutomaticDetection,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)

Abstract:Accordingtothetmieofflightdiffraction(TOFD)insensitivetonearsurfacecrackswithablindareafrom0~8mmunderthesurface,amodifiedtechniquebasedonthetmieofflightdiffractionandreflection(TOFDR)isputforwardtoidentifyandsizecracks.Themodifiedapproachdoesnotreceivebothtipdiffractionsignalsdirectly.Theoverlappingoflateralwaveanddiffractionwavesisavoidedskillfullywhenreceivingthediffractionsignalsaftertheirreflectedatthebackwallfirst.Theblindareahasbeencurtailedto0~2mmunderthesurface.On󰀁linedetec󰀁tionisexecutable.TheTOFDRtheoryispresented,theexpressionsdenotingthesizeandlocationofacrackarede󰀁duced,andtheinfluencesofthedistanceandfrequencyoftheprobepairsarediscussed.Theexpermientshowsthatthisapproachcandetect94%standardflawscorrectlylocatedfrom2~35mmunderthesurfacewithanaverageac󰀁curacyof󰀂0.3mm.Keywords:TOFD;TOFDR;crackidentification;cracks