專利名稱：金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度的檢測成像方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度的檢測成像方法及其裝置。
背景技術：
目前對于CNG儲氣井、石油鉆井筒等金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度，通常采用 超聲波成像技術來進行檢測，它是通過測得超聲波從發(fā)出到接收的時間，計算出 內(nèi)壁不同地方的厚度及粗糙度，但由于管筒內(nèi)壁被腐蝕的形狀極不規(guī)則，各局部 微小表面的空間取向不同，導致超聲波在被反射時回波所走路徑嚴重偏離計算值 導致誤差增大，其檢測精度較低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種金屬管筒厚度及內(nèi)壁 粗糙度的檢測成像方法及其裝置，它基于電容傳感器檢測原理，不受金屬管筒內(nèi) 壁形狀的影響，具有檢測精度高的優(yōu)點。
為達到上述目的，金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度的檢測成像方法，其特征在于 包括以下步驟
1)在金屬管筒內(nèi)設置至少一塊作為探頭的金屬片，金屬管筒和對應的金屬 片作為兩極形成一個電容傳感器；
2) 將電容傳感器接入電容傳感器檢測電路；
3) 使金屬片在金屬管筒內(nèi)作穩(wěn)定的螺旋運動，在此過程中，電容傳感器檢測 電路按照一定脈沖頻率進行采樣，根據(jù)測得的不同電壓輸出值，可計算得到金屬
管筒不同區(qū)域的厚度及內(nèi)壁不同區(qū)域的粗糙度。
內(nèi)壁粗豐造表面，實際上是微小面積之間間隔的變化，利用上述的電容傳感器， 可先對一個標準金屬管筒進行檢測，得到對應的電壓輸出值，再對被腐蝕金屬管 筒進行檢測，將間隔的變化轉化為電容量的變化，經(jīng)電容傳感器檢測電路轉化為 輸出電壓的變化，從而較準確的測出粗糙表面凹凸(即筒內(nèi)壁被腐蝕深度)的變
化，也即可以得到不同內(nèi)壁處的厚度；
作為本檢測方法的進一步改進，將電容傳感器檢測電路輸出端的電壓信號經(jīng)模 /數(shù)轉換成為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再經(jīng)著色處理，得到圖象色素信號；
作為本^r測方法的進一步改進，將圖象信號通過場同步和行同步處理，得到 若干幅圖片，可通過顯示器觀察；
作為本檢測方法的進一步改進，所述在金屬管筒內(nèi)設置的金屬片為對稱布置 的兩塊，兩電容傳感器并聯(lián)后接入電容傳感器檢測電路；即使金屬片在作螺旋運 動的過程中有輕^:的晃動，兩金屬片與金屬管筒的距離一方增大則另一方減小， 兩電容傳感器并聯(lián)后的電容值仍保持不變，保證檢測的精確度；
本發(fā)明使用上述方法的檢測裝置，包括中空的定軸、與定軸固連的固定筒、 位于固定筒下方的轉筒、與轉筒固連并套裝于定軸外的主軸套、設置于固定筒內(nèi) 的主軸電機、連接主軸電機與主軸套的傳動裝置，其特征在于在轉筒側壁上設有 至少一個窗口，每個窗口內(nèi)設有一套探頭裝置，它包括一個徑向的滑槽、裝于每 個滑槽內(nèi)且內(nèi)大外小的絕緣探頭座、固定于每個探頭座外側的金屬片，在每個滑 槽底板與每個探頭座之間設有彈簧，在每個滑槽內(nèi)還設有定位塊，每塊金屬片和 金屬管筒分別作為兩極形成一個電容傳感器，所有電容傳感器接入電容傳感器檢
測電路；
上述電容傳感器檢測電路為運算放大器檢測電路；
使用時，將定軸與纜繩連接，將本裝置放入待測的金屬管筒。在通過纜繩搓 起本裝置的同時，啟動主軸電機，通過傳動裝置帶動轉筒、金屬片旋轉，彈簧和 定位塊可對金屬片在徑向進行定位，在定軸和轉筒穩(wěn)定旋轉的情況下，使金屬片 與待測金屬管筒在徑向的位置不變，探頭座后的彈簧，可避免金屬片在變形的管 筒中轉動時被卡，在此過程中，電容傳感器檢測電路按照一定脈沖頻率進行采樣， 根據(jù)測得的不同電壓輸出值，可計算得到金屬管筒不同區(qū)域的厚度及內(nèi)壁不同區(qū) 域的粗糙度；
作為^4企測裝置的進一步改進，電容傳感器檢測電路的電壓輸出端還與單片 機連接；可通過單片機對輸出電壓進行自動處理，計算出各微小粗糙表面的凹凸 變化，并電壓信號經(jīng)模/數(shù)轉換成為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再經(jīng)單片機著色處理， 得到圖象色素信號；
作為本檢測裝置的進一步改進，在固定筒的下端設置一陀螺儀，在陀螺儀的 穩(wěn)定方向設置一反光鏡，在轉筒的頂部設有發(fā)光二極管和光電二極管，光電二極 管與行同步脈沖整形電路、計數(shù)器依次連接，行同步脈沖整形電路和計數(shù)器還與 單片機連接；當轉筒旋轉一圈，光電二極管檢測到反射光導通一次，行同步脈沖 整形電路對單片機和計數(shù)器發(fā)出一次數(shù)字信號，作為旋轉掃描的行同步脈沖，加 在圖象色素信號中，單片機對圖象色素信號進行排序，當金屬片旋轉數(shù)圈，計數(shù) 器計數(shù)到預設值時，則輸出一個場同步脈沖，單片機將已測金屬管筒內(nèi)壁的圖象 色素信號與行、場同步信號一起輸入到存儲器中存儲起來，隨時都可作為一幅圖
片顯示出來，便于觀察；
作為本檢測裝置的進一步改進，所述轉筒側壁上的窗口為兩個且對稱布置， 兩套探頭裝置的兩個電容傳感器并聯(lián)后接入電容傳感器檢測電路；即使金屬片在 作螺旋運動的過程中有輕微的晃動，兩金屬片與金屬管筒的距離 一方增大則另一 方減小，兩電容傳感器并聯(lián)后的電容值仍保持不變，保證;險測的精確度；
作為本檢測裝置的進一步改進，在固定筒的上下端分別設有扶正器；避免金 屬片在作螺旋運動的過程中產(chǎn)生晃動，進一步提高檢測的精確度；
綜上所述，本發(fā)明不受金屬管筒內(nèi)壁形狀的影響，具有檢測精度高的優(yōu)點。 最適宜對CNG地下儲氣井管壁的無損成像檢測。
圖1為本發(fā)明;險測成像裝置的結構示意圖。
圖2為電容傳感器的示意圖。
圖3為粗糙表面的電容傳感器的示意圖。
圖4為運算放大器檢測電路的原理圖。
圖5為形成圖片的電路方框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
本發(fā)明方法是通過在金屬管筒內(nèi)對稱設置兩塊作為探頭的金屬片，金屬管筒 和對應的金屬片作為兩極形成一個電容傳感器，這樣在金屬管筒內(nèi)形成對稱的兩 個電容傳感器；將兩個電容傳感器并聯(lián)后接入電容傳感器檢測電路，該電容傳感 器檢測電路既可以是運算放大器檢測電路，也可以是電橋檢測電路或振蕩變頻檢
測電路；使兩金屬片在金屬管筒內(nèi)作穩(wěn)定的螺旋運動，在此過程中，電容傳感器 檢測電路按照一定脈沖頻率進行采樣，根據(jù)測得的不同電壓輸出值，可計算得到 金屬管筒不同區(qū)域的厚度及內(nèi)壁不同區(qū)域的粗糙度；并將電容傳感器檢測電路輸 出端的電壓信號經(jīng)模/數(shù)轉換成為數(shù)字信號，該數(shù)字信號再經(jīng)著色處理，得到圖象 色素信號，將圖象信號通過場同步和行同步處理，得到若干幅圖片，可通過顯示 器觀察；
根據(jù)本發(fā)明方法可制成金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度的檢測成像裝置，由圖1 所示，包括中空的定軸l、與定軸1固連的固定筒2、位于固定筒2下方的轉筒3、 與轉筒3固連并套裝于定軸1外的主軸套4、設置于固定筒2內(nèi)的主軸電機5、連 接主軸電機5與主軸套4的作為傳動裝置的齒輪副6，其中在固定筒2的上下端分 別設有扶正器7，在固定筒2的下端設置一陀螺儀8，在陀螺儀8的穩(wěn)定方向設置 一反光鏡9,在轉筒3的頂部設有與反光鏡9對應的發(fā)光二極管10和光電二極管 11，由圖5所示，光電二極管與行同步脈沖整形電路、計數(shù)器依次連接，行同步 脈沖整形電路和計數(shù)器還與單片機連接；在轉筒3側壁上設有兩個窗口，每個窗 口內(nèi)設有一套探頭裝置，它包括一個徑向的滑槽l2、裝于每個滑槽12內(nèi)且內(nèi)大外 小的絕緣探頭座13、固定于每個探頭座13外側的金屬片14，在每個滑槽底板與 每個探頭座13之間設有彈簧15,在每個滑槽12內(nèi)還設有定位塊l6，每塊金屬片 14和金屬管筒17分別作為兩極形成一個電容傳感器，兩個電容傳感器并聯(lián)后接入 運算放大器檢測電路，作為運算放大器的負反饋電容，運算放大器檢測電路的電 壓輸出端還與單片機連接，每塊金屬片14、發(fā)光二極管10、光電二極管11以及 行同步脈沖發(fā)生器的接線和主軸電機5的電源線均置于定軸1內(nèi)； 使用時，將定軸l與纜繩連接，將本裝置放入待測的金屬管筒17,在通過纜 繩M本裝置的同時，啟動主軸電機5，通過齒輪副6帶動轉筒3、金屬片14旋 轉，使金屬片14作螺旋上升運動，彈簧15和定位塊16可對金屬片14在徑向進 行定位，使金屬片14與待測金屬管筒17在徑向的位置不變，探頭座13后的彈簧， 可避免金屬片14在變形的管筒17中轉動時被卡； 1.電容傳感器測厚原理 如圖2所示，探頭金屬片14與管筒17內(nèi)表壁之間形成一個電容傳感器，設 金屬片14面積為s，金屬片14與管筒17內(nèi)表壁之間間距為d ，間距之間介電常 數(shù)為s (為等效介電常數(shù))，當s較小時，電容C可表示為 C = S
如圖3所示，對粗糙表面，取微元面積ds，間距為d，微元面積的電容為 dC,則
說明面積為S的探頭金屬片14對所形成的電容是所有dC的并聯(lián)之和，是對 dC積分，因而粗糙表面的電容所對應的間距d是具有平均值效果，符合粗糙表面
腐蝕深度具有平均值的要求；
在金屬片14螺旋上升的過程中，如圖4所示，運算放大器檢測電路按照一定 脈沖頻率進行采樣，由運算^:大器工作原理可知
<formula>formula see original document page 9</formula>
可見輸出電壓Uo與電容傳感器間隔d成線性關系，當U取0. 02V， C取300PF，
， s=lcm2K=6780v/m， d=Uo/K,若Uo的測量精度為lOmv;不考慮其他影響
因素時，則d的測量精度為2微米；
先對標準管筒檢測時，輸出Uo為uo，當管壁有腐蝕、銹蝕或管壁厚度變薄，
都會使間距d增大，電容Co減小，輸出Uo為u，即輸出電壓變化量 △ =M - w0 = u - (-i^r0)= ,
說明輸出電壓變化量A"與腐蝕深度Arf成正比關系。 粗糙表面腐蝕深度Ad-厶u/K 設管筒標準厚度為Do，則腐蝕后的厚度為 D= Do—厶d- Do—厶u/K
可計算得到金屬管筒17不同區(qū)域的厚度及內(nèi)壁不同區(qū)域的粗糙度；當轉筒3 軸線的精確定位有誤差或微小晃動誤差時， 一方金屬片14的d增大另一方的d減 小，可以證明并聯(lián)電容Co始終是恒定的，可保證檢測精度； 2.檢測成像原理
1) 數(shù)字采樣
設運算放大器^r測電路采樣頻率為f，采樣周期為T=l/f,轉筒3以勻角速 度w-n轉/秒轉動，同時以勻速度vy運動時，其運動軌跡為螺旋線，每行取樣點 為N=f/ (2n)
2) 成像色素點
在每個取樣點的時間T (即掃描取樣脈沖的周期)運動掃過的新面積為厶S， 新面積為AS對應的電容為AC,對應輸出的電壓變化量為Au,傳感器檢測成像的
該色素對應的管壁厚度為D= D。一Au/K;
3) 圖像著色
運算放大器檢測電路輸出端的電壓信號經(jīng)模/數(shù)轉換成為數(shù)字信號，該數(shù)字信 號再經(jīng)單片機著色處理，得到圖象色素信號，當Au-O,為淺灰色，Au越大，著 色越深；
4) 行同步
當轉筒3旋轉一圈，光電二極管ll檢測到反射光導通一次，行同步脈沖整形 電路就對單片機和計數(shù)器發(fā)出一次數(shù)字信號，作為旋轉掃描的行同步脈沖，加在 圖象色素信號中，單片機對圖象色素信號進行排序；
5) 場同步
當金屬片14旋轉K圈，計數(shù)器計數(shù)到預設值時，發(fā)出一個場同步脈沖，單片 機將已測金屬管筒內(nèi)壁17的圖象色素信號與行、場同步信號一起輸入到存儲器中 存儲起來，隨時都可作為一幅圖片顯示出來，便于觀察；
本發(fā)明與超聲波才企測不同，不受金屬管筒內(nèi)壁形狀的影響，是對腐蝕的粗糙 表面凹處深度進行積分，得到的是腐蝕深度的平均值，腐蝕厚度的檢測要求也是 如此，特別適宜對腐蝕的粗糙表面進行檢測；當轉筒軸線的精確定位有誤差或微 小晃動誤差時，對稱的兩個電容傳感器并聯(lián)接入檢測電路，即消除了這種影響， 保證了檢測精度。
權利要求
1.一種金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度的檢測成像方法，其特征在于包括以下步驟1)在金屬管筒內(nèi)設置至少一塊作為探頭的金屬片，金屬管筒和對應的金屬片作為兩極形成一個電容傳感器；2)將電容傳感器接入電容傳感器檢測電路；3)使金屬片在金屬管筒內(nèi)作穩(wěn)定的螺旋運動，在此過程中，電容傳感器檢測電路按照一定脈沖頻率進行采樣，根據(jù)測得的不同電壓輸出值，可計算得到金屬管筒不同區(qū)域的厚度及內(nèi)壁不同區(qū)域的粗糙度。
2. 如權利要求1所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像方法，其特征在 于將電容傳感器檢測電路輸出端的電壓信號經(jīng)模/數(shù)轉換成為數(shù)字信號，該數(shù)字信 號再經(jīng)著色處理，得到圖象色素信號。
3. 如權利要求2所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像方法，其特征在于 將圖象信號通過場同步和行同步處理，得到若干幅圖片，可通過顯示器觀察。
4. 如權利要求1至3任一所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像方法，其 特征在于所述在金屬管筒內(nèi)設置的金屬片為對稱布置的兩塊，兩電容傳感器并聯(lián) 后接入電容傳感器檢測電路。
5. —種金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度的檢測成像裝置，包括中空的定軸、與定 軸固連的固定筒、位于固定筒下方的轉筒、與轉筒固連并套裝于定軸外的主軸套、 設置于固定筒內(nèi)的主軸電機、連接主軸電機與主軸套的傳動裝置，其特征在于在 轉筒側壁上設有至少一個窗口，每個窗口內(nèi)設有一套探頭裝置，它包括一個徑向 的滑槽、裝于每個滑槽內(nèi)且內(nèi)大外小的絕緣探頭座、固定于每個探頭座外側的金 屬片，在每個滑槽底板與每個探頭座之間設有彈簧，在每個滑槽內(nèi)還設有定位塊， 每塊金屬片和金屬管筒分別與引線連接，形成一個電容傳感器，所有電容傳感器 接入電容傳感器檢測電路。
6. 如權利要求5所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像裝置，其特征在 于電容傳感器檢測電路為運算放大器檢測電路。
7. 如權利要求5或6所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像裝置，其特 征在于電容傳感器檢測電路的電壓輸出端還與單片機連接。
8. 如權利要求7所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像裝置，其特征 在于在固定筒的下端設置一陀螺儀，在陀螺儀的穩(wěn)定方向設置一反光鏡，在轉筒 的頂部設有與反光^;對應的發(fā)光二極管和光電二極管，光電二極管與行同步脈沖 整形電路、計數(shù)器依次連接，行同步脈沖整形電路和計數(shù)器還與單片機連接。
9. 如權利要求8所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像裝置，其特征 在于所述轉筒側壁上的窗口為兩個且對稱布置，兩套探頭裝置的兩個電容傳感器 并聯(lián)后接入電容傳感器檢測電路。
10. 如權利要求9所述的金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度檢測成像裝置，其特征在于在固定筒的上下端分別設有扶正器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬管筒厚度及內(nèi)壁粗糙度的檢測成像方法及其裝置，它基于電容傳感器檢測原理，在金屬管筒內(nèi)設置作為探頭的金屬片，金屬管筒和對應的金屬片作為兩極形成一個電容傳感器；將電容傳感器接入電容傳感器檢測電路；使金屬片在金屬管筒內(nèi)作穩(wěn)定的螺旋運動，在此過程中，電容傳感器檢測電路按照一定脈沖頻率進行采樣，根據(jù)測得的不同電壓輸出值，可計算得到金屬管筒不同區(qū)域的厚度及內(nèi)壁不同區(qū)域的粗糙度，將電壓輸出信號經(jīng)單片機處理可得到圖像信號。本發(fā)明不受金屬管筒內(nèi)壁形狀的影響，具有檢測精度高的優(yōu)點。
文檔編號G01B7/34GK101349537SQ20081004606
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月13日 優(yōu)先權日2008年9月13日
發(fā)明者王明灼, 陳立峰 申請人:陳立峰