基于激光測距鋼管橢圓度測量儀的研制

黃雄飛

(中石化石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001)

基于激光測距鋼管橢圓度測量儀的研制

黃雄飛

(中石化石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001)

針對目前鋼管橢圓度的測量需求，基于激光測距傳感器和單片機智能芯片技術(shù)，結(jié)合柔性模塊設(shè)計理論，開發(fā)設(shè)計了一款激光鋼管橢圓度測量儀。介紹了該測量儀的設(shè)計原理，基本結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。工程實際測試和應(yīng)用表明，該測量儀便于攜帶，具有操作簡單、工作效率高、測量精度高、人機界面良好、一次測量可同時得到周長、直徑等數(shù)據(jù)，快捷的調(diào)節(jié)伸縮桿長度還可測量不同直徑的鋼管，能較好地滿足實際測量需要。

鋼管；橢圓度；激光測距；測量

0 前 言

橢圓度是判斷鋼管幾何尺寸是否合格的重要指標(biāo)。油氣輸送鋼管在現(xiàn)場組對環(huán)焊時，如遇管口橢圓度超差，將不能進行對接，需要對管口橢圓度進行測量和矯正，鋼管生產(chǎn)廠對出廠的成品管也必須進行橢圓度檢測。目前常見的鋼管橢圓度測量方法有拉鋼圈尺法、深度尺加延伸桿法和計算機視覺成像法。前兩種方法是在管口內(nèi)徑做米字形4軸直徑或雙米字形8軸直徑測量，比較出橢圓度的長軸和短軸之差，測量過程需人眼觀測毫米以下刻度，人工計算差值并記憶長軸短軸的位置，兩種方法都有測量誤差大和出錯概率高的缺點。而基于計算機視覺成像法的橢圓度測量裝置必須在專門的固定工位上依靠精密的機械機構(gòu)才能進行測量，該裝置體積龐大，測量效率低，造價昂貴，不能滿足實際的測量需要。針對這一情況，本研究采用模塊化柔性設(shè)計理念，以激光測距傳感器和單片機智能芯片為核心，開發(fā)設(shè)計了一款功能齊備，精度高，操作方便，便于攜帶的鋼管橢圓度測量儀。

1 鋼管橢圓度測量儀的設(shè)計

1.1 橢圓度測量原理

在圓形鋼管的橫截面上存在著外徑不等的現(xiàn)象，即存在著不一定互相垂直的最大外徑和最小外徑，最大外徑與最小外徑之差即為橢圓度ΔL，用(1)式表示。

式中：b—鋼管的長軸；

a—鋼管的短軸。

當(dāng)ΔL大于規(guī)定值即為鋼管的橢圓度超差。激光橢圓度檢測儀利用相對測量方法獲得ΔL，激光測距傳感器輸出的距離為激光面距被測點的距離，當(dāng)測距儀桿長一定時，長短軸之差即等于激光測距在長短軸處的差值。其測量原理如圖1所示。

圖1 橢圓度測量示意圖

測量時，將測量儀置于管口，伸縮桿支點尖支撐于管壁內(nèi)側(cè)，上下靠輪靠于管端，手持測量儀，按動測量鍵，滑過一段弧長即可完成一處測量，在管口選取不同位置，比如米字形，或者選取更多的點，滑動測量，即可得到一組測量數(shù)據(jù)，儀器將自動判斷橢圓度差值和橢圓度的長軸短軸方位，并顯示在屏幕上。為保證滑動的這一段弧長經(jīng)過圓心，特別設(shè)計了相應(yīng)的控制程序，保證測量的正確性。

1.2 激光橢圓度測量儀的結(jié)構(gòu)

激光橢圓度測量儀由底端靠輪、粗伸縮管、伸縮桿鎖緊夾、細(xì)伸縮管、控制部分和頂部靠輪組成，實物照片如圖2所示。

圖2 激光橢圓度測量儀實物照片

用激光橢圓度測量儀測量鋼管橢圓度時，只需手持測量儀的控制部分并按動面板上的測量按鍵即可，松開伸縮桿鎖緊夾即可調(diào)節(jié)伸縮桿的長度，以測量不同直徑的鋼管。

伸縮管選用的是市面上常用的不銹鋼裝飾管，粗管規(guī)格為φ19mm×1.0mm，細(xì)管規(guī)格為φ16mm×0.8mm。細(xì)管套入粗管內(nèi)可自由伸縮，兩管之間設(shè)計了尼龍材料制作的鎖緊夾，松開鎖緊夾即可自由調(diào)節(jié)長度。粗細(xì)伸縮管的另外一端分別與儀表盒及支點尖連接，設(shè)計了可拆卸內(nèi)漲式固定螺栓。伸縮桿鎖緊夾及內(nèi)脹式固定螺栓的實物照片如圖3所示。

圖3 伸縮桿鎖緊夾及內(nèi)脹式固定螺栓的實物照片

2 鋼管橢圓度測量儀的控制部分

激光橢圓度測量儀控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 激光橢圓度測量儀控制系統(tǒng)

2.1 激光測距與AD采集電路

激光測距傳感器是橢圓度測量儀控制系統(tǒng)的重要組成器件，其性能決定了測量精度。本測量儀所選用的激光測距傳感器分辨率為0.1～0.2mm，量程20～200mm，更新周期≤7 ms，輸出4～20 mA的模擬量信號，精度高、更新速度快，非常適合快速移動測量。為了保證檢測的最終精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD7715，該芯片配有1路差分輸入，16 bit分辨率，最高采樣頻率500 Hz，AD1580B作為AD參考電源，保證了AD轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和精度。AD采集電路如圖5所示。

圖5 模數(shù)采集電路

2.2 陀螺儀電路及其特點

為了能精確檢測到鋼管長軸和短軸出現(xiàn)的位置，該測量儀配備了三軸陀螺儀和三軸加速計。MPU6050是整合6軸的運動處理組件[7]，內(nèi)部融合了三軸陀螺儀和三軸加速計，利用軟件算法可以比較精確測量擺動中的測量儀位置。陀螺儀電路如圖6所示。

圖6 陀螺儀電路

2.3 激光橢圓度測量儀系統(tǒng)軟件

激光橢圓度測量儀系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，分為按鍵子程序，顯示子程序、AD采集子程序、位置判斷子程等。激光橢圓度測量儀系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 激光橢圓度測量儀系統(tǒng)軟件流程

3 現(xiàn)場使用

激光橢圓度測量儀的現(xiàn)場使用照片如圖8所示。激光橢圓度測量儀具有操作簡單、工作效率高、測量精度高、人機界面良好、一次測量可同時得到周長、直徑等數(shù)據(jù)，快捷的調(diào)節(jié)伸縮桿長度即可測量不同管徑的鋼管。

圖8 激光橢圓度測量儀的現(xiàn)場使用照片

4 結(jié) 語

針對目前常見鋼管橢圓度測量方法測量誤差較大和出錯概率偏高的缺點，開發(fā)設(shè)計了一款以激光測距傳感器和單片機智能芯片為核心的鋼管橢圓度測量儀。工程實際測試和應(yīng)用表明，該測量儀便于攜帶，具有操作簡單、工作效率高、測量精度高、人機界面良好、一次測量可同時得到周長、直徑等數(shù)據(jù)，快捷的調(diào)節(jié)伸縮桿長度還可測量不同直徑的鋼管。

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Development of Steel Pipe Ovality Measurement Instrument Based on Laser Ranging

HUANG Xiongfei

(Shashi Steel Pipe Works,Sinopec Oil Engineering Machinery Co.,Ltd.,Jingzhou 434001,Hubei,China)

Aim at measurement requirements of steel pipe ovality,based on laser ranging sensor and single smart chip technology,it developed and designed a steel pipe ovality measurement instrument based on laser ranging,combined with flexible module design technology.In this article,it introduced design principle,basic structure and control system of this kind of measurement instrument.The actual engineering test and application indicated that this measurement instrument is with some advantages,such as easy to carry,simple operation,high working efficiency,high precision,good human-machine interface,the circumference,diameter and other data can be obtained at the same time after a measurement,the adjustable expansion link can measure steel pipes with different diameters,which can better meet the needs of the actual measurement.

steel pipe;ovality;laser ranging;measurement

TE973.6

B

1001-3938(2015)03-0048-04

黃雄飛(1961—)，男，電工高級技師，長期從事鋼管制造設(shè)備的技術(shù)改造與應(yīng)用研究。

2014-09-29

謝淑霞