基于電容傳感器管道焊縫位置檢測(cè)方法的研究

李紅民 郭立楊 宋冠鋒 李 斌 田兆鵬 牟學(xué)成

（1．山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101）

1 引 言

埋地長輸管道屬于隱蔽工程，管道防腐的品質(zhì)與其安全運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命緊密相關(guān)。采用有機(jī)高分子防腐層使管道（碳鋼材質(zhì)）與土壤等腐蝕環(huán)境隔絕是埋地管道防腐的基本手段。涂敷技術(shù)一般分為：熱澆涂加內(nèi)外增強(qiáng)帶；靜電噴涂粉末涂料；擠出工藝（包括擠出包敷和擠出纏繞）以及主要用于聚烯烴膠帶的冷纏繞工藝［1-4］。本文針對(duì)采用靜電噴涂防腐粉末涂料技術(shù)管道工程進(jìn)行研究。靜電噴涂防腐粉末涂料裝置的噴槍距離管道表面要求噴涂厚度均勻，但因管道在焊縫處存在局部凸起現(xiàn)象，造成此處略高于管道其他位置，需要噴槍噴頭位置快速響應(yīng)后移（保證霧化濃度均勻），由于焊縫表面相對(duì)粗糙，在此處還應(yīng)多涂敷防腐材料（傳動(dòng)轉(zhuǎn)速適度降低），增加涂層厚度以達(dá)到更好掩蓋焊縫效果，待焊縫轉(zhuǎn)過偵測(cè)區(qū)域后噴槍自動(dòng)恢復(fù)至原位，故需要對(duì)焊縫位置區(qū)域進(jìn)行可靠地準(zhǔn)確偵測(cè)。

2 管道焊縫檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

常用的焊縫檢測(cè)方法是采用無損檢測(cè),通用的常規(guī)檢測(cè)是指漏磁檢測(cè)、X射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)［5-10］。漏磁檢測(cè)技術(shù)具備技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用環(huán)境廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但弊端是對(duì)于軸向窄、長缺陷的檢測(cè)有一些局限性；探頭容易遭受管壁材質(zhì)的影響，產(chǎn)生假信號(hào)，從而導(dǎo)致檢測(cè)精度不夠。X射線探傷具備定性精確、缺陷觀測(cè)重復(fù)性好、可追溯性強(qiáng)、受人為影響較小等優(yōu)點(diǎn)，但是造價(jià)昂貴，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求苛刻同時(shí)射線易傷害人體。超聲波探傷具有對(duì)面積型的缺陷比較敏感、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)．但其對(duì)檢測(cè)面的要求要比X射線探傷高，并且受人為的影響大一些［11，12］，不適合本文管道焊縫待檢寬度約2cm的檢測(cè)。本文提出采用電容法進(jìn)行檢測(cè)，是基于電容傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，非接觸測(cè)量，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量且靈敏度高。因此系統(tǒng)采用了基于電容傳感測(cè)量方法進(jìn)行了應(yīng)用研究，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行取得了較為理想的檢測(cè)效果。

3 電容傳感器焊縫位置偵測(cè)系統(tǒng)

2.1 偵測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電機(jī)控制柜控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向膠輥的啟、停及勻速旋轉(zhuǎn)（正、反旋轉(zhuǎn)），電容傳感器被夾具固定在距離管道切面約40mm位置，管道未涂覆前的裸露外壁與探頭構(gòu)成電容兩極，由于管道表面凹凸不平，導(dǎo)致其距離探頭的極距不斷變化，當(dāng)臨近焊縫位置時(shí)，焊縫較管道其他位置相比，傳感器極距會(huì)出現(xiàn)較大的變動(dòng)，通過偵測(cè)該處的波動(dòng)信號(hào)進(jìn)而對(duì)焊縫進(jìn)行定位。根據(jù)電容傳感器原理公式c=ε·s/d，極距的變化反應(yīng)電容的變化，對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換處理后，將電信號(hào)傳輸至上位機(jī)通過LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，采集焊縫處的波動(dòng)信號(hào)，并且及時(shí)發(fā)訊至噴涂裝置控制主機(jī)，提高此處的涂層厚度。

圖1 焊縫位置偵測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Weld seam position detection system block diagram

2.2 偵測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理

如圖2所示，以滾輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系O，C（a,b）是管道圓心，Pi(xi,yi）是傳感器測(cè)量點(diǎn)，由于管道勻速旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)等間距分布測(cè)量。

圖2 數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematical model

則有：

式中：Ri——測(cè)量點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)（滾輪中心）的極徑；θi——測(cè)量點(diǎn)與水平面的極角；R——管道外徑；k——滾輪半徑；?——管道中心與水平面的極角；c——管道圓心到坐標(biāo)原點(diǎn)的極徑（c=R+k）。

Ri對(duì)t求導(dǎo)，得：

即Ri的變化可以借助傳感器到距管道切平面距離f(t)來描述。當(dāng)Ri的斜率發(fā)生突變時(shí)，表明到達(dá)焊縫位置，通過斜率變化對(duì)焊縫進(jìn)行偵測(cè)。

3 偵測(cè)系統(tǒng)電容傳感器

3.1 電容傳感器結(jié)構(gòu)

如圖3所示，電容傳感器的中心位置是一個(gè)金屬探頭，它是傳感器的有效測(cè)量電極。金屬探頭的外圍是一個(gè)等位環(huán)，中間夾帶絕緣層。傳感器的最外層是屏蔽層，屏蔽層與等位環(huán)同樣用絕緣層隔絕。其中金屬探頭可以看作為平行板電容器的一個(gè)極板，電容傳感器工作時(shí)的有效面積就是金屬探頭橫截面的面積。等位環(huán)的作用是改善電容傳感器的邊緣效應(yīng)，確保傳感器內(nèi)的電力線不發(fā)生彎曲。等位環(huán)需要與金屬探頭保持同一電位，并且要求二者互相絕緣，所以金屬探頭與等位環(huán)之間需要進(jìn)行電氣絕緣。

3.2 電容傳感器測(cè)量原理

如圖4所示，根據(jù)大口徑管道測(cè)量的特點(diǎn)和實(shí)際測(cè)量的需要，本文采用的是變極距型理想平行板電容器。將傳感器接入運(yùn)算放大電路中使兩極板間距離（傳感器到管道被測(cè)點(diǎn)距離f(t)）轉(zhuǎn)換為電壓的變化，傳感器作為反饋元件，信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大［13］。

由圖4運(yùn)算放大器的工作原理可知［14］：

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Sensor structure diagram

圖4 放大器測(cè)量原理Fig.4 Amplifier measurement principle

式中：Ct——傳感器探頭有效測(cè)量電極與管道被測(cè)切平面形成的電容；Cs——參考電容；Vs——高精度穩(wěn)幅電壓源；Vo——放大器輸出電壓。

因電容器的容量為：

將式（6）帶入式（5）得：

式中：Cs,Vs,ε0,ε1,S——常數(shù)；f(t)——傳感器到距管道被測(cè)點(diǎn)Pi的距離，可見V0與f(t)成線性關(guān)系［13，15］。

3.3 電容傳感器測(cè)量電路

測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)如圖5所示。正弦激勵(lì)源產(chǎn)生正弦載波信號(hào)，主放大器采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)保證足夠大的開環(huán)增益以實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)算，其輸出為幅波、幅值與被測(cè)極距變化相對(duì)應(yīng)。全波整流電路、有源濾波電路對(duì)放大的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，取出變化電壓的直流分量，以滿足動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量的要求。電壓信號(hào)經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡，通過RS-485總線將電壓信號(hào)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)軟件對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)量化與轉(zhuǎn)換處理與波形顯示。

圖5 電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Circuit diagram

4 偵測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

綜合以上分析并設(shè)計(jì)，系統(tǒng)選用LabVIEW軟件，由通訊模塊、電壓與距離f(t)數(shù)據(jù)處理模塊，上位機(jī)顯示模塊組成。

4.1 數(shù)據(jù)處理

通訊模塊：傳感器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，將被測(cè)數(shù)據(jù)上傳。

電壓與距離f(t)數(shù)據(jù)處理模塊：被測(cè)量數(shù)據(jù)被上傳后轉(zhuǎn)化為字符串類型十進(jìn)制數(shù)。

通過通訊模塊與電壓與距離f(t)數(shù)據(jù)處理模塊，做出數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理程序框圖Fig.6 Data processing block diagram

4.2 上位機(jī)顯示

上位機(jī)顯示模塊：顯示傳感器到管道被測(cè)點(diǎn)距離f(t)和求導(dǎo)f(t)′波形，并對(duì)焊縫處f(t)′斜率突變信號(hào)進(jìn)行判別，偵測(cè)焊縫位置形成延時(shí)信號(hào)并及時(shí)發(fā)訊至噴涂裝置控制主機(jī)，提高此處涂層厚度。其顯示界面程序框圖如圖7所示。

4.3 系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定

我們選取了一段有4條焊縫的管道對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。首先，對(duì)被測(cè)管道的焊縫厚度進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，結(jié)果見表1。

表1 被測(cè)管道焊縫厚度測(cè)量表Tab.1 Pipeline thickness measurement table

將傳感器固定至管道表面，令管道旋轉(zhuǎn)一周，傳感器均勻多次采點(diǎn)測(cè)量，將傳感器到管道切平面距離以及距離變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳感器標(biāo)定圖Fig.8 Sensor calibration diagram

圖8中，系列1：傳感器到被測(cè)點(diǎn)Pi的距離f(t)；系列2：f(t)求導(dǎo)后的變化曲線管道焊縫未到達(dá)前，如系列1（被測(cè)點(diǎn)1-16）所示f(t)數(shù)據(jù)變化平緩，系列2導(dǎo)數(shù)變化范圍較小。自17點(diǎn)（37點(diǎn)）開始系列1數(shù)據(jù)開始明顯變小，此時(shí)系列2導(dǎo)數(shù)發(fā)生突變，表明焊縫來臨，導(dǎo)致數(shù)據(jù)先減小，到達(dá)焊縫最高點(diǎn)時(shí)（此時(shí)f(t)最小）導(dǎo)數(shù)變化達(dá)到最大值，管道繼續(xù)旋轉(zhuǎn)則f(t)增大，自23點(diǎn)（43點(diǎn)）恢復(fù)原狀態(tài)趨于平緩，此時(shí)系列2導(dǎo)數(shù)變化波動(dòng)范圍也隨之變小，表明焊縫消失。分析得17點(diǎn)-23點(diǎn)（37點(diǎn)-43點(diǎn)）為焊縫位置，37點(diǎn)-43點(diǎn)為管道旋轉(zhuǎn)第二周期時(shí)對(duì)應(yīng)的焊縫位置。故可以通過判斷系列2導(dǎo)數(shù)的閾值來偵測(cè)焊縫位置。

對(duì)圖8中的系列1曲線與表1中的焊縫厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。可以看出，系列1曲線波谷處的距離變化范圍與表1中的焊縫厚度數(shù)據(jù)基本吻合。由此可知，傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

4.4 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控

上位機(jī)監(jiān)控顯示界面如圖9所示，第一個(gè)（上）波形圖為f(t)即傳感器探頭到管道切平面距離實(shí)時(shí)顯示波形，第二個(gè)（中）波形圖為f(t)′，當(dāng)臨近焊縫時(shí)，由于焊縫凸起導(dǎo)致距離發(fā)生突變，求導(dǎo)后波形變化更為明顯，導(dǎo)數(shù)發(fā)生突變處對(duì)應(yīng)上圖波谷處焊縫位置。第三個(gè)（下）波形圖為對(duì)求導(dǎo)波形信號(hào)處理，設(shè)定導(dǎo)數(shù)閾值進(jìn)行判別，大于設(shè)定值時(shí)表明焊縫來臨，小于時(shí)表明焊縫消失。當(dāng)焊縫到來時(shí)將此處信號(hào)轉(zhuǎn)化為階躍信號(hào)起延時(shí)作用，其余位置設(shè)為0．并將此信號(hào)發(fā)訊至涂敷控制主機(jī)使噴槍對(duì)應(yīng)后移進(jìn)行噴涂。待焊縫消失后，噴槍復(fù)位。

圖9 上位機(jī)監(jiān)控顯示圖Fig.9 Host computer monitoring display

4.5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖10所示。我們隨機(jī)選取了5組工件進(jìn)行測(cè)試，用DR360涂鍍層測(cè)厚儀（精度1微米）對(duì)工件的涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.10 Site installation diagram

表2 被測(cè)工件涂層厚度檢測(cè)表Tab.2 Tested workpiece coating thickness inspection table

試驗(yàn)結(jié)果：焊縫處的涂層厚度比其它位置高出50μm左右。因此，涂敷加厚的位置與焊縫的位置一致，傳感器檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效的工作。

5 結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用電容法進(jìn)行焊縫位置偵測(cè)，可以精確地判斷管道焊縫，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行采集和處理，及時(shí)發(fā)訊至噴涂裝置控制主機(jī)，有效地調(diào)控焊縫處涂層厚度，進(jìn)而達(dá)到提高涂敷質(zhì)量的目的。但對(duì)于旋轉(zhuǎn)過程中滾輪打滑現(xiàn)象和個(gè)別管道存在圓度誤差嚴(yán)重（即此處曲率半徑變化比較大）的特例也會(huì)出現(xiàn)類似焊縫的虛假信號(hào)，還需進(jìn)一步行識(shí)別與篩選?？傮w而言，使用電容法對(duì)管道焊縫位置進(jìn)行偵測(cè)，是一種可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的偵測(cè)方法。

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