專利名稱：用于檢測管道的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測管道的方法，特別是用于借助超聲波檢測管道中的缺陷，使用此方法時，在通過管道的過程中把從轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的超聲波信號發(fā)射到管壁中，對用于確定管壁缺陷的不同界面反射的聲波信號進行分析，以及用于檢測管道的設備，特別是借助于按照權利要求1至10所述的方法，特別是作為一個穿過管道偏移的儀器的一部分，用于通過管道，具有至少一個帶有基本是圓形的圍繞傳感器支架安裝的轉(zhuǎn)換元件的傳感器支架。
背景技術：
在鋪設的管道中有規(guī)律地進行關于侵蝕，局部腐蝕等的自動無損檢測是必須的。這樣的缺陷可以通過由它所造成的管壁的密度的改變和管壁物理性質(zhì)的改變來確定。
通常在垂直射進管線壁時，測量管道的內(nèi)和外壁以及缺陷位置的反射信號行進時間之間的不同，測量結果帶有一個路程信息，在需要分析時，在執(zhí)行測量過程之后把測量結果中間儲存和/或在線進行分析。這種設備通常在用于通過管道的儀器中與儀器的分體連接，該分體至少有一個耐壓的殼體用于容納用于處理測量值和記錄測量值以及用于供電的設備。
由EP0 271 670 B2已知一種用于檢測管道的侵蝕和類似的缺陷的方法，在這種方法中借助一種穿過管道的裝置(管道清洗機)通過本身偏移的用于檢測管壁的設備發(fā)射超聲波信號，測量在管道的內(nèi)壁和外壁的反射之間行進時間的不同。由兩個行進時間的不同就能夠確定管壁的厚度。小的點狀腐蝕難以被檢測到。
為了發(fā)射超聲波信號，由EP0 255 919 B1已知用通過管道的用于檢測同一個管道的設備，該設備裝有安裝超聲波測量頭的圓形支架，超聲波測量頭以有規(guī)律的間距安裝在支架的圓周上，并且其傳感器面一直處于與管壁法線垂直的角度位置。在前面說明的現(xiàn)有技術中可以看出特別的不利之處，亦即使用這樣的方法及這樣的設備只能確定侵蝕和局部腐蝕，而不能確定裂縫。為了確定對著管子正面的裂縫必須傾斜射入(超聲波)，以及因此需要用帶有朝向其他方向的傳感器的管道清洗機的附加的過程。這樣也只能檢測裂到管壁表面的裂縫，而不能檢測位于管壁內(nèi)部的裂縫。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務是，創(chuàng)造一種用于檢測管道的方法和設備，用這樣的方法和設備在設備構造簡單的條件下，除檢測表面的侵蝕和局部腐蝕外也可以檢測裂縫，特別是可以在一個測量過程中準確地檢測出位于管壁內(nèi)部的裂縫。
這個任務按照本發(fā)明用開頭提到的方式這樣解決，由多個在管壁的圓周方向互相挨著排列的轉(zhuǎn)換元件組成的分區(qū)作為成組發(fā)射器的虛擬傳感器一起在至少一個入射方向下向著管壁發(fā)射超聲波信號，并且通過這個成組發(fā)射器的同一個和/或其他的分區(qū)接收在管壁的界面反射的信號。為了解決這個任務設計這樣一種設備，至少構成有一個具有多個在管壁的圓周方向互相挨著排列的轉(zhuǎn)換元件的成組發(fā)射器，從由多個單獨的轉(zhuǎn)換元件組成的分區(qū)作為虛擬傳感器在一個入射角度下發(fā)射超聲波信號，成組發(fā)射器的同一個和/或其他的分區(qū)用于接收在管壁界面反射的超聲波信號，這種發(fā)射與接收一起控制。
轉(zhuǎn)換元件的排列并不意味著，成組發(fā)射器必須彎曲或為了覆蓋而沿圓周一起安裝-它們也可以構成平的，并且為了覆蓋圓周互相傾斜地安裝。成組發(fā)射器(傳感器-陣列)通過單個的由壓電晶體制成的轉(zhuǎn)換元件的排列，最好例如16至256個轉(zhuǎn)換元件，裝在一個公共的殼體中并最好具有在圓周方向的彎曲，這個彎曲與待檢測的管壁的曲率相對應。單個的轉(zhuǎn)換元件在排列方向(圓周方向)最好有0.3至2.5mm的寬度，它在垂直于排列方向的距離可以較大。例如在24英寸的管子上在整個圓周上把大約6400個轉(zhuǎn)換元件定為成組發(fā)射器的合適數(shù)目，在這種情況下成組發(fā)射器成兩個在管壁的延伸方向相鄰排列的環(huán)在圓周方向上互相偏移，可以部分互相重疊地排列。
轉(zhuǎn)換元件的激發(fā)頻率最好在1.0至2.5MHz的范圍內(nèi)，典型的是在5MHz。通過一起或分組控制，被選定的部分或選出單一的轉(zhuǎn)換元件按照本發(fā)明使超聲波的發(fā)射動態(tài)同步，這樣就造成了虛擬的傳感器。一起或分組控制意味著不必同時控制(如果為了垂直發(fā)射出的超聲波射束的同步也不排除)，而是也含有對虛擬傳感器的轉(zhuǎn)換元件的時間順序的控制(作為一個成組發(fā)射器的全部元件的組或部分)，特別是為了通過對虛擬傳感器的各個轉(zhuǎn)換元件的超聲波的合適的相位控制造成具有向著這樣的相位控制的成組發(fā)射器的測量表面傾斜的波前以及從而偏離垂直發(fā)射的發(fā)射方向。超聲波發(fā)射的同步含有相同能量的聲波的波前聚焦，以及例如與具有在全部空間范圍內(nèi)(部分圓形的)波前的相同聲能的單一的轉(zhuǎn)換器的部分圓形傳播的波相比，具有在一個較窄差別范圍內(nèi)的在使用臨界值以上的聲能。超聲-發(fā)射-形成也含有形成單一的虛擬傳感器的聲波的重疊(中立)的疊加效果的轉(zhuǎn)換元件或者，如所說的，動態(tài)的合成，在這種情況下，也如上所述，這樣的動態(tài)同步的超聲波發(fā)射通過時間偏移的啟動能夠朝向偏離垂直-發(fā)射的方向。
通過本發(fā)明可以實現(xiàn)，通過垂直和傾斜入射，后者沿兩個方向，不僅能夠檢測到侵蝕和局部腐蝕，也能夠發(fā)現(xiàn)裂縫和特別是在管壁內(nèi)部的裂縫，通過轉(zhuǎn)換元件在圓周方向上的排列特別是從縱向范圍(檢測)，如縱向裂縫，同時也給出圓周位置的準確數(shù)據(jù)。借助行程區(qū)別的確定進行侵蝕和局部腐蝕的檢測，因為管壁這樣的變化也是行進時間區(qū)別變化的條件。在這里可以改變一起啟動的轉(zhuǎn)換元件部分的數(shù)量，并且從而改變虛擬傳感器的數(shù)量，這樣由此也能夠檢測(小的)點狀腐蝕。檢測伸展直到管壁表面的裂縫是通過相同的檢測器組合借助脈沖-回聲-方法基于在那兒存在的角度反射效果進行的，相反對位于管壁內(nèi)部的裂縫的檢測是通過與發(fā)射轉(zhuǎn)換器-組合不同的轉(zhuǎn)換器用使超聲波貫穿的方法實現(xiàn)的。在此也存在改善的深度估定。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，建議在使用所謂的分組發(fā)射或相位陣列之下把超聲波-檢測方法用于管道內(nèi)的材料檢測，在這種情況下通過對各個轉(zhuǎn)換元件的時間變化的個別控制，成組發(fā)射器的部分(或所有)轉(zhuǎn)換元件使全面的高精度的材料檢測成為可能。通過用于每個成組發(fā)射器的最好是現(xiàn)有的獨特的裝有彈簧的用于連接在管道內(nèi)壁上的傳感器懸架能實現(xiàn)射入管壁的信號的質(zhì)量穩(wěn)定不變和成組發(fā)射器相對于管壁的確定的位置。這尤其在管道內(nèi)部工作時，而此管道在大的距離上通常具有橢圓度、凸起或其他的不圓度時，具有決定性的意義。
在優(yōu)選的實施例中成組發(fā)射器的各個轉(zhuǎn)換元件，特別是組成虛擬傳感器的成組發(fā)射器的轉(zhuǎn)換元件分組的各個轉(zhuǎn)換元件，以合適的方式被時間偏移地啟動，這樣被發(fā)射的測量脈沖的傳播方向和/或聚焦深度在圓周方向及徑向是可變化的。通過這種方式，使用每個成組發(fā)射器能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的入射角下向管壁發(fā)射大量入射信號，信號深入管壁的性能在一個寬的范圍內(nèi)能適應測量要求。
最好信號的發(fā)射和檢測在離管內(nèi)壁一個有限的距離上進行，這樣管壁的不平對成組發(fā)射器的損害被排除。
為了得到可靠的和能再現(xiàn)的測量結果，還規(guī)定，信號發(fā)射-距離，也就是成組發(fā)射器和管道內(nèi)壁的距離，在測量過程中保持基本不變。
因為在管壁內(nèi)部檢測存在的裂縫只有在相對管壁的法線傾斜地發(fā)射信號才能可靠地進行，本發(fā)明在一個另外的實施例中規(guī)定，在傾斜發(fā)射信號時相對管壁的法線的信號發(fā)射的方向這樣選擇，即聲波在管子內(nèi)部空間和管壁之間的分界面上折射之后以相對管壁法線方向大約45°的角度傳播。通過這樣一個在管壁之內(nèi)的發(fā)射過程可以保證，在聲波在管子外壁或內(nèi)壁反射時基本上形成聲波的一個全反射，入射和反射的波束相互成90°的角，在這種情況下不存在向外折射到環(huán)境中的波束，這樣射入的聲能的大部分在管子內(nèi)部空間以及管子內(nèi)壁的方向射回。用這種方式能使進行檢測所需要的聲能減到最小。
因為裂縫不是總能從一側確定，例如下面的情況，如果裂縫位于一個管壁焊縫附近，就必須從兩側射入。為此根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，信號從第一個角度和第二個角度射出，其中第二個角度通過第一個角度在管壁法線處反射得到。
最好一個成組發(fā)射器的各個轉(zhuǎn)換元件以直線排列或直線陣列的形式布置，其中陣列的延伸方向垂直于傳感器平面，也就是轉(zhuǎn)換元件所處的信號發(fā)射和聲敏感的平面。在本發(fā)明的一個特別有利的實施例中，傳感器陣列在延伸方向上具有與管壁曲率相匹配的最終的曲率。用這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)每個單一的轉(zhuǎn)換元件與管道內(nèi)壁有基本相同的距離。
為了使在成組發(fā)射器在獨特地彈性地連接到管壁的過程中在相鄰的成組發(fā)射器之間不發(fā)生沖撞，本發(fā)明在優(yōu)選的實施例中規(guī)定，多個成組發(fā)射器作為一組在圓周方向上相互間隔開并以一個共同的軸向位置安裝。在這種情況下成組發(fā)射器的一組轉(zhuǎn)換元件最好排列成與管壁內(nèi)圓周同心的圓周。為了保證在圓周方向上管壁的完全的信號覆蓋，可以設計多個由成組發(fā)射器組成的在軸向相互偏移的組，這些組在圓周方向部分重疊。在圓周方向上重疊的量在這種情況下這樣選擇，與前述的傾斜的信號發(fā)射相聯(lián)系實現(xiàn)在圓周方向上管壁的完全的信號覆蓋。
為了實現(xiàn)管壁的完全的信號覆蓋還規(guī)定，為了發(fā)射信號重復地依次啟動成組發(fā)射器的不同分區(qū)(虛擬傳感器)，特別是由各自相同數(shù)目的轉(zhuǎn)換元件組成的分區(qū)，這樣好像成組發(fā)射器分區(qū)的發(fā)射隨著時間沿著成組發(fā)射器偏移，直到各個成組發(fā)射器的所有轉(zhuǎn)換元件至少被激活一次為止。通過這樣把成組發(fā)射器分成虛擬的子單元以及前述的這些單元的虛擬的偏移，使管壁在圓周方向上在某一區(qū)域內(nèi)被掃描。
基于成組發(fā)射器在管壁的圓周方向的排列，以有利的方式保證，在傾斜的信號發(fā)射時在管子內(nèi)壁或管子外壁反射的信號通過發(fā)射的成組發(fā)射器的分區(qū)也可被檢測出來，然而該分區(qū)一般不與發(fā)射信號的分區(qū)的相同。通過前述的多個成組發(fā)射器的偏移的-重疊的排列能夠根據(jù)本發(fā)明通過所有的成組發(fā)射器的所有的分區(qū)或虛擬的傳感器的全部的發(fā)射實現(xiàn)在圓周方向上管壁的完全的信號覆蓋。
根據(jù)前面的內(nèi)容基于成組發(fā)射器的固定的幾何排列得到管壁的完全的信號覆蓋。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例也可以設計為，為了實現(xiàn)在管道的圓周方向上管壁的完全的信號覆蓋，成組發(fā)射器能夠轉(zhuǎn)動。在本發(fā)明的一個這樣的實施例中只有安裝在一個確定的、基于設備的運動的隨時間變化的軸向位置的成組發(fā)射器的組，成組發(fā)射器在圓周方向上相互間隔開。傳感器成組地圍繞管子軸轉(zhuǎn)動，并且同時基于管道清洗機的軸向運動沿軸向繼續(xù)運動，這樣以合適的選定的轉(zhuǎn)動速度達到管壁的完全的信號覆蓋。
為了固定成組發(fā)射器，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中規(guī)定，傳感器支架具有至少一個與成組發(fā)射器同軸安裝的、中心的圓柱形的中間元件。為了在管道中軸向引導設備以及為了保證防止翻轉(zhuǎn)的足夠的穩(wěn)定性，傳感器支架可包括與縱軸同軸安置、至少在它的邊緣區(qū)的柔性的圓形橫截面的導向盤，其最大直徑相當于管道的內(nèi)徑或稍微大于管道的內(nèi)徑。這樣構成的導向盤在設備的行進中在任何時刻都與管道內(nèi)壁形鎖合地貼合，并且基于它在邊緣區(qū)柔性的構成也能適應管道中通常出現(xiàn)的不圓度，這樣保證對傳感器排列的可靠的導引。為了足夠的磨損強度，根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，導向盤由合適的塑料，特別是由聚氨酯構成。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實施例中，為了保證把成組發(fā)射器柔性地獨特地連接在管道內(nèi)壁上規(guī)定，各個成組發(fā)射器的傳感器懸架至少由兩個活節(jié)桿組成，活節(jié)桿用鉸鏈連接，其自由端鉸接在一個容納成組發(fā)射器的傳感器滑撬的固定元件上以及傳感器支架的中間元件上。在此鉸鏈連接最好能由轉(zhuǎn)動鉸鏈構成。用這種方式各個成組發(fā)射器沿徑向和軸向都能相對管子內(nèi)壁移動，相反在圓周方向這個位置相對剛性地被固定。
為了保證把成組發(fā)射器彈性地連接在管子壁上，并且同時防止鏈接的傳感器懸架在管道的不圓處，例如凸起處跳動，以及特別避免傳感器懸架的徑向振動，根據(jù)本發(fā)明還規(guī)定，鏈接在中間元件上的活節(jié)桿構成為具有附加的減震性能的伸縮式-彈簧-元件。此外，為了改善彈性和減震性還可以規(guī)定，在傳感器滑撬和傳感器懸架的元件之間安裝另外一個伸縮式-彈簧元件。
傳感器滑撬用于容納陣列形式的成組發(fā)射器，并且因此最好這樣構成，使朝向管子內(nèi)壁的傳感器滑撬的表面的曲率在圓周方向上基本上與成組發(fā)射器的曲率相當。在本發(fā)明的另一個實施例中傳感器滑撬具有一個在圓周方向上在表面上延伸的槽，成組發(fā)射器配合在這個槽中，這個槽的深度基本上與成組發(fā)射器在徑向上的尺寸相符合。根據(jù)按照本發(fā)明的設備的一個另外的優(yōu)選的實施例中，傳感器滑撬具有與成組發(fā)射器的軸向尺寸相比較大的尺寸，在最優(yōu)選的實施例中在這個區(qū)域安裝有距離保持器。用這種方式能夠保證成組發(fā)射器對管道內(nèi)壁的固定的最終距離，這一方面對測量結果的質(zhì)量有用，另一方面對特別是保護成組發(fā)射器不受機械的損害有用。根據(jù)一個另外的特征按照本發(fā)明構成的儀器在面向管壁的距離保持架的表面上有磨損保護，這有助于延長本發(fā)明的使用壽命。磨損保護可以例如由磨損少的塑料，例如聚氨酯組成。
根據(jù)本發(fā)明的對管道材料的檢測最好使用縱向的超聲波。在本發(fā)明的最優(yōu)選的實施例中橫向波也能用于材料檢測。用這種方式信號發(fā)射和信號在管壁中傳播的全部的多種可能性都能用于檢測目的，這可以用于材料缺陷的可靠的檢測，這些缺陷在沒有被識別時可能引起災難性的后果。


下面根據(jù)在附圖中示出的實施例對本發(fā)明進行說明。其中圖1帶有按照本發(fā)明的用于檢測管道的設備的用于通過管道的儀器的側視圖；圖2按照本發(fā)明的用于檢測管道的設備的透視圖；圖3a示意地示出產(chǎn)生垂直于傳感器平面?zhèn)鞑サ穆暡ǖ牟ㄇ?；圖3b示意地示出產(chǎn)生傾斜于傳感器平面?zhèn)鞑サ穆暡ǖ牟ㄇ?；圖4a示意地示出把按照本發(fā)明的傳感器劃分為各個分區(qū)(虛擬傳感器)；圖4b示意地示出虛擬傳感器不同可能的聲-發(fā)射-方向；圖5按照本發(fā)明的成組發(fā)射器在管道內(nèi)的排列的示意剖視圖；圖6a示意地示出在沒有裂縫的管壁中的聲波行進路線；圖6b示意地示出在有裂縫的管壁中的聲波行進路線；以及圖7示意地示出用于檢測裂縫的、特別是用于裂縫深度估定的、能夠使用的聲波信號的行進路線。
具體實施例方式
用于通過管道的儀器，簡稱為管道清洗機(Molch)1，在圖1示出的實施形式中具有三個一個接一個地排列的耐壓的殼體2、3、4。殼體2、3、4裝有若干個套環(huán)(Manschette)5，它們內(nèi)側貼緊在管道6上，并且借助在管道中輸送的介質(zhì)推進管道清洗機1。例如在殼體2中有給儀器供電的電池。此外，殼體2至少有一個作為用于路程測量的距離計輪的滾輪7。第二個殼體2具有用于數(shù)據(jù)處理和記錄的裝置，而在儀器的運動方向8上最后的殼體4含有用于下述的傳感器-設備的電子測量裝置。
在圖1示出的實施例中在管道清洗機1的后端懸掛著帶有傳感器支架和由傳感器支架支承的成組發(fā)射器16、16′的用于檢測管道的按照本發(fā)明的設備9。各個殼體2、3、4以及傳感器支架通過鉸鏈10、10′相互連接。
在圖2中透視地示出了按照本發(fā)明的檢測設備9。它在其前側有導向盤11，導向盤11至少在其邊緣區(qū)12構成為彈性的，并且最好由聚氨酯構成。導向盤11被安裝在圓柱桿形的中間元件13的末端，中間元件13在同一末端有鉸鏈元件14，鉸鏈元件14用于與殼體4的合適的配合件構成鉸鏈連接。
圍繞中間元件13，多個傳感器懸架15排列在兩個平面上。傳感器懸架15各包括一個用于容納成組發(fā)射器16、16′的傳感器滑撬17。發(fā)射器16、16′排列成在兩個軸向的一個接一個的、在圓周上延伸的組，在此一個組的成組發(fā)射器16與另一個組的成組發(fā)射器16′在圓周方向上部分重疊，從而不管不同的管子直徑，保證通過成組發(fā)射器16、16′完全覆蓋管壁的全部圓周。傳感器滑撬17形成與管壁曲率相匹配的表面18，表面18在軸向，也就是說，在排列的縱軸方向具有比成組發(fā)射器16、16′的相應的延伸較長的尺寸。在這個較長的區(qū)域內(nèi)在傳感器滑撬17的彎曲的表面18上設有距離保持器19，距離保持器19在其上表面20上有磨損保護。成組發(fā)射器16、16′在傳感器滑撬上面的槽21中固定在傳感器滑撬17上，在此成組發(fā)射器16、16′和槽21基本上在圓周方向上延伸。
此外，傳感器懸架15具有兩個用于把傳感器滑撬17鉸接地固定在中間元件13上的活節(jié)桿22、22′?；罟?jié)桿22、22′借助轉(zhuǎn)動鉸鏈23相互連接，并且以其相應的自由端一方面鉸接在安裝在傳感器滑撬17上的固定元件24上，另一方面鉸接在裝置的中間元件13上。在傳感器滑撬17的下面和傳感器懸架15的下活節(jié)桿22′之間設有用于把傳感器滑撬17獨特地、用減震-彈簧連接在管道6的內(nèi)壁上的伸縮式-彈簧元件25。在所示出的實施例中下活節(jié)桿22′附加地構成為伸縮式-彈簧元件。
基于其減震和彈性性能傳感器懸架15在測量過程中用于保持成組發(fā)射器16、16′對管道6的內(nèi)壁的確定的基本不變的距離。在這種情況下成組發(fā)射器16、16′不直接貼緊在管道6的內(nèi)壁上，而是通過距離保持器19保持一個一定的最終的距離。成組發(fā)射器16、16′和容納它們的傳感器滑撬17這樣形成，即它們采用管壁的曲率。
如由圖2可以看出的，成組發(fā)射器16、16′各自沿著與軸L同心的圓排列成兩組，在此成組發(fā)射器16、16′在一個組內(nèi)在圓周方向上各自相互間隔開，以便使成組發(fā)射器16、16′，例如在橫截面變窄時，不會相撞。不同的圓排列的成組發(fā)射器16、16′總是互相相對“在間隙處”排列，以便實現(xiàn)在圓周方向上完全的傳感器覆蓋。成組發(fā)射器通過沿半徑定向的窄面發(fā)射超聲波，并且接收從管壁散射的超聲波信號。
圖3a示出由各個-組成虛擬傳感器26的-轉(zhuǎn)換元件28組成的直線成組發(fā)射器16(傳感器陣列)，其中只示范地示出幾個。
當對組成一個虛擬傳感器26的分量(這也可能包括一個成組發(fā)射器16的所有元件28)或一個這樣的成組發(fā)射器16的所有轉(zhuǎn)換元件28進行同步的啟動時，產(chǎn)生一個平的、垂直于直線的成組發(fā)射器16推進的聲波的波前27，它在所示出的實施形式中由各個轉(zhuǎn)換元件28的發(fā)射組成。當一個這樣的聲波27沿著在圖7中示出的管壁32的法線N射入時，聲波不僅在管道6的內(nèi)壁33，而且也在管道6的外壁34被反射，并且基本上通過相同的發(fā)射的轉(zhuǎn)換元件28能被檢測出(脈沖-回聲-方法)。被測定的兩個反射信號的行進時間差能夠確定管壁32的厚度，在此與設定值相比減小的管壁厚度表示有侵蝕損害。
為了可靠地檢測具有通常基本在徑向延伸部分的裂縫，把超聲波沿徑向射入管壁是不適當?shù)?。為此必須進行傾斜的入射。
圖3b示出根據(jù)兩個例子借助于一個由各個轉(zhuǎn)換元件28組成的一個直線的傳感器支架16的虛擬傳感器26產(chǎn)生一傾斜行進的平的聲波的波前27。如由圖3b看出的，如果各個轉(zhuǎn)換元件28隨時間偏移一個接一個地啟動，虛擬傳感器26發(fā)射在一個角度α下向右和在一個角度α′下向左行進的聲波27。這種對轉(zhuǎn)換元件28的隨時間偏移的啟動用不同長度的箭頭在各個轉(zhuǎn)換器28的上面示出，在此各個箭頭的長度表示從啟動所屬的轉(zhuǎn)換元件28開始所過去的時間。在使用彎曲的傳感器支架16時(圖4a)，為了產(chǎn)生沿相對于半徑(彎曲的傳感器支架16和管壁的)傾斜的射入方向的聲波射束，虛擬傳感器26的各個傳感器元件這樣啟動，即，以最小的發(fā)散形成波束，并且波前是直的和平的，仿佛各個轉(zhuǎn)換器的各個“波束”也平行行進。
轉(zhuǎn)換元件28的眾多的啟動變型是可能的。例如可以通過從虛擬傳感器26的邊緣向它的中心進展地啟動轉(zhuǎn)換元件28，產(chǎn)生一個相互交錯的，也就是在距離成組發(fā)射器的某一距離處聚焦的波前27。
圖4a示出把按照本發(fā)明的具有與管壁匹配的曲率的成組發(fā)射器16分為多個分區(qū)26的虛擬傳感器。
按照本發(fā)明的成組發(fā)射器16可以例如由256個單個的轉(zhuǎn)換元件器28構成。例如32個這樣的轉(zhuǎn)換元件28組成一個虛擬傳感器26，在此不僅一個成組發(fā)射器16的，而且兩個在圓周方向相互緊接著的或在圓周方向相鄰偏移地排列的成組發(fā)射器16的虛擬傳感器26可以部分重疊，以達到在圓周方向上足夠的分辨率，也就是說，各個轉(zhuǎn)換元件28可以相應被配屬于兩個虛擬傳感器。
圖4b再次示出已經(jīng)借助于圖3a和3b討論過的由一個成組發(fā)射器16的多個轉(zhuǎn)換元件28組成的虛擬傳感器26的選擇方向的輻射。在成組發(fā)射器16的任何部位都可以構成一個虛擬傳感器26，通過該虛擬傳感器超聲波能夠在任何預定的角度下對著管壁的一條法線N射入管壁。在所示出的實施例中，在一個0°的角度下以及在兩個不同于0的α、α′的角度下射入。用這種方式按照本發(fā)明的成組發(fā)射器16不僅能根據(jù)脈沖-回聲-方法用于壁厚測定，而且也能用于在圖7中示出的裂縫的檢測(超聲信號法)。
圖5示出如何借助于由圖2說明的成組發(fā)射器16、16′的排列能夠?qū)崿F(xiàn)管道6完全的信號覆蓋。此外在圖5中可以看出，第一個圓形排列的成組發(fā)射器16與第二個圓形排列的成組發(fā)射器16′在圓周方向U的重疊。成組發(fā)射器16、16′的每一個都借助分區(qū)，也就是虛擬傳感器，在已經(jīng)多次提到的三個入射角度0°、α、α′下發(fā)射時緊隨時間的一個接著一個的三個超聲波信號，通常是這樣，波前在45°的角度下在管道內(nèi)前進，在此α′＝-α。因此在相對于垂直線的正和負的傾斜的角度下入射，因為第一個(正的)入射不能發(fā)現(xiàn)的直接在一個管子-焊縫后面的裂縫，肯定通過(負的)傾斜的另一個入射被檢測到，因為在此它位于管子焊縫之前。接著虛擬傳感器在箭頭U示出的圓周方向上至少偏移一個轉(zhuǎn)換元件28，然后重新發(fā)射三個超聲波信號。用這種方式在成組發(fā)射器16、16′的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)在圓周方向U上對管道6進行掃描，從而與所提到過的傳感器重疊一起實現(xiàn)在圓周方向U上的完全的信號覆蓋。如從圖5所看出的，成組發(fā)射器16、16′與管壁保持間隔開設置，在此在成組發(fā)射器16、16′和管道6內(nèi)壁之間保留的自由空間29充滿了在管道6中輸送的介質(zhì)。
圖6a和6b說明根據(jù)本發(fā)明用于檢測在管道6的內(nèi)部的裂縫30的方法。
圖6a示意地示出在管道6的壁32中的聲波行進路線31。布置在管道6內(nèi)的成組發(fā)射器16的分區(qū)(虛擬傳感器)在一個與管壁32的法線N傾斜的最終角度下把超聲波射入管壁，這樣波前在管道6的內(nèi)壁33第一次折射之后在相對法線N大約45°的角度下傳播。從而可以保證，在管道6的外壁34基本實現(xiàn)入射聲波的全反射，這樣在管道6的內(nèi)壁33方向的全部入射能量都被反射回來。在內(nèi)壁33上聲波再一次被折射，在橫穿過自由空間29后進入成組發(fā)射器另外的分區(qū)，在這兒它具有基本上與發(fā)射強度相當?shù)膹姸榷鼙粰z測出。
圖6b表示與圖6a類似的狀態(tài)，然而在這里示出的實施例中在管道6外壁34的附近有一個裂縫30。在這種情況下與圖6a類似的入射的聲能在裂縫30上被反射和折射，并且在發(fā)射的成組發(fā)射器16的虛擬傳感器的區(qū)域被檢測。為了也能夠檢測對于超聲波難以通過的區(qū)域，例如在管壁焊縫35附近的裂縫30’，必須在管壁32的每個位置進行從兩側的入射。這可以通過按照本發(fā)明的入射幾何關系和成組發(fā)射器的重疊布置得到保證。
在圖7中詳細地示出射入管壁32的聲波與裂縫30的相互作用。從成組發(fā)射器16的發(fā)射的虛擬傳感器26到虛擬傳感器26′的發(fā)射路線a-b-c-d基本上相當于在圖6中示出的聲波路線31(然而在這里與圖6不同，在圖7中示出的是從右邊射入信號)。管道6有一個裂縫30，這樣只有入射聲波的一部分沿著路線a-b-c-d到達虛擬傳感器26′，因為一部分波能(e、f)在缺陷位置30被折射和反射。這部分在所示實施例中不能在被接收到。入射聲波在裂縫30處被折射的部分h基于圖7能推測出的路線h-i到達成組發(fā)射器16的分區(qū)26(虛擬傳感器)。
為了測量壁厚，在垂直地射入信號時，通常使用縱波，為了根據(jù)圖6a、6b或7貫穿管壁32也使用橫波。
附圖標記表1 管道清洗機2、3、4 (管道清洗機)殼體5 套環(huán)6 管道7 滾輪8 管道清洗機(1)的運動方向9 檢測設備10、10′鉸鏈11 導向盤12 邊緣區(qū)13 中間元件14 鉸鏈元件(Gelenkelement)15 傳感器懸架16、16′成組發(fā)射器17 傳感器滑撬(Sensorkufe)18 傳感器滑撬(17)的表面
19 距離保持器(Abstandshalter)20 距離保持器(19)的表面21 槽22、22′活節(jié)桿23 轉(zhuǎn)動鉸鏈(Drehgelenk)24 固定元件25 伸縮式-彈簧元件26 虛擬傳感器27 聲波的波前28 轉(zhuǎn)換元件(Wandlerelement)29 自由空間30，30′裂縫31 聲波行進路線32 管壁33 內(nèi)壁34 外壁35 管壁焊縫L (縱)軸N 管壁法線U 圓周方向α、α′入射角
權利要求
1.用于檢測管道的方法，特別是用于借助超聲波檢測管道中的缺陷，其中在一個通過管道的行進過程中通過從轉(zhuǎn)換元件向管壁發(fā)射超聲波信號，并且分析在不同界面反射的用于測定管壁的缺陷的聲波信號，其特征在于，由多個在管道的圓周方向挨著排列的轉(zhuǎn)換元件組成的成組發(fā)射器的分區(qū)作為虛擬傳感器共同地至少在一個入射方向，向管壁射入超聲波信號，通過該成組發(fā)射器的同一個和/或另一個分區(qū)接收在管壁的界面反射的信號。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，用于信號發(fā)射的分區(qū)的或者虛擬傳感器的轉(zhuǎn)換元件相對互相按時間延緩啟動。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于，在管壁和成組發(fā)射器之間的信號發(fā)射距離在測量過程中基本保持不變。
4.按照權利要求2所述的方法，其特征在于，在傾斜的信號發(fā)射時相對于管壁的法線的信號發(fā)射的方向這樣選擇，即聲波在管子內(nèi)部空間和管壁之間的界面折射后在與管壁法線大約成45°的角度下傳播。
5.按照權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，信號還在相對于第一入射角度在管壁法線處反射的第二角度下射出。
6.按照權利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，為了發(fā)射信號，重復地一個接一個地啟動成組發(fā)射器的不同分區(qū)(虛擬傳感器)，該分區(qū)特別由各自相同數(shù)量的轉(zhuǎn)換元件組成，這樣仿佛成組發(fā)射器的發(fā)射的分區(qū)隨時間沿著成組發(fā)射器偏移，直到每個單個的成組發(fā)射器的所有轉(zhuǎn)換元件被激活至少一次為止。
7.按照權利要求6之一所述的方法，其特征在于，從至少兩個方向照射管壁的區(qū)域。
8.按照權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，通過所有的成組發(fā)射器的所有分區(qū)的全部的輻射，實現(xiàn)在圓周方向上管壁的完全的信號覆蓋。
9.按照權利要求8所述的方法，其特征在于，在圓周方向上管壁的完全的信號覆蓋是基于成組發(fā)射器的固定的幾何布置實現(xiàn)的。
10.按照權利要求8所述的方法，其特征在于，用于實現(xiàn)在管道圓周方向上管壁的完全的信號覆蓋的成組發(fā)射器轉(zhuǎn)動。
11.用于檢測管道的設備，特別是借助按照權利要求1至10之一所述的方法，特別是作為通過管道運動的用于穿過管道的儀器的一部分，具有至少一個帶有基本上圓形的圍繞傳感器支架排列的轉(zhuǎn)換元件的傳感器支架，其特征在于，至少一個具有多個在管道的圓周方向上挨著排列的轉(zhuǎn)換元件(28)的成組發(fā)射器(16、16′)，其中由多個單個的轉(zhuǎn)換元件(28)組成的作為虛擬傳感器的用于在一個入射角度下發(fā)射超聲波信號的分區(qū)，和成組發(fā)射器(16、16′)的用于接收在管壁界面上反射的聲波信號的同一和/或另一分區(qū)被共同啟動。
12.按照權利要求11所述的設備，其特征在于，成組發(fā)射器(16、16′)具有用于聯(lián)接到管道(6)內(nèi)壁(33)的各個彈性的傳感器懸架(15)。
13.按照權利要求12所述的設備，其特征在于，成組發(fā)射器(16、16′)的各個轉(zhuǎn)換元件以直線排列或直線陣列的形式布置。
14.按照權利要求11至13之一所述的設備，其特征在于，成組發(fā)射器(16、16′)在其延伸方向上沿圓周方向具有與管壁(32)的曲率匹配的最終曲率。
15.按照權利要求11至14之一所述的設備，其特征在于，多個成組發(fā)射器(16、16′)在一個共同的軸向位置上沿圓周方向(U)互相間隔地排列成組。
16.按照權利要求15所述的設備，其特征在于，一組成組發(fā)射器(16、16′)的轉(zhuǎn)換元件(28)在與管壁的內(nèi)圓周(32)同心的圓上排列。
17.按照權利要求16所述的設備，其特征在于，成組發(fā)射器(16、16′)在圓周方向(U)上可沿著與管壁(32)的內(nèi)圓周同心的圓轉(zhuǎn)動。
18.按照權利要求15或16所述的設備，其特征在于，設有多個在軸向和在圓周方向(U)上相互偏移的成組發(fā)射器(16、16′)的組，它們在圓周方向(U)上部分重疊。
19.按照權利要求11至18之一所述的設備，其特征在于，通過在成組發(fā)射器(16、16′)的各個轉(zhuǎn)換元件(28)的一部分(虛擬傳感器(26))之間適當?shù)陌磿r間偏移的啟動，能夠改變測量脈沖在圓周方向(U)或徑向上的傳播方向和/或聚焦深度。
20.按照權利要求11至19之一所述的設備，其特征在于，傳感器支架具有至少一個與成組發(fā)射器(16、16′)同軸布置的、用于固定成組發(fā)射器的中心圓筒形的中間元件(13)。
21.按照權利要求11至20之一所述的設備，其特征在于，一個與縱軸(L)同軸設置的、至少在其邊緣區(qū)(12)是柔性的圓形橫截面的導向盤(11)，導向盤的最大直徑與管道(6)的內(nèi)徑相當或稍大。
22.按照權利要求21所述的設備，其特征在于，導向盤(11)由塑料，特別是由聚氨酯構成。
23.按照權利要求11至22之一所述的設備，其特征在于，各個成組發(fā)射器(16、16′)的懸架(15)具有至少兩個活節(jié)桿(22、22′)，該活節(jié)桿互相鉸接，并且以其各自的自由端鉸接在容納成組發(fā)射器(16、16′)的傳感器滑撬(17)的固定元件(24)上和傳感器支架的中間元件(13)上。
24.按照權利要求23所述的設備，其特征在于，鉸鏈連接由轉(zhuǎn)動鉸鏈(23)構成。
25.按照權利要求23或24所述的設備，其特征在于，鉸接在中間元件(13)上的活節(jié)桿(22’)構成為伸縮式-彈簧元件。
26.按照權利要求23至25之一所述的設備，其特征在于，在傳感器滑撬(17)和傳感器懸架(15)的元件(22、22′，23)之間安裝有一個另外的伸縮式-彈簧元件(25)。
27.按照權利要求23至26之一所述的設備，其特征在于，傳感器滑撬(17)是這樣構成的，它的面向管壁(32)的表面(18)在圓周方向(U)的曲率基本上與成組發(fā)射器(16、16′)的曲率相當。
28.按照權利要求27所述的設備，其特征在于，成組發(fā)射器(16、16′)與在傳感器滑撬(17)的表面(18)上的在圓周方向(U)延伸的槽(21)匹配，在此這個槽(21)的深度基本上與成組發(fā)射器(16、16′)徑向的尺寸相當。
29.按照權利要求28所述的設備，其特征在于，傳感器滑撬(17)具有比成組發(fā)射器(16、16′)的軸向尺寸大的尺寸。
30.按照權利要求29所述的設備，其特征在于，在軸向尺寸過大的區(qū)域內(nèi)在傳感器滑撬(17)上安裝有距離保持器(19)。
31.按照權利要求30所述的設備，其特征在于，距離保持器(19)在其面向管壁的表面(20)上具有磨損保護。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于管道檢測的方法和設備，特別是借助于超聲波檢測管道中的缺陷。為此目的，在通過管道的過程中由測量傳感器發(fā)射超聲波信號。在管壁的界面上，例如表面或缺陷，反射的信號被測量和分析。本發(fā)明的特征在于，由多個在管道的圓周方向上挨著排列的轉(zhuǎn)換元件組成的分區(qū)作為成組發(fā)射器的虛擬傳感器共同在至少一個入射方向下向管壁發(fā)射超聲波信號，通過該成組發(fā)射器的同一個和/或其他的分區(qū)接收在管壁界面反射的信號。
文檔編號G01N29/04GK1570620SQ0313310
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月23日 優(yōu)先權日2003年7月23日
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