CN109470188B - 一种高温超声波壁厚监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温超声波壁厚监测仪，其包括数据采集端和远程监控端；数据采集端包括高温超声探头、探头线及数据采集及处理模块，其中，数据采集及处理模块用于在控制器的作用下根据定时器的设定定期向高温超声探头提供脉冲信号并基于发射超声信号和反射回波信号的时差获得壁厚数据；在控制器的作用下，无线通信模块再将壁厚数据无线发送至远程监控端；同时，高温超声探头由高温BSPT压电陶瓷晶片制成，通过设置ZrO₂热障涂层制成的保护膜隔热以降低所述探头的实际工作温度。因而所述监测仪可在高温下对壁厚进行长时间、远距离、实时监测，解决了常规超声探头高温工况下使用寿命短的问题，并保证了测厚的准确性。

Description

一种高温超声波壁厚监测仪

技术领域

本发明涉及石油化工领域承压设备腐蚀监测技术领域，尤其涉及一种高温超声波壁厚监测仪。

背景技术

石油化工领域，由于高温承压设备(比如，压力容器、压力管道)的失效引起的事故时有发生，高温承压设备失效模式主要是腐蚀、材料缺陷、疲劳破坏等，而腐蚀是影响高温承压设备生产安全的重要因素之一。

针对高温承压设备局部腐蚀失效问题，目前主要的预防措施是使用超声测厚仪定期对管道进行定点测厚，这种方式虽然在一定程度上减少了事故的发生，但是在高压的工况条件下，按年为周期的定期测厚无法从根本上克服高温承压设备壁厚腐蚀减薄的突发性和偶然性。

因此，需要有一种能够实时进行高温监测的技术手段以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有定期测厚技术存在的测量周期长、无法克服壁厚腐蚀减薄的突发性和偶然性的缺点，而提出的一种高温超声波壁厚监测仪。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高温超声波壁厚监测仪，包括：数据采集端和远程监控端，

其中，所述数据采集端包括高温超声探头、探头线以及数据集成处理模块；其中，所述高温超声探头，用于贴合到待测高温物上；所述数据集成处理模块，通过所述探头线与所述高温超声探头连接；

并且，所述数据集成处理模块包括：数据采集及处理模块、控制器、定时器、电池和无线通信模块；其特征在于，

所述数据采集及处理模块，用于在所述控制器的作用下，根据所述定时器设定的时间间隔，由所述数据采集及处理模块向所述高温超声探头提供脉冲信号；所述高温超声探头根据所述脉冲信号发射超声信号并采集经过所述待测高温物底面反射而得到的反射回波信号；数据采集及处理模块基于发射超声信号和反射回波信号的时差获得壁厚数据；

所述无线通信模块，用于在所述控制器的作用下将所述数据采集及处理模块获得的壁厚数据向远程监控端进行无线发送；

所述高温超声探头由高温BSPT压电陶瓷晶片制成，并且在所述高温BSPT压电陶瓷晶片前设置一ZrO₂热障涂层制成的保护膜，通过隔热以降低高温超声探头的实际工作温度。

进一步的，所述高温超声探头与待测高温物通过高温胶耦合剂进行粘结固定，所述高温胶耦合剂同时起到隔热作用。

进一步的，所述高温超声探头中在所述高温BSPT压电陶瓷晶片的背面设置一阻尼块，所述阻尼块由环氧树脂、钨粉和固化剂按约2：1：0.1的比例浇注而成。

进一步的，所述无线通信模块采用低频ZigBee无线传输方式进行数据的无线发送，远程监控端接收所述待测高温物上一个或多个监测点处的数据采集端的无线发送数据，通过所接收的一个或多个数据采集端的壁厚数据以同时监测所对应的一个或多个监测点的壁厚变化。

进一步的，所述高温超声波壁厚监测仪还包括安置板和太阳能充电板，其中，

所述安置板用于将所述数据集成处理模块安置于其上；所述太阳能电池板，用于为所述数据集成处理模块所包含的数据采集及处理模块、控制器、定时器、电池和无线通信模块供电；

并且，所述安置板上设置有温度传感器，所述高温超声波壁厚监测仪还包括安置板驱动机构；

所述安置板驱动机构，包括电机部件，用于在控制器的控制下根据温度传感器的温度将安置板向靠近或远离所述待测高温物的方向移动，以为安置板上的数据采集及处理模块、控制器、定时器、电池和无线通信模块提供一定温度范围的工作环境。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、通过在高温超声探头中采用高温压电陶瓷晶片BSPT、设置ZrO₂热障涂层，并采用高温胶耦合剂以代替常规耦合剂，使得探头可以在高温的状态下产生并接收超声波信号，从而避免了高温对测量精度的影响，即使在高温的条件下也可以保证壁厚测量的精度。

2、定时器的时间间隔以小时或天为周期，通过数据集成处理模块对接收到的信号进行处理，并传输至远程监控端，由于远程监控端可以同时与多个数据集成处理模块无线连接并传输数据，因而远程监控端可以按小时或按天为周期根据多个监测点的空间位置对壁厚数据进行综合的统计分析，从而在根本上克服了腐蚀减薄的突发性和偶然性。

3、由于工业管道、压力容器工作的野外环境/厂区工况复杂多变，夏季高温与待测高温物的高温相叠加，冬日冰雪、冻雨等都可能对数据集成处理模块的电池、相关电路、无线通信模块等各种电气模块的工作产生影响，特别是高、低温环境的影响。本发明通过安置板及其驱动机构对这些模块的位置进行调节，使得高温待测物本身的辐射场为这些模块提供适宜的工作温度环境(例如，0-50摄氏度，优选地10-40摄氏度)。

附图说明

图1为本发明所述的高温超声波壁厚监测仪的总体结构框图；

图2为本发明所述的高温超声波壁厚监测仪的安置板的结构示意图；

图3为本发明所述的高温超声波壁厚监测仪的高温超声探头的结构示意图；

图中标记：

1-数据采集端，

2-高温超声探头，

3-数据集成处理模块，

4-待测高温物，

5-数据采集及处理模块，

6-控制器，

7-定时器，

8-电池，

9-无线通信模块，

10-远程监控端，

11-高温BSPT压电陶瓷晶片，

12-ZrO₂热障涂层保护膜，

13-高温胶耦合剂，

14-安置板，

15-太阳能充电板，

16-温度传感器，

17-安置板驱动机构；

18-阻尼块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

一种高温超声波壁厚监测仪，包括：数据采集端1和远程监控端10；其中，所述数据采集端1包括高温超声探头2、探头线以及数据集成处理模块3；所述高温超声探头2，用于贴合到待测高温物4上；所述数据集成处理模块3，通过所述探头线与所述高温超声探头2连接；

所述数据集成处理模块3包括：数据采集及处理模块5、控制器6、定时器7、电池8和无线通信模块9；其中，

所述数据采集及处理模块5，用于在所述控制器6的作用下，根据所述定时器7设定的时间间隔，由所述数据采集及处理模块5向所述高温超声探头2提供脉冲信号；通过设置定时器7的时间间隔，实现了按照小时或天的测量周期进行壁厚数据的采集，时间间隔例如为6小时、12小时、24小时等；所述高温超声探头2根据所述脉冲信号发射超声信号并采集经过所述待测高温物4底面反射而得到的反射回波信号；数据采集及处理模块5基于发射超声信号和反射回波信号的时差获得壁厚数据；

所述无线通信模块9，用于在所述控制器6的作用下将所述数据采集及处理模块3获得的壁厚数据向远程监控端10进行无线发送。

所述高温超声探头2由高温BSPT压电陶瓷晶片11制成，并且在所述高温BSPT压电陶瓷晶片11前设置一ZrO₂热障涂层制成的保护膜12，通过热障涂层的隔热作用以降低高温超声探头2的实际工作温度。BSPT压电陶瓷材料即BiScO₃-PbTiO₃体系的压电陶瓷。

所述高温超声探头2与待测高温物4通过高温胶耦合剂13进行粘结固定，所述高温胶耦合剂13在耦合、固定的同时起到了隔热作用。

所述高温超声探头2中在所述高温BSPT压电陶瓷晶片11的背面设置一阻尼块18，所述阻尼块18由环氧树脂、钨粉和固化剂按约2：1：0.1的比例浇注而成。

所述无线通信模块9采用低频ZigBee无线传输方式进行数据的无线发送，远程监控端10接收所述待测高温物4上一个或多个监测点处的数据采集端1的无线发送数据，通过所接收的一个或多个数据采集端1的壁厚数据以同时监测所对应的一个或多个监测点的壁厚变化。由于壁厚数据是按照小时/天的时间间隔来采集的，并且根据需要可以在监控部位设置一个或多个监测点，从而使得远程监控端可以根据时间和空间对壁厚数据进行统计分析，准确的捕捉到壁厚的变化；由于数据采集更加及时、并结合了多个监测点的空间位置关系及其壁厚数据对比，从而与常规的以年为周期的定点超声测厚相比，本发明能够克服腐蚀减薄的突发性和偶然性。

众所周知，长期的高温环境会影响电子电路的正常工作，由于待测高温物的温度常常处于100℃-400℃的温度范围，而常用电子电路的正常工作温度在80℃以下，甚至0-50℃或10-40℃时工作效果才有保证，这就限制了常规监测设备不适用于高温的长期监测，本发明进一步提出，所述高温超声波壁厚监测仪还包括安置板14和太阳能充电板15。

其中，所述安置板14用于将所述数据集成处理模块3安置于其上；所述太阳能电池板15，用于为所述数据集成处理模块3所包含的数据采集及处理模块5、控制器6、定时器7、电池8和无线通信模块9供电；并且，所述安置板上设置有温度传感器16，所述高温超声波壁厚监测仪还包括安置板驱动机构17；

所述安置板驱动机构17，包括电机部件，用于在控制器7的控制下根据温度传感器16的温度将安置板14向靠近或远离所述待测高温物4的方向移动，以为安置板上14的数据采集及处理模块5、控制器6、定时器7、电池8和无线通信模块9提供一定温度范围的工作环境。

在待测高温物形成的温度场中，随着远离待测高温物、温度快速下降，本发明正是利用这一规律设置安置板及其驱动机构，使得数据集成处理模块3具体如电池等部件无论在何种天气状况下均处于其适宜的正常工作温度范围内，确保了采集数据的精度和工作稳定性、长期性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高温超声波壁厚监测仪，包括：数据采集端(1)和远程监控端(10)，

其中，所述数据采集端(1)包括高温超声探头(2)、探头线以及数据集成处理模块(3)；其中，所述高温超声探头(2)，用于贴合到待测高温物(4)上；所述数据集成处理模块(3)，通过所述探头线与所述高温超声探头(2)连接；

并且，所述数据集成处理模块(3)包括：数据采集及处理模块(5)、控制器(6)、定时器(7)、电池(8)和无线通信模块(9)；其特征在于，

所述数据采集及处理模块(5)，用于在所述控制器(6)的作用下，根据所述定时器(7)设定的时间间隔，由所述数据采集及处理模块(5)向所述高温超声探头(2)提供脉冲信号；所述高温超声探头(2)根据所述脉冲信号发射超声信号并采集经过所述待测高温物(4)底面反射而得到的反射回波信号；数据采集及处理模块(5)基于发射超声信号和反射回波信号的时差获得壁厚数据；

所述无线通信模块(9)，用于在所述控制器(6)的作用下将所述数据采集及处理模块(3)获得的壁厚数据向远程监控端(10)进行无线发送；

所述高温超声探头(2)由高温BSPT压电陶瓷晶片(11)制成，并且在所述高温BSPT压电陶瓷晶片(11)前设置一ZrO₂热障涂层制成的保护膜(12)，通过隔热以降低高温超声探头(2)的实际工作温度；

所述高温超声波壁厚监测仪还包括安置板(14)和太阳能充电板(15)，其中，

所述安置板(14)用于将所述数据集成处理模块(3)安置于其上；所述太阳能电池板(15)，用于为所述数据集成处理模块(3)所包含的数据采集及处理模块(5)、控制器(6)、定时器(7)、电池(8)和无线通信模块(9)供电；

并且，所述安置板(14)上设置有温度传感器(16)，所述高温超声波壁厚监测仪还包括安置板驱动机构(17)；

所述安置板驱动机构(17)，包括电机部件，用于在控制器(7)的控制下根据温度传感器(16)的温度将安置板(14)向靠近或远离所述待测高温物(4)的方向移动，以为安置板(14)上的数据采集及处理模块(5)、控制器(6)、定时器(7)、电池(8)和无线通信模块(9)提供10-40摄氏度的工作温度环境，确保采集数据的精度和工作的稳定性、长期性；从而通过安置板及其驱动机构对这些模块的位置进行调节，使得高温待测物本身的辐射场为这些模块提供10-40摄氏度的适宜的工作温度环境。

2.根据权利要求1所述的一种高温超声波壁厚监测仪，其特征在于，所述高温超声探头(2)与待测高温物(4)通过高温胶耦合剂(13)进行粘结固定，所述高温胶耦合剂(13)同时起到隔热作用。

3.根据权利要求1所述的一种高温超声波壁厚监测仪，其特征在于，所述高温超声探头(2)中在所述高温BSPT压电陶瓷晶片(11)的背面设置一阻尼块(18)，所述阻尼块由环氧树脂、钨粉和固化剂按约2：1：0.1的比例浇注而成。

4.根据权利要求1所述的一种高温超声波壁厚监测仪，其特征在于，所述无线通信模块(9)采用低频ZigBee无线传输方式进行数据的无线发送，远程监控端(10)接收所述待测高温物(4)上一个或多个监测点处的数据采集端(1)的无线发送数据，通过所接收的一个或多个数据采集端(1)的壁厚数据以同时监测所对应的一个或多个监测点的壁厚变化。

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