CN118009945A - 管道壁厚在线监测***及测厚仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道壁厚在线监测***及测厚仪。所述在线监测***包括多个测厚仪，所述测厚仪包括：控制板，其具有单片机；激发板，其具有高压充电电路和高压放电电路，通过所述高压充电电路和高压放电电路产生负高压脉冲；超声探头，其受所述高压脉冲的激发发射用于测量管道壁厚的超声波信号；以及电池，其为所述测厚仪提供电力；其中，所述单片机控制所述高压充电电路和高压放电电路以自适应调整输出的所述负高压脉冲的幅值、宽度。

Description

管道壁厚在线监测***及测厚仪

技术领域

本发明涉及输油管道领域，更为具体而言，涉及一种管道壁厚在线监测***及测厚仪。

背景技术

管道运输作为世界上第五大运输方式之一，在石油化工等行业扮演着重要角色。由于石油化工行业原材料通常具有腐蚀特性，使得管道在运行中出现内壁腐蚀减薄的情况，同时管道长时间工作在高温高压环境，加之管道载流体与内壁的长时间的摩擦，更加快了使腐蚀的速度。管道长期的腐蚀减薄对于生产活动的安全造成威胁，通过对管道运行状态的实时监测，及时发现管道腐蚀隐患点，掌握腐蚀情况，对于避免安全隐患，减少经济损失有着重要意义。

现有的监测方法是在管道固定位置设置测试点，由工作人员使用手持测厚仪定期对管道测试点进行巡检测量，人工检测测量误差大、成本高。由人工定期巡检，采取单点抽检方式，难以有效发现腐蚀，且有一定的危险性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于管道壁厚的在线监测***及测厚仪，以解决人工定期巡检存在的问题。

一方面，根据本发明的实施方式，一种用于在线监测管道壁厚的测厚仪包括：控制板；激发板，其具有高压充电电路和高压放电电路，通过所述高压充电电路和高压放电电路产生负高压脉冲；超声探头，其受所述高压脉冲的激发而发射用于测量工件厚度的超声波信号；以及电池，其为所述测厚仪提供电力。

其中，所述控制板具有：单片机；限幅电路，其用于对所述超声探头接收的回波信号做限幅处理；第一放大电路，其用于对所述限幅电路的输出的信号进行放大处理；滤波电路，其用于对所述第一放大电路输出的信号进行过滤处理以滤除干扰；第二放大电路，其用于对所述滤波电路输出的信号进行放大处理，得到有效信号；以及比较电路，其用于将所述有效信号与阈值电压进行比较以产生方波信号。其中，所述单片机配置成：对所述比较电路输出的方波上升和下降沿做边沿检测，得到方波时间间隔数据；对所述时间间隔数据进行分组，并对每组时间间隔数据进行相关性分析；判断相关性分析结果是否大于设定值；如所述分析结果大于设定值，则判断所述时间间隔数据具备相关性，数据有效，并根据时间间隔数据计算工件厚度；如果所述分析结果小于设定值，则判断所述时间监测数据不具备相关性，调整激发参数进行对所述超声波探头的重新激发。

在本发明的一些实施方式中，所述调整激发参数包括：根据时间间隔数据计算所述超声探头的固有频率，依据该固有频率调整负高压脉冲的宽度；根据方波信号的数量及***噪声调整负高压脉冲的幅值和所述比较电路的阈值电压；其中，按照调整后的所述比较电路的阈值电压，负高压脉冲的幅值、宽度，激发所述超声波探头，直至测得工件厚度。

在本发明的一些实施方式中，所述测厚仪还包括用于无线通信的天线。

在本发明的一些实施方式中，所述测厚仪还包括由上盖和底座构成的外壳，所述控制板、激发板、超声探头以及电池安装在所述外壳内；所述底座上设有磁环，所述磁环将所述测厚仪吸附于铁磁性材料的工件。

在本发明的一些实施方式中，所述超声探头包括压电陶瓷超声波传感器；

所述压电陶瓷超声波传感器包括高温BSPT压电陶瓷晶片，在所述高温BSPT压电陶瓷晶片上设置有ZrO₂热障涂层。

另一方面，根据本发明的实施方式，提供了一种用于管道壁厚监测的在线监测***，所述在线监测***包括上位机和下位机。

其中，所述下位机包括Zigbee无线网关和多个如本发明任意一个是实施方式或实施例所述的测厚仪，所述Zigbee无线网关和所述多个测厚仪通过Zigbee无线网络通信连接。

其中，所述上位机包括云端服务器，其与所述下位机通过移动无线网络通信连接。

所述Zigbee无线网关配置成：接收各测厚仪上传的采集数据，通过移动无线网络将所述测厚仪上传的采集数据发送至所述上位机；从所述上位机获取控制信息，并下发给各测厚仪，以控制各测厚仪的采集过程和采集周期。

所述云端服务器配置成：执行数据的存储、分析、显示、发送报警；并允许用户可以通过WEB或手机APP查看监测数据，设置报警信息，设置采集周期。

在本发明的一些实施方式中，所述测厚仪安装在管道的监测点并且配置成：开机完成初始化后，加入所述Zigbee无线网关组建的Zigbee无线网络；在接收到所述Zigbee无线网关发送的采集指令后，激发超声探头、采集数据、计算数据，并将计算的数据结果通过Zigbee无线网络上传至所述Zigbee无线网关。

在本发明的一些实施方式中，所述云端服务器还配置成：将采集周期时间下发给所述Zigbee无线网关，以配置测厚仪休眠。

在本发明的一些实施方式中，所述Zigbee无线网关还配置成：收到配置信息，计算各测厚仪的休眠时间并下发给各测厚仪。各测厚仪配置成：根据收到的休眠时间进行低功耗处理，进入休眠状态；在休眠时间结束后，退出休眠状态，重新执行数据的采集流程。

在本发明的一些实施方式中，所述测厚仪配置成：接收到所述Zigbee无线网关的采集命令后，执行以下预处理流程：激发超声探头，通过所述超声探头预采集数据，计算预采集的数据，并将计算结果作为反馈来调整阈值电压和激发超声探头的负高压脉冲的宽度、幅值；经过多次所述预处理流程，得到合适的参数，之后进行正式采集，对正式采集的数据计算得到厚度；采集完成后，将计算结果发送给所述Zigbee无线网关。

由上述可知，本发明提供了一种能在各种工况下仅靠电池供电长期稳定工作的低功耗、小体积、结构简单、安装方便、运行可靠、集数据采集、数据处理、数据传输、远程控制功能于一体的超声厚度在线监测的测厚仪。

针对的超声测厚传感器需要高压激发，本发明采用负高压脉冲激发方式，激发板受单片机控制，驱动高压充电电路、高压放电电路，针对不同厚度的被测工件，自适应调整输出负高压脉冲的幅值、宽度，采用谐振式升压，可以方便调节升压幅值和脉冲能量，一方面保证不同参数传感器能够稳定激发，另一方面保证不同厚度能够精确测量。采集装置针对不同传感器、不同厚度被测工件，调整脉冲幅值、能量，使得采集设备适用范围更广泛，采集结果更为可靠。

本发明的测厚仪省去了传统变压器的升压电路，采用负高压脉冲激发方式，使得装置结构更为简单，并降低了传感器的激发成本从而降低***功耗，并且可以更进一步压缩电池的容量和体积，从而缩小采集装置的整体外形尺寸，对于装置使用空间有限的应用场合提供了便利。

本发明的测厚仪使用传感器、激发电路、信号调理电路、数据传输电路一体化设计，设备具有体积小、高度集成化的特点，为不同结构的多点监测提供了方便的安装方式和维护手段。

本发明的测厚仪超低功耗，内置电池可保证装置长时间可靠运行。

本发明在线监测***采用无线化设计，可采用Zigbee自动组网，安装方便，维护简单。

对于采用电池供电的测厚仪，降低传感器激励功耗及采集装置整体功耗，为采集装置的长期无人值守、自动采集创造了条件，使得装置更加符合自动采集的要求。

下面结合附图具体描述本发明及其实施方式的各个方面、特征、优点等。

附图说明

图1是根据本发明示例性实施例的测厚仪的功能框架图。

图2是根据本发明示例性实施例的测厚仪的立体图。

图3是根据本发明示例性实施例的测厚仪的分解图。

图4是根据本发明示例性实施例的测厚仪的处理流程图。

图5是根据本发明示例性实施例的在线监测***的***架构图。

图6是根据本发明示例性实施例的在线监测***的处理流程图。

图7示出了放大电路输出的原始波形（上图）及处理后的方波信号（下图）。

图8示出了调整阈值电压后放大电路输出的原始波形（上图）及处理后的方波信号（下图）。

图9示出了调整负脉冲宽度和幅度后放大电路输出的原始波形（上图）及处理后的方波信号（下图）。

具体实施方式

以下将参考附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。应当理解，本发明可以以各种不同形式体现，并且不应被解释为仅限于本文所述的具体实施方式。

除非明确指出，否则本文使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。还应当理解，除非在本文中明确地排除，否则使用的术语应被解释为具有与它们在相关领域和/或本说明书的上下文中的含义相同或相近似的含义，并且不应以理想化或过于僵化的意义来解释。

图1示出了本发明一示例性实施例的测厚仪的***框架，图2、3示出了根据示例实施例的测厚仪的物理结构，图4示出了根据示例实施例的测厚仪的处理流程。

在本发明的示例性实施例中，用于在线监测诸如管道壁厚之类的工件厚度的测厚仪至少包括控制板100、激发板200、超声探头300、以及电池（例如锂电池400）。锂电池400为测厚仪的各功率元件提供电力。控制板100实现测厚仪的控制、管理功能，激发板200在控制板100的控制下产生负高压脉冲，该负高压脉冲加载到超声探头300两端，激发超声探头300产生超声波信号，所述超声波信号在被测工件即管壁的上、下表面产生反射，反射的回波信号反馈至控制板100，并经控制板100计算处理得到被测工件的厚度数据。

在示例性实施例中，控制板110上设有单片机101。激发板200上设有高压充电电路201和高压放电电路202，通过所述高压充电电路和高压放电电路产生负高压脉冲。超声探头300受所述负高压脉冲的激发发射用于测量管道壁厚的超声波信号。所述单片机101配置成控制所述高压充电电路201和高压放电电路202以自适应调整输出的所述负高压脉冲的幅值、宽度。

在示例性实施例中，锂电池400通过电源管理电路108和激发板供电电路203向高压充电电路201和高压放电电路202提供电力，所述单片机101通过控制所述电源管理电路108来控制高压充电电路201的连续通断，以控制正高压充电脉冲的幅值，进而调节负高压激发脉冲的幅值；通过控制高压放电电路的控制时间，以控制负高压脉冲的脉宽。从而，可以自适应调整输出负高压脉冲的幅值、宽度，以便对不同厚度工件进行测量，并且可以达到电池能量高效利用的目的，进而降低功耗。

在本发明的一些实施方式中，所述控制板上还具有限幅电路102、放大电路103、滤波电路104、放大电路105、以及比较电路106。超声探头300受负高压脉冲信号激发，完成超声波信号的发射。由于超声波在不同介质的传播特性，超声波在被测工件上、下表面会产生反射，即回波信号。回波信号经超声探头接收，完成激发的逆过程，转换成对应的电信号。一般情况下，回波信号幅值很小，为避免特殊情况下产生的超额信号，使用限幅电路102对回波信号做限幅处理。回波信号经过限幅处理后通过放大电路（第一放大电路）103进行放大处理，得到初步整形后的信号。对于放大电路103输出的信号，采用滤波电路104滤除外界噪声干扰，例如，所述滤波电路104包括针对超声探头中心频率设计的带通滤波器。经滤波处理后的信号由放大电路（第二放大电路）105处理，通过二级放大得到有效信号。在比较电路106，将所述有效信号与阈值电压进行比较处理，产生方波信号。单片机101根据比较电路106处理后的信号的情况，自动调整比较电路的阈值电压，自适应调整输出负高压脉冲的幅值、宽度，同时对所述方波信号的上升沿和下降沿进行边沿检测得到多个时间段，基于所述时间段计算超声波的行程时间，并基于超声波的行程时间计算得到厚度。

在本发明的示例性实施方式中，所述单片机配置成：对所述比较电路输出的方波上升和下降沿做边沿检测，得到方波时间间隔数据；对所述时间间隔数据进行分组，并对每组时间间隔数据进行相关性分析；判断相关性分析结果是否大于设定值；如所述分析结果大于设定值，则判断所述时间间隔数据具备相关性，数据有效，并根据时间间隔数据计算工件厚度；如果所述分析结果小于设定值，则判断所述时间监测数据不具备相关性，调整激发参数进行对所述超声波探头的重新激发。其中所述单片机配置成：根据时间间隔数据计算所述超声探头的固有频率，依据该固有频率调整负高压脉冲的宽度；根据方波信号的数量及***噪声调整负高压脉冲的幅值和所述比较电路的阈值电压；按照调整后的所述比较电路的阈值电压，负高压脉冲的幅值、宽度，激发所述超声波探头，直至测得工件厚度。

在本发明的一些实施方式中，所述测厚仪还包括用于无线通信的天线107。天线107可以设置在控制板100上。通过天线107，所述测厚仪可以与主机进行通信。

如图2、3所示，所述测厚仪包括由上盖501和底座502构成的外壳，所述控制板100、激发板200、超声探头300以及锂电池400安装在所述外壳内。所述底座上设有磁环600，所述磁环将所述测厚仪吸附于铁磁性材料的管道上，用于辅助安装时的粘接工作。由于安装时采用耦合剂进行耦合，因此无需适配管道外形。在本发明的一些实施方式中，上盖底部为内螺纹，用于同底座安装连接；上盖内腔用于安装控制板、锂电池、激发板。底座顶部为收口外螺纹，用于同上盖底部的内螺纹配合连接；底座底部外为收口圆柱形，用于连接磁环，磁环与底座采用胶粘接，确保牢固；底座底部内为内螺纹，用于传感器（即超声探头）的连接安装；底座内腔为传感器的主体部分。测厚仪通过胶粘接在被测管道表面，胶粘接既用作固定，也用作超声耦合。也就是说，本发明的测厚仪与管道连接时可以采用耦合剂进行耦合，也可以采用金属胶等粘结剂进行耦合和固定。

在本发明的一些实施方式中，激发板和控制板采用焊锡焊接固定。激发板用于产生负高压脉冲，激发超声探头产生超声波。激发板运用谐振原理，由控制板发出控制信号，控制激发板充电次数，放电时间，实现负脉冲电压可调，脉冲宽度可调。控制板是测厚仪的核心，采用CC2530主控芯片，移植TI的zigbee协议栈，实现调节激发电压脉冲，超声回波信号的放大滤波，算法处理，厚度计算，组网通信，电源管理，低功耗处理等功能。在本发明的一些实施方式中，测厚仪使用锂电池供电，电池安装在激发板和控制板之间。

在本发明的一些实施方式中，所述超声探头300包括压电陶瓷超声波传感器。所述压电陶瓷超声波传感器包括高温BSPT压电陶瓷晶片，在所述高温BSPT压电陶瓷晶片上设置有ZrO₂热障涂层。通过热障涂层降低高温超声探头的实际工作温度。使探头可以在200℃高温连续稳定工作。传感器外形为圆柱，外壁有螺纹。传感器螺纹一方面用于同外壳底座连接，一方面用于调节传感器伸出长度，便于精准调节安装时粘接胶膜厚度。

上述包括压电陶瓷超声波传感器超声探头300可以称为压电超声探头。其中，采用所述压电超声探头的上述测厚仪的工作过程如下。

在压电式超声监测中，在所述压电超声探头两端加载高压脉冲信号，信号的幅值越大，激发的超声波能量就越大。激发板受单片机控制，驱动高压充电电路、高压放电电路产生激发脉冲。

针对不同厚度的工件，通过激发板中高压充电电路控制电路的连续通断，控制充电电路开关信号数量，并结合调整充电电路开关信号的宽度以控制正高压充电脉冲的幅值，进而调节负高压激发脉冲的幅值。由于单周期的充电信号宽度对充电电路的能耗有影响，当充电信号宽度过大时，充电效率会降低，当宽度过小时，充电速度变慢。因此本发明测厚仪可以通过控制单周期的充电信号宽度对整体***进行节能，从而可以对电池能量高效利用，降低功耗。

通过激发板中的高压放电电路，控制放电电路的开关信号时间，以控制负高压激发脉冲的脉冲宽度。

因此可以自适应调整输出负高压脉冲的幅值、宽度，一方面可以对不同厚度工件进行测量，另一方面可以达到电池能量高效利用的目的，进而降低功耗。

【回波信号处理】

压电超声探头受负高压脉冲信号激发，完成超声波信号的发射，产生超声波。由于超声波在不同介质的传播特性，超声波在工件上、下表面会产生反射，即回波信号。

回波信号经超声探头接收，完成激发的逆过程，将超声波转换成对应的电信号。一般情况下，回波信号幅值很小，为避免特殊情况下产生的超额信号，对回波信号做限幅处理。回波信号经过限幅电路，放大电路，得到初步整形后的信号。为滤除外界噪声干扰，针对探头中心频率，设计带通滤波器，进行滤波处理。初步整形并滤波后的信号，经二级放大后，根据比较电路的阈值电压转成方波得到有效信号。

在得到有效电路的方波之后，单片机根据比较电路后信号的情况，自动调整比较电路阈值电压，自适应调整输出负高压脉冲的幅值、宽度，同时对边沿检测到的比较电路输出信号做时间测量处理，最终得到被测工件的厚度。

具体地，单片机配置成：对方波信号进行边沿检测，所述边沿检测是对比较电路输出的方波上升和下降沿做边沿检测进行合并拆分计算，得到方波时间间隔数据；然后，对时间间隔数据进行分组，并对每组数据进行相关性分析；然后判断相关性分析结果是否大于设定值；若分析结果大于设定值，判断时间间隔数据具备相关性，数据有效，根据时间间隔数据计算工件厚度；若分析结果小于设定值，判断时间监测数据不具备相关性，需要调整激发参数进行重新激发。

用于重新激发的参数的设定包括：根据时间间隔数据计算所述超声探头的固有频率，依据该固有频率调整负高压脉冲的宽度；根据方波信号的数量及***噪声调整负高压脉冲的幅值和所述比较电路的阈值电压。其中，按照调整后的所述比较电路的阈值电压，负高压脉冲的幅值、宽度，激发所述超声波探头，直至测得工件厚度。

如图7所示，其中上图是放大电路输出的原始波形，下图是根据阈值电压通过比较电路将回波信号转成方波信号。通常，根据比较电路输出的方波信号，无法准确判断并计算工件厚度。

如图8所示，在图7的基础上，只调整阈值电压使之变为V2，使比较电路得到更多的有效方波信号，经合并拆分可计算方波时间间隔数据t0~tN，根据t0~tN数据可以预估压电超声探头固有频率。在一些实施方式中，计算方法包括将t0~tN（N≥6）降序排列，依次计算(Tn+0,Tn+1,Tn+2)和(Tn+1,Tn+2,Tn+3)相关性，其中n=0,1,2,3…，直到结果大于设定值，此时n=X，则认为Tx的倒数为固有频率，作为调整激发脉冲宽度的依据。

根据计算出的各种时间间隔数据进行分组，并对每组数据进行相关性分析。然后判断相关性分析结果是否大于设定值。当分析结果大于设定值，判断时间间隔数据具备相关性，数据有效，根据时间间隔数据计算工件厚度。

由于***噪声等原因，图8中的阈值电压V2不宜调整过低，对于放大电路输出原始波形幅值较小的情况，也可以采取调整激发的负脉冲电压幅值和宽度的方法。

此外，如图9所示，在图7的基础上，不改变阈值电压V1。一方面根据图8中预估的超声探头的固有频率，调整负脉冲宽度，另一方面根据方波信号的数量及***噪声情况调整脉冲幅度，使超声探头获取更多的能量，增加信号幅值。从而使超声探头的压电陶瓷产生超声幅值增加，工件回波即放大电路输入波形幅值增加，放大电路输出的原始波形幅值增加，使比较电路得到更多的有效方波信号，经合并拆分可计算方波时间间隔数据t0~tN，根据t0~tN数据可以预估压电陶瓷固有频率。其中，计算方法为将t0~tN（N≥6）降序排列，依次计算(Tn+0,Tn+1,Tn+2)和(Tn+1,Tn+2,Tn+3)相关性，其中n=0,1,2,3…，直到结果大于设定值，此时n=X，则认为Tx的倒数为固有频率，作为后续调整激发脉冲宽度的依据。

根据计算出的各种时间间隔数据进行分组，并对每组数据进行相关性分析。然后判断相关性分析结果是否大于设定值。如果分析结果大于设定值，判断时间间隔数据具备相关性，数据有效，根据时间间隔数据计算工件厚度。

以上示例性说明了通过自动调整比较电路阈值电压，自适应调整输出的负高压脉冲的幅值、宽度，以最终获取工件厚度。

在计算工件厚度时要对计算出的方波时间间隔数据t0~tN进行相关性分析。在示例性实施方式中，首先将方波根据方波的脉冲宽度进行分组，如图9所示，各个方波脉冲宽度逐步减小，当当前的脉冲宽度比前一个数值大时，将当前的方波作为第二组的起始方波，依此类推，将t0~tN数据分为两组。然后对两组的数据进行相关性分析。

在本发明中，相关性分析可以参考数理统计学的相关性分析方法，最终计算出两个数组的相关性系数，当系数超过设定值时，判断时间间隔数据具备相关性，数据有效，根据时间间隔数据并与工件的声速相乘计算工件厚度。如果相关系数小于设定值，判断时间监测数据不具备相关性，需要调整激发参数进行重新激发。

相关性系数的计算方法有多种，可以从数理统计学中选择合适的计算方法。一般根据经验值可以选择0.95或者0.9作为所述设定值，其与所选择的计算方法有关。

例如，采用皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient）进行计算，两个变量数组之间的皮尔逊相关系数定义为两个变量数组之间的协方差和标准差的商，见式（1）

(1)

也可以写成下式（2）的形式，其中r为相关系数，当r=1时，相关性最大，r=-1时呈现负相关性，r=0时无相关性，实际应用用可以选择r大于0.95时作为数据有效判断的设定值。

（2）

以上对本发明的测厚仪一例的原理进行了说明。在示例性实施例中，测厚仪的程序主要分为初始化、采集、通信、休眠三个部分。

如图4所示，初始化包括步骤S101至S103。测厚仪的程序移植的TI的Zstack协议栈，***启动后，由Zstack协议栈完成Zigbee网络相关的各层、任务初始化。在任务初始化的用户任务初始化中，完成测厚仪外设相关的初始化。

采集从流程上分为预采集、采集、计算三个各部分。在步骤S104至S106，在测厚仪接收到主机采集命令后，进行激发、预采集、计算等操作，计算结果作为反馈，用于调整比较阈值和激发脉冲宽度、幅值。经过多次预采集，得到合适的参数。之后进行正式采集，经计算得到被测工件的厚度。

采集完成后，在步骤S107，采集数据发送给主机，主机计算每个测厚仪的休眠时间，确保各从机退出休眠时间相同。

在步骤S108，各测厚仪接收主机下发休眠时间。在步骤S109，测厚仪根据休眠时间进入低功耗休眠状态。在步骤S110，待休眠时间结束，退出休眠状态，重新加入Zigbee网络，接收主机下发的采集命令。

以上通过示例性实施例对单个测厚仪的技术方案进行了阐述，下面结合图5和图6对用于管道壁厚监测的在线监测***的示例性实施例进行说明。

在示例性实施例中，所述在线监测***包括上位机1010和下位机1020。其中，所述下位机1020包括Zigbee无线网关1021和多个如本发明任意一个是实施方式或实施例所述的测厚仪（包括测厚仪1~N）。所述Zigbee无线网关和测厚仪1~N通过Zigbee无线网络通信连接。在Zigbee无线网络中，Zigbee无线网关1021作为主机，测厚仪1~N分别作为从机。从机将采集的数据通过Zigbee无线网络传给主机，主机通过移动无线网络（例如蜂窝网络）将从机上传的采集数据发送至上位机，并从上位机获取控制信息，下发给从机，控制从机的采集过程和采集周期等。

所述上位机1010包括云端服务器1011，其安装有监控软件***，与所述下位机通过移动无线网络通信连接。所述云端服务器配置成：执行数据的存储、分析、显示、发送报警等功能；并允许用户可以通过web网页或手机APP查看监测数据，设置报警信息，设置采集周期等信息。所述监测软件***协调各部分工作，将超声传感器检测的数据进行采集、传输、计算、展示。

如图6所示，从机（测厚仪）直接安装在监测点，初始化完成，加入主机（Zigbee无线网关）组建的Zigbee网络，在接收到主机发送的采集指令后，对超声探头进行激发、采集、计算，将数据结果上传至主机。主机在收到下位机发送的采集数据后，同上位机建立Socket连接，将所有从机发送的数据上传给云端服务器。云端服务器将接收的数据进行计算，存储等操作，并根据计算结果将报警信息下发给指定用户。同时，由配置信息和计算结果，将采集周期时间下发给主机，配置下位机休眠。主机收到配置信息，计算各从机休眠时间并下发。各从机根据收到的休眠时间进行低功耗处理，进入休眠状态。主机进入休眠状态。主机和从机在休眠时间结束后，退出休眠状态，重新进行采集流程。

在本发明的一些实施方式中，所述测厚仪安装在管道的监测点并且配置成：开机完成初始化后，加入所述Zigbee无线网关组建的Zigbee无线网络；在接收到所述Zigbee无线网关发送的采集指令后，激发超声探头、采集数据、计算数据，并将计算的数据结果通过Zigbee无线网络上传至所述Zigbee无线网关。所述Zigbee无线网关配置成：接收各测厚仪上传的采集数据，通过移动无线网络将所述测厚仪上传的采集数据发送至所述上位机；从所述上位机获取控制信息，并下发给各测厚仪，以控制各测厚仪的采集过程和采集周期。

在本发明的一些实施方式中，所述云端服务器还配置成：将采集周期时间下发给所述Zigbee无线网关，以配置测厚仪休眠。

在本发明的一些实施方式中，所述Zigbee无线网关还配置成：收到配置信息，计算各测厚仪的休眠时间并下发给各测厚仪。各测厚仪配置成：根据收到的休眠时间进行低功耗处理，进入休眠状态；在休眠时间结束后，退出休眠状态，重新执行数据的采集流程。

在本发明的一些实施方式中，所述测厚仪配置成：接收到所述Zigbee无线网关的采集命令后，执行以下预处理流程：激发超声探头，通过所述超声探头预采集数据，计算预采集的数据，并将计算结果作为反馈来调整阈值电压和激发超声探头的负高压脉冲的宽度、幅值；经过多次所述预处理流程，得到合适的参数，之后进行正式采集，对正式采集的数据计算得到厚度；采集完成后，将计算结果发送给所述Zigbee无线网关。

本领技术人员应当理解，以上所公开的内容仅为本发明的实施例而已，不能以此来限定本发明请求专利保护的权利范围，依本发明的宗旨所作的等同变化、修改，仍属本发明之权利要求所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种测厚仪，其特征在于，所述测厚仪包括：

控制板；

激发板，其具有高压充电电路和高压放电电路，通过所述高压充电电路和高压放电电路产生负高压脉冲；

超声探头，其受所述高压脉冲的激发而发射用于测量工件厚度的超声波信号；以及

电池，其为所述测厚仪提供电力；

其中，所述控制板具有：

单片机；

限幅电路，其用于对所述超声探头接收的回波信号做限幅处理；

第一放大电路，其用于对所述限幅电路的输出的信号进行放大处理；

滤波电路，其用于对所述第一放大电路输出的信号进行过滤处理以滤除干扰；

第二放大电路，其用于对所述滤波电路输出的信号进行放大处理，得到有效信号；以及

比较电路，其用于将所述有效信号与阈值电压进行比较以产生方波信号；

其中，所述单片机配置成：对所述比较电路输出的方波上升和下降沿做边沿检测，得到方波时间间隔数据；对所述时间间隔数据进行分组，并对每组时间间隔数据进行相关性分析；判断相关性分析结果是否大于设定值；如所述分析结果大于设定值，则判断所述时间间隔数据具备相关性，数据有效，并根据时间间隔数据计算工件厚度；如果所述分析结果小于设定值，则判断所述时间监测数据不具备相关性，调整激发参数进行对所述超声波探头的重新激发。

2.如权利要求1所述的测厚仪，其特征在于，所述调整激发参数包括：

根据时间间隔数据计算所述超声探头的固有频率，依据该固有频率调整负高压脉冲的宽度；

根据方波信号的数量及***噪声调整负高压脉冲的幅值和所述比较电路的阈值电压；

其中，按照调整后的所述比较电路的阈值电压，负高压脉冲的幅值、宽度，激发所述超声波探头，直至测得工件厚度。

3.如权利要求1或2所述的测厚仪，其特征在于，还包括用于无线通信的天线。

4.如权利要求1所述的测厚仪，其特征在于，还包括由上盖和底座构成的外壳，所述控制板、激发板、超声探头以及电池安装在所述外壳内；

所述底座上设有磁环，所述磁环将所述测厚仪吸附于铁磁性材料的工件上。

5.如权利要求1所述的测厚仪，其特征在于，所述超声探头包括压电陶瓷超声波传感器；

所述压电陶瓷超声波传感器包括高温BSPT压电陶瓷晶片，在所述高温BSPT压电陶瓷晶片上设置有ZrO₂热障涂层。

6.一种用于管道壁厚监测的在线监测***，其特征在于，所述在线监测***包括上位机和下位机；

其中，所述下位机包括Zigbee无线网关和多个如权利要求1至5任意一项所述的测厚仪，所述Zigbee无线网关和所述多个测厚仪通过Zigbee无线网络通信连接；

其中，所述上位机包括云端服务器，其与所述下位机通过移动无线网络通信连接；

所述Zigbee无线网关配置成：接收各测厚仪上传的采集数据，通过移动无线网络将所述测厚仪上传的采集数据发送至所述上位机；从所述上位机获取控制信息，并下发给各测厚仪，以控制各测厚仪的采集过程和采集周期；

所述云端服务器配置成：执行数据的存储、分析、显示、发送报警；并允许用户可以通过WEB或手机APP查看监测数据，设置报警信息，设置采集周期。

7.如权利要求6所述的在线监测***，其特征在于，所述测厚仪安装在管道的监测点并且配置成：开机完成初始化后，加入所述Zigbee无线网关组建的Zigbee无线网络；在接收到所述Zigbee无线网关发送的采集指令后，激发超声探头、采集数据、计算数据，并将计算的数据结果通过Zigbee无线网络上传至所述Zigbee无线网关。

8.如权利要求6所述的在线监测***，其特征在于，所述云端服务器还配置成：将采集周期时间下发给所述Zigbee无线网关，以配置测厚仪休眠。

9.如权利要求8所述的在线监测***，其特征在于，所述Zigbee无线网关还配置成：收到配置信息，计算各测厚仪的休眠时间并下发给各测厚仪；

各测厚仪配置成：根据收到的休眠时间进行低功耗处理，进入休眠状态；在休眠时间结束后，退出休眠状态，重新执行数据的采集流程。

10.如权利要求6所述的在线监测***，其特征在于，所述测厚仪配置成：

接收到所述Zigbee无线网关的采集命令后，执行以下预处理流程：激发超声探头，通过所述超声探头预采集数据，计算预采集的数据，并将计算结果作为反馈来调整阈值电压和激发超声探头的负高压脉冲的宽度、幅值；

经过多次所述预处理流程，得到合适的参数，之后进行正式采集，对正式采集的数据计算得到厚度；

采集完成后，将计算结果发送给所述Zigbee无线网关。