CN102809601A - 一种导行波检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明导行波检测装置,包括传感器、超高频信号收发器、信号分析处理器、显示器;传感器通过射频电缆与超高频信号收发器和信号分析处理器电连接;传感器包括渐变圆管、过渡式矩形管、信号输出器、采集信号输入器、传感器接口;渐变圆管口完成超高频导行波信号发射和接收;信号输出器和采集信号输入器内腔加工成矩形波导;超高频信号收发器发生和输出超高频信号,并扫频信号源;信号分析处理器对电磁导行波信号进行采集、转换、存储、处理和I/O功能;显示器完成传热管时域反射信号传输通讯。利用导行波传播及其相移量与热交换器传热管缺陷之间相关性,用时域反射技术求得缺陷位置,在实际检测或在役检查时可快速确定缺陷的位置及深度。
Description
技术领域
本发明涉及蒸汽发生器传热管的腐蚀及损伤状况检测领域,具体涉及一种导行波检测装置。
背景技术
目前,世界上公认的用于核电站蒸汽发生器传热管检查的装置是涡流检测仪,在使用时存在需要把涡流探头即传感器送到被测部位,无论采用内穿式或外套式传感器,它们都因传感器不同而各具特点。其原理是借助电磁涡流场的区别来确定缺陷位置或缺陷大小,在核电站在役检查时,因为在核岛滞留不宜过长,涡流传感器大多使用机器人技术传送,无法在核岛内呆太长时间。而导行波法在检测时同样使用服务机器人,因为该装置中传感器是不用送往被测部位,所以机器人的动作只要准确地在管板之各U形管管口间移动,提供各管口插入功能就可以传输导行波信号,并立刻以介质中的光速传输到U形管的另一端,经反射器反射返回发射管口。根据时域反射原理,或电磁波理论的反相关性论述,就可以发现管内壁的缺陷及其存在贯穿性点腐蚀的位置。
导行波法在缺陷探测时,对缺陷的分辨率较高,在腐蚀小于5%时,还具有分辨率。导行波检测法,在原涡流法的基础上,提高了检测速度,也相对提高了测量范围和精度。这样,只有在检查核电站关键设备的环境条件下,快速检测才有指标意义;对变幻莫测和很难预料的航天飞行器液体火箭发动机管路环境,也解决了浇注液态推进剂前的管路的检查难题。在上述传感器研究的基础上,发明的导行波检测仪,除了可以在金属管制造厂出厂验收时使用,还可以应用于在役检查上。
该方法从蒸发器传热管内必须检查或和流体介质恰好构成有耗媒质填充的圆管的客观实际出发,独创了利用导行波在热交换器传热管中的传输反相关特性表象的测量、检查整根管内壁面上的缺陷和腐蚀状况的新思路和新技术,但该方法在试图进行电磁导波检查金属管时发现:1)不同材质包括镍基合金、不锈钢等管状物件和仪器构成的是同轴波导还是圆波导系统,实际应用时都需要调整。如果是不同的管内径,则仪器所依附的传感器必须采用不同的插入口径,才能顺利进行有效电磁波的传输,达不到预期的理论定位——大口径圆管的全覆盖。2)同轴电缆是非平衡线,传感器系统是平衡线,二者在收发连接时需要作平衡与非平衡的转换和隔离,否则产生严重的干扰。3)传感器即探头没有作平衡与非平衡转换设计,也就是平衡与非平衡转换不可能,严重的干扰信号可将微弱的反射信号完全淹没,使检测结果没有意义。在有两种或三种模式的电磁波同时存在时,不利用极化分离器和多模椭圆滤波器无法检测出与缺陷有关的电磁波信号。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种导行波检测装置,通过利用导行波的传播及其相移量与热交换器传热管缺陷之间的相关性,采用时域反射技术,求得缺陷的位置,这样在实际检测应用或在役检查时即可方便快速地确定缺陷的位置及其深度。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种导行波检测装置,包括相互电连接的传感器、超高频信号收发器、部分信号分析处理器、便携式电脑显示器;所述传感器通过射频电缆与所述超高频信号收发器和所述部分信号分析处理器电连接;
所述传感器包括渐变圆管、过渡式矩形管、耦合器主干和分支、信号输出器、采集信号输入器、传感器接口一与接口二组成;所述渐变圆管的圆锥形管口完成超高频导行波信号的发射和接收,并与被测传热金属管口径相适配;所述信号输出器和采集信号输入器内腔加工成矩形波导,并在所述波导腔内设有探针;所述传感器接口一与接口二通过电缆接头电连接;
所述超高频信号收发器发生和输出超高频信号,并扫频信号源;
所述信号分析处理器对电磁导行波信号进行采集、转换、存储、处理和I/O功能,并将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器等集成在一块模块上;
所述便携电脑显示器为采集信号的显示器,能完成传热管的时域反射信号的传输通讯,及便携电源的供电和缺陷信号的显示。
优选的,所述渐变圆管的圆锥形端口设计成平衡线式,并与所述过渡式矩形管口径相适配。
优选的,所述波导腔相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉。
优选的,所述超高频信号收发器、部分信号分析处理器和便携式电脑显示器组装在一个框架内,并根据被测传热金属管口径选取对应的超高频信号频段范围。
优选的,所述便携电脑显示器为采集信号的显示器,其整合电缆总线采集单片机与下部各参数测量仪器总线接口之间的数据交换,通过接口经光缆传送到安全场所,在主机的控制下经过接线控制、数据采集接口送到主机,并汇同传感系统及其它外设的数据,经过数据采集面板送主机处理。
优选的,所述检测装置还设有用于服务机器人操作的操纵盘。
从上述的技术方案能够看出,本发明所公开的一种导行波检测装置,通过利用时域反射技术巧妙完成了蒸汽发生器传热管检查的测量,电磁导行波在介质中传播时,其路径-波形将随所通过的介质或通道的电磁性质及参数而变化,根据接收到波的旅行时间(及双程走时)、幅度、频率与波形变化资料,可以确定介质内部缺陷结构及其腐蚀目标的状况等。根据传输线的理论模型的反相关性或反(逆)问题求解,不同的相位量和幅度可以显示出缺陷所在位置和深度。有特殊要求的也可按要求输出波形或图形。在实用时,能方便快速地进行缺陷的定位,有效地确定深度大小及其是否贯穿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图;
图1为本发明实施例所公开的一种导行波检测装置的方框示意图;
图2为本发明实施例所公开的一种导行波检测装置在机器人操纵传感器的结构示意图。
图中的数字或字母所表示的相应部件的名称:
1、传感器 11、渐变圆管 12、过渡式矩形管 13、耦
合器主干 14、耦合器分支 15、信号输出器 16、采
集信号输入器 17、传感器接口一 18、传感器接口二
2、超高频信号收发器 3、部分信号分析处理器 4、
便携电脑显示器 5、被测传热金属管 6、服务机器人
7、操纵盘
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护的范围。
本发明公开了一种导行波检测装置,通过利用导行波的传播及其相移量与热交换器传热管缺陷之间的相关性,采用时域反射技术,求得缺陷的位置,这样在实际检测应用或在役检查时即可方便快速地确定缺陷的位置及其深度。
实施例.
如图1和图2所示,一种导行波检测装置,包括相互电连接的传感器1、超高频信号收发器2、部分信号分析处理器3、便携式电脑显示器4;所述传感器1通过射频电缆与所述超高频信号收发器2和所述部分信号分析处理器3电连接;
所述传感器1包括渐变圆管11、过渡式矩形管12、耦合器主干13和耦合器分支14、信号输出器15、采集信号输入器16、传感器接口一17与传感器接口二18组成;所述渐变圆管11的圆锥形管口完成超高频导行波信号的发射和接收,并与被测传热金属管5口径相适配;所述信号输出器15和采集信号输入器16内腔加工成矩形波导,并在所述波导腔内设有探针;所述传感器接口一17与接口二18通过电缆接头电连接;
所述超高频信号收发器2发生和输出超高频信号,并扫频信号源;
所述信号分析处理器3对电磁导行波信号进行采集、转换、存储、处理和I/O功能,并将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器等集成在一块模块上;
所述便携电脑显示器4为采集信号的显示器,能完成传热管的时域反射信号的传输通讯,及便携电源的供电和缺陷信号的显示。
其中,所述渐变圆管11的圆锥形端口设计成平衡线式,并与所述过渡式矩形管12口径相适配;所述波导腔相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉;所述超高频信号收发器2、部分信号分析处理器3和便携式电脑显示器4组装在一个框架内,并根据被测传热金属管5口径选取对应的超高频信号频段范围;所述便携电脑显示器4为采集信号的显示器,其整合电缆总线采集单片机与下部各参数测量仪器总线接口之间的数据交换,通过接口经光缆传送到安全场所,在主机的控制下经过接线控制、数据采集接口送到主机,并汇同传感系统及其它外设的数据,经过数据采集面板送主机处理;由于人员在核岛滞留不易过长,所述检测装置还设有用于服务机器人6操作的操纵盘7。
同轴线中传播的电波是横电磁波。其电场方向与同轴线内导体垂直;而导行波在圆管中的电场方向必须与管内壁垂直。当导行波信号由同轴线接口激发矩形波导并转入圆波导时,根据理想金属表面电场分布边界条件,只有垂直分量存在,因此在圆管内的电场必定与同轴线内导体平行。同理,以圆波导中的电场经矩形波导耦合到同轴线接口时,也只有与同轴线内导体平行的电场才能输入至同轴线。因此发射信号不会进入到接收通道而只能向探头侧传输。而从探头接收到的信号,在圆波导中只能激励出垂直电场,进入定向耦合器后经分支而不会再传到接收端口,从而进一步提高了收发信号之间的隔离度。特别说明,定向耦合器的耦合度与隔离度需要符合设计,才能满足发射信号要比接收信号强的要求。
在进行传感器探头的设计中,通过网络分析仪选取信号源使探头具有轴对称性,可使场分布具有轴对称性,也便于探头接收时起到抑制杂模的作用。根据各场分量的瞬时变化,在z=0处,TE01模的电场在轴线和管壁之间较强,在管壁附近较弱;而TM01模除Ez分量外,管壁附近电场较强。显然选择TE01模比较有利。此外,TE01模在圆波导内壁处的切向磁场只有Hz分量,故壁电流只有分量。
总之,该传感器探头经严密的科学运算和反复的现场实验最终定型其工作模式、信号源工作频率和外型规格尺寸。
超高频信号收发器是仪器装置的必需的主要辅助设备,完成超高频信号的发生和输出,也包括扫频信号源。它与信号分析处理器以及显示模块电路组成一个框架内;根据不同的管径,选取不同的超高频信号的频段范围。
信号分析处理器是该仪器装置的核心。由于该仪器装置,根据传输线的理论模型的反相关性或反(逆)问题求解,不同的相位量和幅度可以显示出缺陷所在位置和深度。通过该部分(单元)实现了电磁导行波的信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能,将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器等集成在一块模块上实现一个系统功能。这里重要关键之点将反射信号进行时域分析。用以判定传输反相关特性表象的测量,所显示的反射波的位置及缺陷深度。
由于电磁波基本理论的复杂性,理论计算与正演模拟都是建立在近似基础上的,从而设计数据、处理软件,并研制适合的专用软件。这些理论研究成果及数据处理软件在它的应用更有利于检测量结果的解释。随着传输线理论的反相关性的确立、仪器、数据处理技术的进一步发展及应用,可及时通过该仪器的网络接口,更新其软件的更新版本。如果变换其它算法,则该仪器装置可在电力、航天、化工等工程中得到广泛的应用。
便携电脑显示器接口作为采集信号的显示器,完成传热管的时域反射信号的传输通讯,便携电源的供电和缺陷信号的显示。这种仪器的技术含量很高,一次采集的多个参数,且各参数与缺陷的相关性好,时效性强,不存在多参数多次测量容易产生的深度误差,有利于检测结果的准确解释。整合电缆总线(CBS)技术并兼容其总线协议。该协议是指在仪器总线上采集单片机与下部各参数测量仪器总线接口之间的数据交换约定。通过接口,经光缆送到安全场所,在主机的控制下经过接线控制、数据采集接口,送到主机,同时汇同传感系统及其它外设的数据,经过数据采集面板送主机处理。
本传热管用导行波检测装置所依据的原理的如下:
利用导行波的传播及其相移量与热交换器传热管缺陷之间的相关性,通过时域反射技术,求得缺陷的位置。在正常情况下,导行波的传播依据下列传输线理论。
(1)波导的横截面形状和媒质特性沿轴线z不变化,即具有轴向均匀性。
(2)金属波导为理想导体,即γ=∞。波导内填充均匀、线性、各向同性的理想介质。
(3)波导内没有激励源存在,即ρ=0和J=0。
(4)电磁波沿z轴传播,且场随时间作正弦变化。
在以上假设下,电磁场的电场分量和磁场分量均满足齐次的波动方程
式中是波数。既然波导轴线沿z方向,那么不论波的传播情况在波导内怎样复杂,其最终的效果只能是一个沿z方向前进的导行电磁波。因而可以把波导内电场分量和磁场分量写成
其中E(x,y)和H(x,y)是待定函数。γ为波沿z方向的传播常数。将(1-3)式代入方程(1-1)式,得
kc 2=k2+γ2 (1-6)
同理
可以由方程(1-5)程(1-7)到E(x,y)和H(x,y)各分量的标量波动方程。也可先求解纵向场分量的波动方程,得到两个纵向分量Ez和Hz,然后再根据电磁场基本方程组求得所有横向分量。纵向场分量Ez和Hz满足的标量波动方程为
由上述两个方程求得Ez和HZ0后,即可从电磁场基本方程组中的两个旋度方程得到四个横向场分量
上式中所有场量只与坐标x和y相关。
根据以上的分析,在波导中传播的导行电磁波可能出现EHz或Hz分量。因此,可以依照Zen和Hz的存在情况,将在波导中传播的导行电磁波分为三种波型(或模式):TEM波型、TE波型及TM波型。
均匀无耗传输线方程为
其解为
其参量为
回到本发明所探求的科学原理,它不是依据公认的上述传输线理论,而是利用在遵循经典理论规律中的不符合条件下,或者出现“异常”、“异类”,导致根据传输线理论,电磁波传输发生“不正常”,竟使得导行波传播的相移量与热交换器传热管缺陷之间建立了相关性,由此寻找检测方法的可行性。换言之,对一个传输线的理论模型的反(逆)问题求解,得到了新的可以适用的规律,由此构建了本发明的理论基础。也就是说,本发明并不是根据经典的电磁场或电磁波理论,而是它们在不符合假设条件下的表象,利用这种异常或不正常现象,来解决工程中必须重视的缺陷如何被在役检查工作者发现的问题,或者说是歪打正着,充分利用了在不符合条件下,导行波传输出现的“异常”、“异类”,并把它应用到无损检测技术之中。试验研究表明,显然这种经典传输线理论模型的反(逆)问题求解是成功的。
举例来说,利用这种“异常”现象,在低频下电缆的开路、短路或不太严重的阻抗不连续性,显示有一个就处在电缆之中。这些发生在同轴传输线的开路,短路或其他阻抗不连续性被称为故障。断头的位置不能用简单的电阻表确定。在高频时,双线或同轴电缆被波导管所代替。但可以使用时域反射技术看到沿整条电缆的特性阻抗。反射的能量是一个条件函数在电缆的一端。根据临界波长λc=2π/kc的公式,导行波的临界波长计算结果如表1:k
表1相关导行波型的临界波长
| E01 | E11 | E21 | E02 | E31 |
| 2.6127a | 1.6398a | 1.2235a | 1.1382a | 0.9848a |
| H11 | H21 | H01 | H31 | H41 |
| 3.4126a | 2.0572a | 1.6398a | 1.4956a | 1.1816a |
例如,蒸汽发生器管内径17mm,那么截止波长E01为22.2mm;H21为17.5mm;E11为13.9mm;H01为13.9mm;E21为10.4mm;H31为12.7mm;E02为9.67mm;H41为10.0mm;E31为8.37mm;H11为29.0mm。这些计算结果就最本发明用以设计实用传感器的主要依据。
另外,将导行波技术应用于核电站关键设备蒸汽发生器被测传热金属管5的检查及其他热交换器管路检查领域中,解决了涡流对被测传热金属管5检查检测中金属管材受限的问题,同时涡流蒸汽发生器被测传热金属管5检查管径测量范围有限,且图形判定测量精度差、分辨难。
本系统实现了蒸汽发生器被测传热金属管5的检查和超高频电磁波的相位和幅度同步检测控制,并转化为标准电信号输出的技术难题。充分利用了柔性制造技术,将理论分析和设计、制造、仿真等技术结合制造出了传感器1,也就是换能器或探头,并确定出了检测模式、相应频率和系统整体;该传感器1探头自成系列,独立完成被测传热金属管5相关的导行波幅度和相位的检测,不受环境压力、温度以及核辐射等的影响。
传感器1探头只有圆形插口和被测管介质接触,其它均用耐高温低温、耐辐射的密封电缆以及耐磨管插口处理,解决了高辐射环境下无法测试的现状,工作温度范围45℃至-25℃;在信号处理上,采用应用软件模式,使核岛检测系统和远端数据处理系统对等互动,传感网高效通讯,克服了传统仪器采集迟滞,实效性差,数据传输缓慢等问题,特别是仪器可以在线软件升级;仪器在对外接口上,提供了两种模式:直接连接输出电缆模式和仪器总线模式;兼容了国内外多参数检测仪器连接并网的需要;由于传感器1为服务机器人操纵,且传感器体积小,重量轻,能满足多种热交换器出厂及在役检查的检测的需求,不同口径的传感器1可按实际尺寸定制。
另外,该传热管用导行波检测装置在对被测传热金属管5检测时,不受被测介质和核辐射环境的影响,可将金属管的管径的测量范围扩大到412mm,长度长至64m,测量精度达0.5%,有效解决了在役被测传热金属管5的检测问题。
传热管用导行波检测装置的技术指标为:
[1]传感器频率范围:45MHz-20GHz;
[3]在全波导带宽内具有<1.25电压驻波比性能;
[4]检查管道内径16.9-19.0mm;
[5]检时小于10秒每管;
[6]传感器重量小于25kg。
从上述的技术方案能够看出,本发明所公开的一种导行波检测装置,通过利用于时域反射技术巧妙完成了蒸汽发生器传热管检查的测量,电磁导行波在介质中传播时,其路径-波形将随所通过的介质或通道的电磁性质及参数而变化,根据接收到波的旅行时间(及双程走时)、幅度、频率与波形变化资料,可以确定介质内部缺陷结构及其腐蚀目标的状况等。根据传输线的理论模型的反相关性或反(逆)问题求解,不同的相位量和幅度可以显示出缺陷所在位置和深度。有特殊要求的也可按要求输出波形或图形。在实用时,能方便快速地进行缺陷的定位,有效地确定深度大小及其是否贯穿。
以上为对本发明一种导行波检测装置实施例的描述,通过对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种导行波检测装置,其特征在于,包括传感器、超高频信号收发器、部分信号分析处理器、便携式电脑显示器;所述传感器通过射频电缆与所述超高频信号收发器和所述部分信号分析处理器电连接;
所述传感器包括渐变圆管、过渡式矩形管、耦合器主干和分支、信号输出器、采集信号输入器、传感器接口一与接口二组成;所述渐变圆管的圆锥形管口完成超高频导行波信号的发射和接收,并与被测传热金属管口径相适配;所述信号输出器和采集信号输入器内腔加工成矩形波导,并在所述波导腔内设有探针;所述传感器接口一与接口二通过电缆接头电连接;
所述超高频信号收发器发生和输出超高频信号,并扫频信号源;
所述信号分析处理器对电磁导行波信号进行采集、转换、存储、处理和I/O功能,并将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器等集成在一块模块上;
所述便携电脑显示器为采集信号的显示器,能完成传热管的时域反射信号的传输通讯,及便携电源的供电和缺陷信号的显示。
2.根据权利要求1所述的一种导行波检测装置,其特征在于,所述渐变圆管的圆锥形端口设计成平衡线式,并与所述过渡式矩形管口径相适配。
3.根据权利要求1所述的一种导行波检测装置,其特征在于,所述波导腔相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉。
4.根据权利要求1所述的一种导行波检测装置,其特征在于,所述超高频信号收发器、部分信号分析处理器和便携式电脑显示器组装在一个框架内,并根据被测传热金属管口径选取对应的超高频信号频段范围。
5.根据权利要求1所述的一种导行波检测装置,其特征在于,所述便携电脑显示器为采集信号的显示器,其整合电缆总线采集单片机与下部各参数测量仪器总线接口之间的数据交换,通过接口经光缆传送到安全场所,在主机的控制下经过接线控制、数据采集接口送到主机,并汇同传感系统及其它外设的数据,经过数据采集面板送主机处理。
6.根据权利要求1所述的一种导行波检测装置,其特征在于,所述检测装置还设有服务机器人操纵盘。
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