一种聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法和检测装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及压力管道的检测领域，具体是一种基于微波反射电桥原理的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法和检测装置。微波检测装置包括：微波信号源、隔离器、衰减器、移相器、微波电桥、检波器、报警器、显示器、角锥喇叭天线、同轴电缆和电源等。检测时，电桥的两臂分别通过角锥喇叭来连接参考样品和待测样品，被它们反射回来的微波信号彼此相减后进入检波器，经放大后与信号参考值进行比较，以此来检测焊接接头中的缺陷。本发明具有检测灵敏度高、准确性好等优点，可以有效地检测各种工艺性和非工艺性缺陷，并且适用于现场检测。特别是，可以有效地检测冷焊缺陷，操作简便，成本较低。
【专利说明】 一种聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法和检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及压力管道的检测领域，具体是一种基于微波反射电桥原理的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法和检测装置。
【背景技术】
[0002]聚乙烯(polyethylene, PE)管道广泛用于燃气等危险介质的传输,其具有很多卓越的性能，如:耐低温、耐腐蚀、韧性好、抗开裂、连接方便、抗刮能力和抵抗裂纹传播能力良好等，使用寿命长。聚乙烯管材之间的连接是影响其结构完整性及持久强度的重要环节，因此聚乙烯燃气管道系统的安全工作与其接头质量息息相关。聚乙烯管道之间的连接方法主要有热熔焊接和电熔焊接两种，无论是热熔焊接还是电熔焊接，在实际操作过程中都会因为主观或客观的因素，使得聚乙烯管道焊接接头处可能产生各种不同的缺陷，主要包括裂纹、气孔、夹杂、冷焊等。其中，对如冷焊这样的工艺性缺陷的检测是最困难的，因为这种缺陷一般不表现为接头处宏观结构的变化，但是对接头的质量和性能会产生很大的影响。接头处的缺陷对聚乙烯管道的安全性是很大的威胁，绝大多数聚乙烯管道事故都是由接头缺陷引起的。因此，要提高聚乙烯管道的安全性，必须提供有效可靠的接头缺陷检测方法和相关设备。
[0003]现有的聚乙烯管道焊接接头的检测方法主要有破坏性检验和非破坏性检验两类。接头的破坏性检验，本质上是对焊接界面粘接能力的评定，现阶段大多用于焊机厂家的产品开发，非破坏性检验主要指目视检测和超声检测。目视检测没有形成国家或行业标准，检测方法主要根据工程经验形成，可靠性低。超声检测能够直接获得材料内部的状态信息，可以对一些宏观缺陷进行判别，但聚乙烯是一种高分子材料，相比金属材料会吸收和损耗更多的声波能量，并且由于其结构比金属材料复杂，易于增加声波的散射，这些都大大增加了聚乙烯管道接头超声检测的难度。更重要的是，超声方法对聚乙烯管道接头的冷焊缺陷的检测十分困难。
[0004]中国发明专利(专利号201110266710.5)，公开了一种聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法和检测装置，用微波扫描装置检测聚乙烯管道热熔接头，微波探头中的发射器向被测接头发射微波，微波经过两个接收传感器记录基线波幅，然后穿透接头表面进入其内部。当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射；被反射的微波信号与发射的微波信号发生干涉，由接收传感器接收并转换成电压信号，连同扫描位置信息一起经过信号转换系统后输入计算机中，获得扫描图像，根据扫描图像得到热熔接头内缺陷的相关信息。其不足之处在于，检测时需要通过复杂的程序运算来获得扫描图像，对设备的软件配置要求高。并且，要获得清晰的扫描图像，需要很高的微波频率，这些都大大提高了设备的制造难度和成本。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服上述【背景技术】的不足，提供一种基于微波反射电桥原理的聚乙烯管道焊接接头的检测方法和检测装置。该检测方法和检测装置具有可检测多种类型的缺陷、检测灵敏度和精度高、可靠性好等优点，特别是可以有效地检测冷焊缺陷，操作简便，成本较低。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，用基于微波反射电桥原理的检测装置检测聚乙烯管道焊接接头时，微波信号源通过角锥喇叭天线向被测接头发射微波，微波穿透接头表面进入其内部，当行进中的微波遇到缺陷时，介电常数的变化使微波在缺陷处发生反射；反射回来的微波信号进入电桥与标准负载无缺陷样品的参考信号做比较，比较的结果经过检波和信号放大后，通过显示器获得可以用来判断是否存在缺陷以及缺陷类型的数据，并且通过报警器声光报警来提示缺陷的存在。
[0008]所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，按以下步骤实现:
[0009](I)将角锥喇叭天线置于聚乙烯管道焊接接头外表面，相距O-lOcm，缓慢移动进行扫描，移动速度为0.1-1Ocm/秒；同时微波信号源通过角锥喇叭天线向焊接接头发射频率为2-50GHZ的微波；
[0010](2)从焊接接头反射回来的微波信号进入角锥喇叭天线，经由与之相连的同轴电缆传输至微波电桥，与标准负载无缺陷样品的参考信号做比较；
[0011](3)比较的结果经过检波和信号放大后，通过显示器获得可以用来判断是否存在缺陷以及缺陷类型的数据，并且在存在缺陷的情况下声光报警器会闪烁报警。
[0012]所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，检测时，角锥喇叭天线在聚乙烯管道焊接接头的外表面缓慢移动，与之相连的微波接收天线在焊接接头的另一侧随之移动，以接收穿过焊接接头的透射波信号。
[0013]所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，在对聚乙烯管道焊接接头进行检测时，避免使用耦合剂。
[0014]所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，角锥喇叭天线与焊接接头外表面进行接触检测；或者，采用角锥喇叭天线靠近焊接接头外表面的方式进行检测。
[0015]所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，微波电桥中，信号从H臂④输入时，将等分同相地进入两个旁臂①和②，而不会直接进入E臂③；当①和②两臂外接负载阻抗相等而且位置对称时，两负载的反射波将以相等的大小和相反的相位进入E臂③，而不会进入H臂④；如果在E臂③外接匹配检波器，则该检波器的指示为零，表示电桥达到平衡，①和②两臂外接负载阻抗相等；如果两负载阻抗不相等，E臂③便有输出而不为零，即电桥失衡；在失衡电桥中，若一臂所接为匹配负载，则电桥失衡程度便表示另一臂所接负载的不匹配程度，所以不平衡电桥用以测量负载的微波参数；
[0016]检测时，微波电桥的两臂分别通过角锥喇叭天线来连接参考样品和待测样品，被它们反射回来的微波信号彼此相减后进入检波器，经放大器放大后与信号参考值进行比较，以此来检测焊接接头中的缺陷。
[0017]所述方法使用的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测装置，该检测装置包括:微波信号源、隔离器、衰减器、移相器、微波电桥、检波器、报警器、显示器、角锥喇叭天线、同轴电缆和电源，微波信号源的输出端连接隔离器，隔离器对信号前级呈高阻，隔离器的输出端连接微波电桥的输入端，微波电桥分别通过角锥喇叭天线来连接参考样品和待测样品，在微波电桥与标准样品连接的线路上设置移相器和衰减器，微波电桥通过同轴电缆与角锥喇叭天线连接；微波电桥的输出端连接检波器，检波器的输出端连接放大器，放大器的输出端连接显示器和报警器。
[0018]所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测装置，焊接接头为热熔接头或电熔接头。
[0019]所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测装置，该检测装置还包括控制电路，控制电路设有电源模块、微程序控制器、复位模块、显示模块、信号处理模块、晶振模块、ISP下载模块、报警模块，具体连接关系如下:
[0020]微程序控制器的两个外接晶体引脚XTALl输入端和XTAL2输出端分别与晶振模块两个引脚Xl和X2相连；微程序控制器的四个引脚PB5、PB6、PB7、RESET，分别与ISP下载模块的四个引脚MOS1、MIS0、SCK、RESET相连；信号处理模块的PAO端与微程序控制器的引脚PAO连接，微程序控制器的输出端分别与报警模块的Buzzer输入端和显示模块的输入端相连；
[0021]复位模块的输出端与微程序控制器的RESET复位输入引脚相连，电源模块的电源正极分别与微程序控制器、复位模块、显示模块、报警模块、ISP下载模块、信号处理模块相接;
[0022]从检波器出来的信号通过信号处理模块将模拟信号放大和A/D转换成为数字信号，通过微程序控制器处理后，将结果通过显示模块显示出来，如果被检测的样品有缺陷，报警模块将报警提示。
[0023]本发明的原理如下:
[0024]微波是一种频率范围在0.3-300GHZ之间的电磁波。当微波从一种介质进入到另一种具有不同介电常数的介质中时，两种介质介电常数的差异使微波的参数发生变化。材料中的缺陷可以看作是具有与周围材料不同的介电常数的介质，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波在缺陷处发生反射。反射回来的微波信号经过检波和信号放大后，通过电桥与标准负载(无缺陷样品)的参考信号做比较，得到的数据可以用来判断是否存在缺陷以及缺陷的类型。
[0025]与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是:
[0026]本发明提供的检测方法和检测装置能够有效地检测出聚乙烯管道焊接接头的多种类型的缺陷，具体优点如下:
[0027](I)与常规的超声、射线等无损检测方法相比，本发明的检测方法和检测装置在检测时不需要耦合剂，可以实现不接触表面的快速检测，检测效率高，有利于缩短检测时间，降低检测成本；
[0028](2)本发明微波检测装置包括:微波信号源、隔离器、衰减器、移相器、微波电桥、检波器、报警器、显示器、角锥喇叭天线、同轴电缆和电源等，其操作简便，成本较低；
[0029](3)本发明基于微波反射和电桥参比的原理，能够有效地检测出焊接接头中的工艺性缺陷和非工艺性缺陷，尤其是可以有效地检测出冷焊缺陷，这是其它无损检测方法难以实现的；
[0030](4)本发明的检测方法和检测装置适用于对各种介电材料的检测，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃钢等。国内外目前尚未见有关微波反射电桥技术对聚乙烯管道焊接接头检测的报道，因此本发明的实施有望填补该领域国内的空白； [0031 ] (5)本发明检测方法和检测装置可用于现场检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是本发明提供的微波检测装置的原理框图。
[0033]图2是本发明提供的微波检测装置的控制电路图。
[0034]图3是本发明提供的微波检测装置的电桥法原理示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
[0036]如图1所示，本发明基于微波反射电桥原理的聚乙烯管道焊接接头的检测装置，包括:微波信号源、隔离器、衰减器、移相器、微波电桥、检波器、报警器、显示器、角锥喇叭天线、同轴电缆和电源等，其具体结构如下:
[0037]微波信号源的输出端连接隔离器，隔离器对信号前级呈高阻，对信号后级呈低阻，可以隔离前后级阻抗相互影响，达到阻抗匹配，提高信号的线性度。隔离器的输出端连接微波电桥的输入端，微波电桥分别通过角锥喇叭天线来连接参考样品和待测样品，在微波电桥与标准样品连接的线路上设置移相器和衰减器，微波电桥通过同轴电缆与角锥喇叭天线连接。微波电桥的输出端连接检波器，检波器的输出端连接放大器，放大器的输出端连接显示器和报警器。
[0038]检测时，微波电桥的两臂分别通过角锥喇叭天线来连接参考样品和待测样品，被它们反射回来的微波信号彼此相减后进入检波器，经放大器放大后与信号参考值进行比较，以此来检测焊接接头中的缺陷。本发明具有检测灵敏度高、准确性好等优点，可以有效地检测各种工艺性和非工艺性缺陷，并且适用于现场检测。
[0039]如图2所示，本发明提供的微波检测装置的控制电路主要包括电源模块、微程序控制器(32位Megal6单片机)、复位模块、显不模块、信号处理模块(AD620AR放大器)、晶振模块、ISP下载模块、报警模块等，具体结构如下:
[0040]微程序控制器的两个外接晶体引脚XTALl (输入端)和XTAL2 (输出端)分别与晶振模块两个引脚Xl和X2相连。微程序控制器的四个引脚PB5 (MOSI)、PB6 (MISO)、PB7 (SCK)、RESET分别与ISP下载模块的四个引脚MOS1、MIS0、SCK、RESET相连。信号处理模块的PAO端与微程序控制器的引脚PAO连接，微程序控制器的输出端分别与报警模块的Buzzer输入端和显示模块的输入端相连。
[0041]复位模块的输出端与微程序控制器的RESET复位输入引脚相连，电源模块的电源正极分别与微程序控制器、复位模块、显示模块、报警模块、ISP下载模块、信号处理模块相接。其中，显示模块设有IXD液晶显示器。
[0042]本发明提供的微波检测装置的控制电路的工作过程和原理如下:
[0043]从检波器出来的信号通过信号处理模块将模拟信号放大和A/D转换成为数字信号，通过微程序控制芯片(微程序控制器)处理后，将结果通过显示模块显示出来，如果被检测的样品有缺陷，报警模块将报警提示。电源模块提供交流和直流两种供电模式；晶振模块用于稳定设备的工作频率；ISP下载模块用于将外部编写的程序载入设备；复位模块用于设备的复位。[0044]如图3所示，在本发明检测装置的核心部分——微波电桥中，信号从H臂④输入时，将等分同相地进入两个旁臂①和②，而不会直接进入E臂③；当①和②两臂外接负载阻抗相等而且位置对称时，两负载的反射波将以相等的大小和相反的相位进入E臂③，而不会进入H臂④。如果在E臂③外接匹配检波器，则该检波器的指示为零，表示电桥达到平衡，①和②两臂外接负载阻抗相等。如果两负载阻抗不相等，E臂③便有输出而不为零，即电桥失衡。在失衡电桥中，若一臂所接为匹配负载，则电桥失衡程度便表示另一臂所接负载的不匹配程度，所以不平衡电桥可用以测量负载的驻波系数、反射系数等微波参数。
[0045]本发明基于微波反射电桥原理的聚乙烯管道焊接接头的检测方法，按以下步骤实现:
[0046](I)将角锥喇叭天线置于聚乙烯管道焊接接头外表面，相距O-1Ocm缓慢移动，移动速度为0.1-1Ocm/秒；同时微波信号源通过角锥喇叭天线向焊接接头发射频率为2-50GHZ的微波；
[0047](2)从焊接接头反射回来的微波信号进入角锥喇叭天线，经由与之相连的同轴电缆传输至微波电桥，与标准负载(无缺陷样品)的参考信号做比较；
[0048](3)比较的结果经过检波和信号放大后，通过显示器获得可以用来判断是否存在缺陷以及缺陷的类型的数据，并且在存在缺陷的情况下声光报警器会闪烁报警。
[0049]实施例1
[0050]使用本发明提供的微波检测装置对一含有气孔缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测。将角锥喇叭天线置于该热熔接头外表面，角锥喇叭天线与接头外表面之间的距离为2cm，以Icm/秒的速度缓慢移动角锥喇叭天线，发射频率为15GHz的微波，从接头反射回来的微波信号进入角锥喇叭天线，经由与之相连的同轴电缆传输至微波电桥，与标准负载的参考信号做比较。比较的结果经过检波和信号放大后，显示器显示相关参数数值或曲线，可判断该接头中存在气孔缺陷，同时声光报警器闪烁报警。
[0051]实施例2
[0052]使用本发明提供的微波检测装置对一含有夹杂缺陷的聚乙烯管道电熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，将角锥喇叭天线置于该热电熔接头外表面，角锥喇叭天线与接头外表面之间的距离为1cm，以5cm/秒的速度缓慢移动微波探头，发射频率为9GHz的微波，从接头反射回来的微波信号进入角锥喇叭天线，经由与之相连的同轴电缆传输至微波电桥，与标准负载的参考信号做比较。比较的结果经过检波和信号放大后，显示器显示相关参数数值或曲线，可判断该接头中存在夹杂缺陷，同时声光报警器闪烁报警。
[0053]实施例3
[0054]使用本发明提供的微波检测装置对一含有冷焊缺陷的聚乙烯管道电熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，将角锥喇叭天线置于该电熔接头外表面，角锥喇叭天线与接头外表面之间的距离为5cm，以0.5cm/秒的速度缓慢移动微波探头，发射频率为18GHz的微波，从接头反射回来的微波信号进入角锥喇叭天线，经由与之相连的同轴电缆传输至微波电桥，与标准负载的参考信号做比较。比较的结果经过检波和信号放大后，显示器显示相关参数数值或曲线，可判断该接头中存在冷焊气孔缺陷，同时声光报警器闪烁报警。
[0055]实施例4
[0056]使用本发明提供的微波检测装置对一含有裂纹缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，将角锥喇叭天线置于该热熔接头外表面的一侧，角锥喇叭天线与接头外表面之间的距离为7cm，以2cm/秒的速度缓慢移动微波探头，发射频率为IOGHz的微波，从接头反射回来的微波信号进入角锥喇叭天线，经由与之相连的同轴电缆传输至微波电桥，与标准负载的参考信号做比较。比较的结果经过检波和信号放大后，显示器显示相关参数数值或曲线，可判断该接头中存在裂纹缺陷，同时声光报警器闪烁报警。
[0057]实施例结果表明，基于这种检测装置的检测方法可检测多种类型的缺陷，具有检测灵敏度和精度高、可靠性好等优点，可以有效地检测出多种类型的缺陷，尤其是可以检测出冷焊缺陷，并且可用于现场检测。
[0058]应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本本发明的限定范围。
【权利要求】
1.一种聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，其特征在于，用基于微波反射电桥原理的检测装置检测聚乙烯管道焊接接头时，微波信号源通过角锥喇叭天线向被测接头发射微波，微波穿透接头表面进入其内部，当行进中的微波遇到缺陷时，介电常数的变化使微波在缺陷处发生反射；反射回来的微波信号进入电桥与标准负载无缺陷样品的参考信号做比较，比较的结果经过检波和信号放大后，通过显示器获得可以用来判断是否存在缺陷以及缺陷类型的数据，并且通过报警器声光报警来提示缺陷的存在。
2.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，其特征在于，按以下步骤实现: (1)将角锥喇叭天线置于聚乙烯管道焊接接头外表面，相距0-lOcm，缓慢移动进行扫描，移动速度为0.1-1Ocm/秒；同时微波信号源通过角锥喇叭天线向焊接接头发射频率为2-50GHZ的微波； (2)从焊接接头反射回来的微波信号进入角锥喇叭天线，经由与之相连的同轴电缆传输至微波电桥，与标准负载无缺陷样品的参考信号做比较； (3)比较的结果经过检波和信号放大后，通过显示器获得可以用来判断是否存在缺陷以及缺陷类型的数据，并且在存在缺陷的情况下声光报警器会闪烁报警。
3.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，其特征在于，检测时，角锥喇叭天线在聚乙烯管道焊接接头的外表面缓慢移动，与之相连的微波接收天线在焊接接头的另一侧随之移动，以接收穿过焊接接头的透射波信号。
4.按照权利要 求1所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，其特征在于，在对聚乙烯管道焊接接头进行检测时，避免使用耦合剂。
5.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，其特征在于，角锥喇叭天线与焊接接头外表面进行接触检测；或者，采用角锥喇叭天线靠近焊接接头外表面的方式进行检测。
6.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测方法，其特征在于，微波电桥中，信号从H臂④输入时，将等分同相地进入两个旁臂①和②，而不会直接进入E臂③；当①和②两臂外接负载阻抗相等而且位置对称时，两负载的反射波将以相等的大小和相反的相位进入E臂③，而不会进入H臂④；如果在E臂③外接匹配检波器，则该检波器的指示为零，表示电桥达到平衡，①和②两臂外接负载阻抗相等；如果两负载阻抗不相等，E臂③便有输出而不为零，即电桥失衡；在失衡电桥中，若一臂所接为匹配负载，则电桥失衡程度便表示另一臂所接负载的不匹配程度，所以不平衡电桥用以测量负载的微波参数； 检测时，微波电桥的两臂分别通过角锥喇叭天线来连接参考样品和待测样品，被它们反射回来的微波信号彼此相减后进入检波器，经放大器放大后与信号参考值进行比较，以此来检测焊接接头中的缺陷。
7.—种权利要求1所述方法使用的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测装置，其特征在于，该检测装置包括:微波信号源、隔离器、衰减器、移相器、微波电桥、检波器、报警器、显示器、角锥喇叭天线、同轴电缆和电源，微波信号源的输出端连接隔离器，隔离器对信号前级呈高阻，隔离器的输出端连接微波电桥的输入端，微波电桥分别通过角锥喇叭天线来连接参考样品和待测样品，在微波电桥与标准样品连接的线路上设置移相器和衰减器，微波电桥通过同轴电缆与角锥喇叭天线连接；微波电桥的输出端连接检波器，检波器的输出端连接放大器，放大器的输出端连接显示器和报警器。
8.按照权利要求7所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测装置，其特征在于，焊接接头为热熔接头或电熔接头。
9.按照权利要求7所述的聚乙烯管道焊接接头缺陷的检测装置，其特征在于，该检测装置还包括控制电路，控制电路设有电源模块、微程序控制器、复位模块、显示模块、信号处理模块、晶振模块、ISP下载模块、报警模块，具体连接关系如下: 微程序控制器的两个外接晶体引脚XTALl输入端和XTAL2输出端分别与晶振模块两个引脚Xl和X2相连；微程序控制器的四个引脚PB5、PB6、PB7、RESET，分别与ISP下载模块的四个引脚MOS1、MISO、SCK、RESET相连；信号处理模块的PAO端与微程序控制器的引脚PAO连接，微程序控制器的输出端分别与报警模块的Buzzer输入端和显示模块的输入端相连； 复位模块的输出端与微程序控制器的RESET复位输入引脚相连，电源模块的电源正极分别与微程序控制器、复位模块、显示模块、报警模块、ISP下载模块、信号处理模块相接； 从检波器出来的信号通过信号处理模块将模拟信号放大和A/D转换成为数字信号，通过微程序控制器处理后，将结果通过显示模块显示出来，如果被检测的样品有缺陷，报警模块将报警 提示。
【文档编号】G01N22/02GK103940833SQ201410179411
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】潘金平, 谭连江, 祝新伟 申请人:嘉兴市特种设备检测院