基于γ射线管材壁厚连续测量系统设计毕业设计论文.docx

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基于γ射线管材壁厚连续测量系统设计毕业设计论文

基于

射线管材壁厚连续测量系统设计

摘要

由于管材的局部严重减薄会对管道的安全运行构成威胁，所以在管材的使用过程中，需要定期对管材的厚度进行检测。

作为同位素仪表的一个分支，γ射线测厚仪在工业测量中也越来越多地发挥重要作用。

γ射线测厚仪由γ放射源、探测器、信号处理电路这三部分组成。

本设计是对管材的壁厚进行连续检测，其中采用虚拟仪器对γ射线测厚仪进行控制，取代了传统的单片机控制。

主要有这两方面的内容：

其一、γ射线连续测厚系统的硬件设计。

由于电流电离室出来的信号很微弱，需要运用信号放大电路对其进行放大后送给数据采集卡。

其二、基于虚拟仪器的软件设计。

其中信号的处理将采用LabVIEW来完成。

主要考虑信号的滤波和放大，接着再进行标度变换，最后的管材壁厚值分别用波形图和具体数值显示。

关键词：

同位素仪表；γ射线；虚拟仪器；数据采集卡；

γ-ray-basedmeasurementsystemforpipewallthicknessdesign

Abstract

Asaresultofseverelocalthinningpipepipelinewouldposeathreattothesafeoperation,sotheuseoftubes,theneedtoregularlytestthethicknessofpipe.Instrumentasabranchoftheisotope,γ-raythicknessmeasurementinindustryisalsoincreasinglyplayinganimportantrole.γbyγ-raythicknessgaugesources,detectors,signalprocessingcircuitwhichiscomposedofthreeparts.

Thedesignofthewallthicknessofpipeforcontinuousdetection,inwhichtheuseofvirtualmachinesontheγ-rayThicknessGaugecontroltoreplacethetraditionalsingle-chipcontrol.Therearetwoaspects:

first,γ-raythicknessmeasurementsystemforhardwaredesign.Asthecurrentfromtheionizationchambersignalisveryweak,needtousetheirsignalamplificationcircuittothedataacquisitioncard.Second,basedonvirtualinstrumentsoftwaredesign.SignalprocessingwhichwillbeusedtocompleteLabVIEW.Themainconsiderationsignalfilteringandamplification,andthenscalingtotransform,thefinalvalueofthepipewallthickness,respectively,andspecificnumericalwaveformdisplay.

Keywords:

IsotopeInstrumentation;γ-ray;virtualinstrument;dataacquisitioncard;

第一章引言

一.1课题研究的背景和意义

一.1.1研究背景

2006年1月31和2月15日某热电厂B4水冷壁管连续发生破裂事故，事后对水冷壁管进行化学成分分析、宏观分析、断口微观分析及硬度检验，结果表明，水冷壁管的破裂是由于向火面管内侧发生蒸汽腐蚀和氢腐蚀，使得管壁减薄所致。

根据介质特性及工艺条件的不同，金属管道在使用过程中，其整体或局部可能受到腐蚀、冲蚀、磨损等破坏性作用，使管壁逐渐减薄。

缓慢的均匀减薄对管道的安全运行影响不大，局部的非均匀减薄会影响管道的强度，严重的局部减薄则会对管道的安全运行构成威胁。

因此对在役金属管道、尤其是压力管道进行定期检测时均把壁厚检测作为主要的检测项目之一。

一.1.2研究意义

对在役金属管道进行壁厚检测的主要目的是为了探测管道在使用过程中壁厚的减薄程度，并依此推测壁厚减薄速度、在一定时期内的减薄总量，通过计算分析判定剩余壁厚能否满足强度及使用寿命的要求。

一.2无损检测技术

一.2.1无损检测的概述

随着监督检测手段的不断完善，检测仪器的不断发展，质量监督检测工作的科技含量也在不断增加。

无损检测就是建立在现代科学基础之上监督检测技术。

无损检测技术（NDT）是在不损害材料/工件使用性能的前提下，用于检测其特征质量，确定其是否已达到特定的工程技术要求，是否还可以继续服役的方法，它是检验产品的质量、保证产品安全、延长产品寿命的必要的可靠技术手段。

它有着比常规检测方法更为突出的特点：

非破坏性、随机性、远距离探测、现场检测，且检测数据可连续性采集，并通过数理分析和逻辑判断，能够比较准确地推定出质量的状况，从而弥补了以往质量监督检测中单纯以“查、看、审、量”的观感检查和外形质量控制偏差来推及工程质量优劣的做法，使监督检测的结果更具有真实性、科学性和权威性。

一.2.2无损检测的方法

经过各国科技工作者的不懈努力，无损检测技术得到了很大的进展，目前形成了五种常规的无损检测的方法，即超声检测（Ultrasonic）、射线检测（Radiographic）、涡流检测（EddyCurrent）、磁粉检测（MagneticParticle）、渗透检测（Penetrant）。

1）超声检测

超声检测利用的是超声波在介质中传播的特点。

当超声波在介质中传播超声时，在不同性质的介面将发生反射、折射和复杂的波型转换，使超声波被吸收和散射，检测、分析反射信号后透射信号即可实现对缺陷的检测。

超声检测具有很多优点：

具有很强的穿透力，并且对于很小的伤痕，也能够准确地检测出并进行定位，同时，配以一些自动扫描装置及微处理器计算机的设备，这项技术的应用则更为完善和丰富。

但该技术对操作者有较高的要求，对于一个很大的检测，一次只能检测很小的一部分。

2）射线检测

射线的种类有很多，如x射线、γ射线等。

选择什么样的射线取决于待测物体材料的厚度。

检测时，射线靠近试样，射线与物质的原子将发生复杂的相互作用，导致透射射线强度衰减，而缺陷部位对射线的衰减不同于无缺陷的部位，由胶片捕捉记录透射射线的强度。

胶片经过处理得到了图像，进行灵敏的实时监测，但射线对人体有害。

因此操作者除了必须懂得操作规程外，还应有有效的保护措施及警告信号。

3）涡流检测

涡流检测有一定的局限性，仅能用于导体的电磁技术。

涡流检测是根据电磁感应原理，导电材料在变交磁场作用下将产生涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷会影响产生涡流的大小和分布。

当电磁线圈移到金属物的表面，涡流就导入试样中。

这种由电流所建立起来的磁场刚好与原磁场的方向相反。

由于损伤的存在以及材料内部的缺陷，涡流必将发生畸变，线圈的阻抗将因此而发生变化。

通过仪器测量阻抗的变化，进一步分析并研究材料的缺陷和损伤。

4）磁粉检测

磁粉检测的原理是利用损伤会改变磁力线的分布情况，从而显现材料的缺陷。

当磁性材料工件磁化时，在工件表面和近表面的缺陷处将产生漏磁场，这些漏磁场可以吸引磁粉，磁粉的痕迹可以显示缺陷的位置、形状和尺寸。

现在可供使用的磁粉种类繁多，可依据要求来选择。

该检测方法主要用于材料表面的探伤，有时也可用于浅表面的损伤。

但随着损伤的深度和类型的变化，其有效性会受到极大的影响，值得注意的是试样表面的不平和划痕也会对磁力线的走向产生影响。

因而，在应用这种方法时，应先对表面进行处理。

5）渗透检测

渗透检测采用渗透剂渗入工件表面开口缺陷，在清除工件表面的渗透剂后，从缺陷渗入的渗透剂可显示缺陷的位置、形状和大小。

渗透剂有荧光渗透剂和着色渗透剂两种。

渗透检测可用于表面穿透性裂纹的检测，具有简便、快捷、可靠等特点。

但在检测前必须清洁工件，以消除渗透油和显影液的污染。

随着工业生产和科学技术的进步，无损检测技术也得到飞速发展，不仅超声、射线等传统的检测技术青春长存，而且还产生了像激光全息干涉、电子剪切成像、激光超声、红外、声发射、微波、远场涡流、电磁超声、磁记忆、超声相控阵等众多的无损检测新方法、新技术。

一.2.3无损检测技术的发展趋势

第十五届世界无损检测会议（WCNDT）肯定了无损检测技术未来的发展趋势—向无损评价（NDE:

Non-DestructiveEvaluation）方向发展。

无损检测不但要在不损伤被检对象使用性能的前提下，探测其内部或表面的各种宏观缺陷，判断缺陷的位置、大小、形状和性能，还应能对被评价对象的固有属性、功能、状态和发展趋势（安全性和剩余寿命）等进行分析、预测，并做出综合评价。

随着计算机技术、数字图像处理技术、电子测量技术的发展为无损检测技术奠定了良好的基础。

无损检测技术的研究和应用将呈现数字化、高智能化、自动化等特点。

一.3管材壁厚测量的方法

在工业生产中常用来连续测量产品厚度（如钢板、钢带、纸张等）的仪表中有利用α射线、β射线、γ射线穿透特性的放射性厚度计；有利用超声波频率变化的超声波厚度计；有利用涡流原理的电涡流厚度计；还有x射线测厚仪、电容式厚度计、微波厚度计和激光厚度计等。

其中在工业上常用来测量管材壁厚的方法有：

x射线测厚仪、超声波测厚仪、γ射线测厚仪。

一.3.1

射线测厚仪

x射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。

由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。

实验室中x射线由x射线管产生，x射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的x射线管还可用铁、铜、镍等材料）。

用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，x射线从靶极发出。

电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。

x射线测厚仪的测厚原理是：

根据x射线穿透被测物时的强度衰减来进行转换测量厚度的，即测量被测物所吸收的x射线量，根据该x射线的能量值，确定被测件的厚度。

x射线测厚仪的优点：

透视灵敏度高；设备结构简洁、部件更换快速、简单，便于维护；厚度测量不受材料形状限制；缺点：

费用高，透照厚度较γ射线小，有安全防护要求，还需要恒温冷却系统。

一.3.2超声波测厚仪

利用超声波脉冲反射原理，通过发射的超声波脉冲至涂层/基材，计算脉冲通过涂层/基材界面反射回发射器所花的时间来计算涂层的厚度。

仪器通过一个发射器发射高频超声波进入涂层，振动波会穿透涂层，遇上不同力学性能的材料（如基材）时，振动波会在不同材料的界面部分反射和传递。

反射部分会被感应器接收，传递的振动波继续传递到底材，同样经历着所有材料界面间的反射、传递过程。

传感器将反射波转换成电信号，这些信号会被仪器数码化，数码化反射波被分析后，便得到振荡波所花的确切传递时间。

超声波测厚仪的优点：

超声波测厚仪一般都具有超轻超薄机身，便于单手操作；测量精度高；有背景灯光，使得在各种环境下清晰可视；低功耗，两节干电池可使用200小时以上；对人体无害；适合测量所有导声材料，如钢、铁、塑料、陶瓷、有机玻璃等。

缺点：

对工件表面要