一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法及应用

1.本发明涉及无损检测信号处理技术领域，尤其是一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法及应用。


背景技术：

2.聚氨酯保温管是一种高效的保温材料，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热等领域。在石油、化工、冶金领域，聚氨酯保温管能使管道中输送介质温度保持稳定，提高生产效率，还能防止管道在低温环境结冰、裂开等问题的发生。在电力领域，聚氨酯保温管能减少电线的能量损失，提高输送效率。在供热领域，聚氨酯保温管能减少热能损失，提高供热效率。聚氨酯保温管中的工作管缺陷、保温层缺陷和保护层缺陷均会导致管道的保温性能下降、影响管道的使用寿命。对以上三种介质层缺陷进行判别，有助于采取合理的维修方案，这对保障聚氨酯保温管应用领域安全及延长聚氨酯保温管使用寿命具有重要意义。
3.电容成像检测技术是一种新型的无损检测技术，它能对绝缘材料缺陷和金属材料缺陷进行有效检测。目前，利用电容成像检测技术间距效应或提离效应虽能对比区分聚氨酯保温管三种介质层缺陷，但利用上述方法只有当三种介质层缺陷均存在时才能有效对比区分；且需要多次检测聚氨酯保温管，增加了检测成本和检测时间。因此，针对聚氨酯保温管中保护层缺陷、保温层缺陷和工作管缺陷等三种介质层缺陷，有必要提出一种能利用电容传感器一次性准确判别单一介质层缺陷、两种介质层缺陷和三种介质层缺陷的方法。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法及应用。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于提离效应的聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，包括如下步骤：
6.步骤1，接收输入的同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号；
7.步骤2，对步骤1所得的电容成像检测信号进行低通滤波处理后得到低通滤波处理信号an和asn；
8.步骤3，对步骤2所得的低通滤波处理信号an和asn求畸变率bn，对an求梯度值cn＝grad(an)，对所述梯度值cn求梯度峰值间垂直高度hn和水平长度ln；对所述低通滤波处理信号an求缺陷中心处峰值dn；
9.步骤4，对步骤3所得的垂直高度hn和畸变率bn进行除法运算得到en＝hn/bn；对所述水平长度ln和峰值dn进行除法运算得到fn＝ln/dn；
10.步骤5，引入补偿因子ac，对所述en和补偿因子ac进行除法运算得到gn＝en/ac；对所述fn和补偿因子ac进行乘法运算得到hn＝fn×ac
；
11.步骤6，引入单位系数bc，对所述hn和单位系数bc进行乘法运算得到in＝hn×bc
；
12.步骤7，对所述gn和in进行融合处理得到融合值jn＝gn+in；
13.步骤8，判断融合值jn是否小于等于预设阈值p
n1
；如果是，判定为保护层管缺陷；如果否，则进行下一步判断；
14.步骤9，判断融合值jn是否小于等于预设阈值p
n2
；如果是，判定为保温层缺陷；如果否，判定为工作管缺陷。
15.上述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，所述步骤1中同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号包括提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测含介质层缺陷聚氨酯保温管的检测信号yn、提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测无缺陷聚氨酯保温管的检测信号ysn。
16.上述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，所述步骤3中畸变率byn＝(a
n-asn)/asn。
17.上述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，所述步骤5中补偿因子ac为电荷放大倍数的平方。
18.上述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，所述单位系数bc与电容成像检测技术应用场景有关，仿真应用中单位系数bc为1pf，试验应用中单位系数bc为1mv。
19.上述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，所述步骤8中的预设阈值p
n1
和步骤9中的预设阈值p
n2
是根据提离高度hm和工作电极间距dm下电容传感器有效检测不同介质层最大体缺陷和最小体缺陷设置的，而且所述预设阈值p
n1
小于预设阈值p
n2
。
20.上述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法的应用，应用于含介质层缺陷的聚氨酯保温管进行缺陷判断。
21.本发明的有益效果是，本发明提供的方法能利用单个电容传感器一次性判别三种介质层缺陷，通过结合畸变率、梯度值、补偿因子、单位系数以及两次预设阈值判断实现三种介质层缺陷判别的方法，达到一次性判别三种介质层缺陷、降低判别成本和提高判别准确率的目的。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.图1为本发明缺陷判别方法流程图；
24.图2为本发明预设阈值设定流程图；
25.图3为本发明实施例1中聚氨酯保温管被测试件结构图；
26.图4为本发明实施例1提供的电容传感器检测被测试件(具有10个不同缺陷宽度)的融合值图；
27.图5为本发明实施例1提供的电容传感器检测被测试件(具有10个不同缺陷深度)的融合值图；
28.图6为本发明实施例1提供的电容传感器检测被测试件(具有9个不同绝缘层厚度)的融合值图。
具体实施方式
29.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
30.如图1所示，本发明公开了一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，可应用于多个提离高度下对含对含介质层缺陷的聚氨酯保温管进行缺陷判断，根据电容成像检测原理，电容成像检测信号的每一个检测结果值都是由三维有效检测区域与相应检测灵敏度分布数值积分而来，使得三种不同介质层缺陷的判别信息蕴含在电容成像检测信号中，通过融合检测信号强度、畸变率、梯度值、补偿因子、单位系数以及两次预设阈值，发现三种介质层缺陷融合值存在明显的分界现象，从而实现聚氨酯保温管三种介质层缺陷的判别。具体包括如下步骤：
31.s101,接收输入的同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号，其中所述同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号包括提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测含介质层缺陷聚氨酯保温管的检测信号(y1、y2、
……
、y
n-1
、yn)、提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测无缺陷聚氨酯保温管的检测信号(ys1、ys2、
……
、ys
n-1
、ysn)。
32.具体的，信号和数学处理软件接收输入的同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号，其中同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号包括提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测含介质层缺陷聚氨酯保温管的检测信号(y1、y2、
……
、y
n-1
、yn)、提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测无缺陷聚氨酯保温管的检测信号(ys1、ys2、
……
、ys
n-1
、ysn)。
33.s102，对所述电容成像检测信号低通滤波处理后得到低通滤波处理信号an和asn。
34.具体的，信号或数学处理软件接收到检测信号后，利用软件中的低通滤波功能处理后得到滤波处理信号an和asn，过滤掉检测信号中掺杂的噪声信号。
35.s103，对所述低通滤波处理信号an和asn求畸变率bn＝(a
n-asn)/asn；
36.s104，对所述低通滤波处理信号an求梯度值cn＝grad(an)；
37.s105，对所述梯度值cn求梯度峰值间垂直高度hn和水平长度ln；
38.s106，对所述低通滤波处理信号an求缺陷中心处峰值dn。
39.具体的，通过信号或数学处理软件，对所述低通滤波处理信号an和asn求畸变率bn＝(a
n-asn)/asn。通过信号或数学处理软件，对所述低通滤波处理信号an求梯度值cn＝grad(an)，并对所述梯度值cn求梯度峰值间垂直高度hn和水平长度ln。通过信号或数学处理软件，对所述低通滤波处理信号an求缺陷中心处峰值dn。
40.优选的，对所述低通滤波处理信号an和asn求畸变率bn＝(a
n-asn)/asn，对所述低通滤波处理信号an和asn求畸变率bn＝(a
n-asn)/asn包括借助excel软件求畸变率bn、labview软件求畸变率bn、mathtype软件求畸变率bn、matlab软件求畸变率bn和python软件求畸变率bn。
41.优选的，对所述低通滤波处理信号an求梯度值cn＝grad(an)，其特征在于，对所述低通滤波处理信号an求梯度值cn＝grad(an)包括借助excel软件求梯度值cn、labview软件求梯度值cn、mathtype软件求梯度值cn、matlab软件求梯度值cn和python软件求梯度值cn。
42.s107，对所述垂直高度hn和畸变率bn进行除法运算得到en＝hn/bn；
43.s108，对所述水平长度ln和峰值dn进行除法运算得到fn＝ln/dn。
44.具体的，通过信号或数学处理软件，对所述垂直高度hn和畸变率bn进行除法运算得到en＝hn/bn；通过信号或数学处理软件，对所述水平长度ln和峰值dn进行除法运算得到fn＝
ln/dn。
45.s109，引入补偿因子ac；
46.s110，对所述en和补偿因子ac进行除法运算得到gn＝en/ac；
47.s111，对所述fn和补偿因子ac进行乘法运算得到hn＝fn×ac
。
48.具体的，通过信号或数学处理软件引入补偿因子ac，其中补偿因子ac为电荷放大倍数的平方。通过信号或数学处理软件，对所述en和补偿因子ac进行除法运算得到gn＝en/ac。通过信号或数学处理软件，对所述fn和补偿因子ac进行乘法运算得到hn＝fn×ac
。
49.s112，引入单位系数bc；
50.s113，对所述hn和单位系数bc进行乘法运算得到in＝hn×bc
。
51.具体的，通过信号或数学处理软件引入单位系数bc，其中单位系数bc与电容成像检测技术应用场景有关，仿真应用中单位系数bc为1pf，实验应用中单位系数bc为1mv。通过信号或数学处理软件，对所述hn和单位系数bc进行乘法运算得到in＝hn×bc
。
52.s114，对所述gn和in进行融合处理得到融合值jn＝gn+in。
53.具体的，通过信号或数学处理软件，对所述gn和in进行融合处理得到融合值jn＝gn+in。
54.优选的，对所述gn和in进行融合处理得到融合值jn＝gn+in，对所述gn和in进行融合处理得到融合值jn＝gn+in包括借助excel软件求融合值jn、labview软件求融合值jn、mathtype软件求融合值jn、matlab软件求融合值jn和python软件求融合值jn。
55.s115，判断融合值jn是否小于等于预设阈值p
n1
；
56.s116，如果是，判定为保护层缺陷；如果否，则进行下一步判断。
57.s117，判断融合值jn是否小于等于预设阈值p
n2
；
58.s118，如果是，判定为保温层缺陷；
59.s119，如果否，判定为工作管缺陷。
60.具体的，所述预设阈值p
n1
和预设阈值p
n2
是根据提离高度hm和工作电极间距dm下电容传感器有效检测不同介质层最大体缺陷和最小体缺陷设置的，而且所述预设阈值p
n1
小于预设阈值p
n2
，例如电容传感器检测保护层最大体缺陷、保温层最大体缺陷和工作管最大体缺陷的融合值分别为1、3.3和5.2，电容传感器检测保护层最小体缺陷、保温层最小体缺陷和工作管最小体缺陷的融合值分别为-3、2.7和3.8，则预设阈值p
n1
可选择1至2.7之间的数值，预设阈值p
n2
可选择3.3至3.8之间的数值，如图2所示，包括：a01，获取电容传感器有效检测不同介质层最大体缺陷和最小体缺陷的检测结果；a02，根据所述检测结果的融合值设置预设阈值p
n1
和预设阈值p
n2
，且预设阈值p
n1
小于预设阈值p
n2
。
61.本发明提供了一种基于电容成像检测技术判别聚氨酯保温管三种介质层缺陷的方法，在接收输入的同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号后，获取同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号包括提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测含介质层缺陷聚氨酯保温管的检测信号(y1、y2、
……
、y
n-1
、yn)、提离高度hm和工作电极间距dm下的电容传感器检测无缺陷聚氨酯保温管的检测信号(ys1、ys2、
……
、ys
n-1
、ysn)；通过信号和数学处理软件，对所述电容成像检测信号低通滤波处理后得到低通滤波处理信号an和asn，过滤掉检测信号中掺杂的噪声信号；通过信号和数学处理软件，对所述低通滤波处理信号an和asn求畸变率bn＝(a
n-asn)/asn；通过信号和数学处理软件，对所述低通
滤波处理信号an求梯度值cn＝grad(an)，对所述梯度值cn求梯度峰值间垂直高度hn和水平长度ln；对所述低通滤波处理信号an求缺陷中心处峰值dn；通过信号和数学处理软件，对所述垂直高度hn和畸变率bn进行除法运算得到en＝hn/bn；通过信号和数学处理软件，对所述水平长度ln和峰值dn进行除法运算得到fn＝ln/dn；为了避免不同电容成像检测系统不同电荷放大倍数对判别方法的影响，引入补偿因子ac，其中补偿因子ac为电荷放大倍数的平方；通过信号和数学处理软件，对所述en和补偿因子ac进行除法运算得到gn＝en/ac；通过信号和数学处理软件，对所述fn和补偿因子ac进行乘法运算得到hn＝fn×ac
；为了让判别方法适用于不同的应用场景，引入单位系数bc，其中单位系数bc与电容成像检测技术应用场景有关，仿真应用中单位系数bc为1pf，实验应用中单位系数bc为1mv；通过信号和数学处理软件，对所述hn和单位系数bc进行乘法运算得到in＝hn×bc
；通过信号和数学处理软件，对所述gn和in进行融合处理得到融合值jn＝gn+in，获得的融合值jn融合了检测信号强度、畸变率、梯度值等信息，从而最大限度挖掘三种介质层缺陷的判别信息；判断融合值jn是否小于等于预设阈值p
n1
；如果是，判定为保护层缺陷；如果否，则进行下一步判断；判断融合值jn是否小于等于预设阈值p
n2
；如果是，判定为保温层缺陷；如果否，判定为工作管缺陷。本发明提供的方法能利用单个电容传感器一次性判别三种介质层缺陷，通过结合畸变率、梯度值、补偿因子、单位系数以及两次预设阈值判断实现三种介质层缺陷判别的方法，达到一次性判别三种介质层缺陷、降低判别成本和提高判别准确率的目的。
62.【实施例1】
63.基于上述判别方法，本实施例给出了提离高度hm和工作电极间距dm均为具体数值的实验实施方法，以验证该方法的有效性。聚氨酯保温管被测试件示意图如图3所示，聚氨酯保温管由保护层、保温层和工作管组成，这三种介质层分别由高密度聚乙烯、硬质聚氨酯泡沫塑料和钢三种不同材质构成，每一层介质层中均存在一个缺陷。利用工作电极间距dm为4mm的电容传感器在提离高度hm为3mm的实验条件下对聚氨酯保温管三种介质层缺陷进行检测。除此之外，为了避免介质层缺陷宽度、深度和介质层厚度对本发明的影响，实验过程中分别检测了10个不同的缺陷宽度、10个不同的缺陷深度和9个不同的介质层厚度，运用本发明获取的融合值图分别如图4～图6所示。在图4中，10个不同缺陷宽度的融合值以预设阈值p
n1
＝2.5和预设阈值p
n2
＝3.5进行判断，按照本发明判定编号i为保护层缺陷、编号ii为保温层缺陷、编号iii为工作管缺陷，三种介质层缺陷判别结果与图标完全吻合。在图5中，10个不同缺陷深度的融合值同样以预设阈值p
n1
＝2.5和预设阈值p
n2
＝3.5进行判断，按照本发明判定编号i为保护层缺陷、编号ii为保温层缺陷、编号iii为工作管缺陷，三种介质层缺陷判别结果与图标完全吻合。在图6中，9个不同介质层厚度的融合值同样以预设阈值p
n1
＝2.5和预设阈值p
n2
＝3.5进行判断，按照本发明判定编号i为保护层缺陷、编号ii为保温层缺陷、编号iii为工作管缺陷，三种介质层缺陷判别结果与图标完全吻合。
64.以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于提离效应的聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，接收输入的同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号；步骤2，对步骤1所得的电容成像检测信号进行低通滤波处理后得到低通滤波处理信号a
n
和as
n
；步骤3，对步骤2所得的低通滤波处理信号a
n
和as
n
求畸变率b
n
，对a
n
求梯度值c
n
＝grad(a
n
)，对所述梯度值c
n
求梯度峰值间垂直高度h
n
和水平长度l
n
；对所述低通滤波处理信号a
n
求缺陷中心处峰值d
n
；步骤4，对步骤3所得的垂直高度h
n
和畸变率b
n
进行除法运算得到e
n
＝h
n
/b
n
；对所述水平长度l
n
和峰值d
n
进行除法运算得到f
n
＝l
n
/d
n
；步骤5，引入补偿因子a
c
，对所述e
n
和补偿因子a
c
进行除法运算得到g
n
＝e
n
/a
c
；对所述f
n
和补偿因子a
c
进行乘法运算得到h
n
＝f
n
×
a
c
；步骤6，引入单位系数b
c
，对所述h
n
和单位系数b
c
进行乘法运算得到i
n
＝h
n
×
b
c
；步骤7，对所述g
n
和i
n
进行融合处理得到融合值j
n
＝g
n
+i
n
；步骤8，判断融合值j
n
是否小于等于预设阈值p
n1
；如果是，判定为保护层管缺陷；如果否，则进行下一步判断；步骤9，判断融合值j
n
是否小于等于预设阈值p
n2
；如果是，判定为保温层缺陷；如果否，判定为工作管缺陷。2.根据权利要求1所述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，其特征在于，所述步骤1中同一提离高度和工作电极间距下的电容成像检测信号包括提离高度h
m
和工作电极间距d
m
下的电容传感器检测含介质层缺陷聚氨酯保温管的检测信号y
n
、提离高度h
m
和工作电极间距d
m
下的电容传感器检测无缺陷聚氨酯保温管的检测信号ys
n
。3.根据权利要求1所述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，其特征在于，所述步骤3中畸变率by
n
＝(a
n-as
n
)/as
n
。4.根据权利要求1所述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，其特征在于，所述步骤5中补偿因子a
c
为电荷放大倍数的平方。5.根据权利要求1所述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，其特征在于，所述单位系数b
c
与电容成像检测技术应用场景有关，仿真应用中单位系数b
c
为1pf，试验应用中单位系数b
c
为1mv。6.根据权利要求1所述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法，其特征在于，所述步骤8中的预设阈值p
n1
和步骤9中的预设阈值p
n2
是根据提离高度h
m
和工作电极间距d
m
下电容传感器有效检测不同介质层最大体缺陷和最小体缺陷设置的，而且所述预设阈值p
n1
小于预设阈值p
n2
。7.基于权利要求1-6任一项所述的一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法的应用，其特征在于，应用于含介质层缺陷的聚氨酯保温管进行缺陷判断。

技术总结
本发明公开了一种聚氨酯保温管介质层缺陷判别方法及应用，电容成像检测技术在对聚氨酯保温管进行检测时产生用于判别三种介质层缺陷的检测信号，应用于电容成像检测技术检测缺陷获取的检测信号中。根据电容成像检测原理，电容成像检测信号的每一个检测结果值都是由三维有效检测区域与相应检测灵敏度分布数值积分而来，使得三种不同介质层缺陷的判别信息蕴含在电容成像检测信号中，通过融合检测信号强度、畸变率、梯度值、补偿因子、单位系数以及两次预设阈值，发现三种介质层缺陷融合值存在明显的分界现象，从而实现聚氨酯保温管三种介质层缺陷的判别。本发明提供的方法能利用单个电容传感器一次性判别三种介质层缺陷，降低判别成本，提高判别准确率。提高判别准确率。提高判别准确率。


技术研发人员：李振 张永波 殷晓康 常琳 张丛 王言哲 马哲 王继业
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/14