无缝钢管的在线测厚测径设备的研发与应用
摘要：无缝管材大量用作输送流体的管道，制造结构件和机械零件，因此对其各项指标要求较严，本文主要介绍了无缝钢管的在线测厚测径设备的研发与应用，并从多方面进行了介绍。
关键词：无缝钢管；测径；测厚；内径；
引言
无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、水及某些固体物料的管道等。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材。
广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等用钢管制造环形零件，可提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时，已广泛用钢管来制造。
无缝钢管应用广泛，但有个共同点，就是对其质量有一定的要求，而无缝钢管的壁厚、外径、内径等均是其一项重要的技术指标，因此对这些数据都要进行精准的测量，是非常重要的，本文介绍了无缝钢管的内径测量、外径测量及壁厚测量的装置。
1、外径检测
无缝钢管从30多毫米的小口径钢管到600多毫米的大口径无缝钢管均有，其外径尺寸是非常重要的一项指标，对生产线上的无缝钢管进行在线测量，能有效的提高其质量。
1.1、测量原理
外径检测系统是双镜筒测头测量。双镜筒测头是指由2套发射镜头和2套接收镜头组成的光电测量系统。其中一个发射镜头和与其相对的接收镜头组成1组单测头，在双镜筒测头测量时每组单测头测量被测物的一个边沿尺寸。具体结构及测量原理如下图所示：
图中2套发射镜头分别发射出平行光射向2套接收镜头，通过接收镜头内的透镜使平行光束在光电转换元件上成像。当2束平行光内放入被测物时，在光电转换元件的像上就会出现虚拟的阴影，设其宽度分别为L1、L2。经过对光电转换元件发出的电信号的处理和计算可以得出L1、L2所对应的尺寸A1、A2，A1加A2再加上两个镜头之间的净间距B即可得出被测物的尺寸D。
1.2、测量范围调节
双镜筒测头的两组单测头之间的间距可自动调整。调整装置主要由镜筒托板、直线导轨、精密滚珠丝杠和步进电机组成（调整装置的基本结构如下图所示）。当需要调整镜筒的间距时，通过控制系统输入命令，驱动步进电机带动滚珠丝杠即可实现精确位置的调整。调整完成后系统将自动计入调整距离，不需要进行间距的校准即可进行粗略测量，测量精度在0.2mm以下。如需要提高精度，在间距调整后可用相应的标准量块进行校准，校准后的精度不大于0.05mm。
1.3、光电大直径测径仪功能
光电测径仪可适用于900mm范围内的无缝钢管的外径实时检测，可显示其2路测头的测量直径、平均直径、椭圆度等多种信息，具备存储功能、超差报警功能、外接显示功能、数据分析功能、测量范围调节功能、校准功能等多种功能。光电测径仪主要用于无缝钢管的外径实时在线测量。
1.4、设备组成
光电大直径测径仪由测径仪主体、工控机、主控机柜、显示屏、高压鼓风机等组成。
2、内径检测
内径检测有两种方法，一种是激光测量法，另一种内径检测是利用工控机机、内径测量装置进行详细检测。
2.1、激光测量法
大直径激光内径测量仪是手持测径仪，结构小巧，便于携带，是激光测量的方法进行测量，适合抽检。
2.2、内径测量仪
内径测量仪的整套设备包括：内径测量仪、主控机柜（内装控制单路、通讯设备和工控机）、显示设备（液晶显示器）、声光报警装置和打印机等，主控机柜、内径测量装置的样式及设备组成见下图。
可实现实时内径显示、椭圆度计算、内径截面曲线绘制，响应速度快、实时性能好，采样频率200Hz。具备数据储存和打印功能，数据存储时间大于一年。具备超差报警功能，当测量结果超过设定的公差范围时声光报警。
3、壁厚检测
壁厚检测也有两种方法，一种是超声波测厚法，另一种是激光测厚法。
3.1、超声波测厚法
超声波测厚法采用高性能、低功耗微处理器技术，基于超声波测量原理，可以测量无缝钢管的厚度，并可以对材料的声速进行测量。
3.1.1、测量原理
超声波测厚法是由探头产生超声波脉冲透过耦合剂到达被测体，一部分超声信号被物体底面反射，探头接收由被测体底面反射的回波，精确地计算超声波的往返时间，并按下式计算厚度值，再将计算结果显示出来。
H=（v×t）/2
式中：
H－测量厚度；
v－材料声速；
t－超声波在试件中往返一次的传播时间。
3.1.2、测厚仪组成
3.2、激光测厚法
无缝钢管在轧制完成后管的两端会存在壁厚不均匀等缺陷，因此每根钢管都要将两端切除一部分。由于每根管存在缺陷的管端长度不等，所以在切除时难以确定具体的切除长度。
3.2.1、测量原理
管端激光测厚仪由上、下两个对射的激光测头组成，其基本测量原理如下图 “测量原理图”所示。图中激光测头1和激光测头2以固定间距A相对布置，工作时激光测头1发射一束激光照射被测物的下表面，下表面光斑的漫反射光再返回到激光测头1内的C-MOS芯片上，通过对C-MOS芯片上光斑的位置分析和计算，可以得到激光测头1到被测物下表面的实际距离B1；同理可以得到激光测头2到被测物上表面的距离B2。用两个测头之间的间距A减去两个测头到被测物上下表面的距离B1、B2即可得到被测物的厚度H。
3.2.2、测量装置结构
管端激光测厚仪可完成钢管圆周上壁厚的检测，且检测过程中测头能够沿钢管轴线进给，另外在更换钢管规格时检测装置能够进行相关中心高度和测量范围的调整。测量装置的机械结构见下图。
图中所示壁厚测量装置主要由机座、滑台、升降板、主轴箱、主轴以及测头支架和激光测头等组成。机座上装有导轨和丝杠，通过行走电机驱动丝杠转动可带动滑台移动以便将激光测头伸入或拉出被测钢管。滑台上装有导轨和丝杠，手动转动丝杠可使升降板带动测头上下移动以调节主轴和测头支架的中心高度，调节时以主轴中心高度与钢管中心高度一致为准。两组测头支架成180°相对于主轴对称分布，测量时主轴做180°正反向交替旋转，即可测得整个圆周上的厚度尺寸。
3.2.3、设备组成
钢管壁厚测量装置的整套设备包括：壁厚测量装置、主控机柜（内装控制电路、通讯设备和工控机）、液晶显示器、声光报警装置、LED显示屏等。设备组成及主控机柜、壁厚测量装置的设备组成见下图。
结语
通过本文，希望对无缝钢管的内径、外径、壁厚等几何尺寸测量有一定的了解，测径仪、壁厚测厚仪、内径测径仪等均可适用于其检测，还可以实现在线实时检测。
本文由保定市蓝鹏测控科技有限公司编写
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