超声监测技术的新应用

1、超声监测技术的新应用超声检测技术是一门以物理、 电子、 机械以及材料学为基础， 各行各业都在使用的通用 技术之一， 他是通过超声波的产生、 传播及接受的物理过程完成的。目前， 超声波技术广泛 应用于工业领域的很多方面。其中超声探伤检测是无损探伤中最为重要一种方法， 由于超声波具有穿透能力强、 对材 料人体无害、使用方便等特点，可对各种锻件、轧制件、铸件、焊缝等进行内部缺陷检测， 因而得到广泛应用。此外利用超声波的各种特性， 超声技术还应用于金属与非金属材料厚度测量、 流量测量、 料位及液位检测与控制、超声波零件清洗等工业领域。本文主要介绍超声技术在设备故障检测及诊断方面的最新应用。一压力及真空

2、系统的泄漏检测当气体在压力下通过限流孔时， 它从一个有压层流变为低压紊流 （参见图 1）。紊流产 生所谓的“白噪声”广谱声音。 在这种白噪声中含有超声波分量。 因为泄漏部位的超声最大， 探测这些信号通常是非常简单的。目前已有成熟的超声检测专用仪器， 可将探测到的超声波信号转换为人耳可听见的音 频信号，适用于各种泄漏检测。 （参见附录）泄漏可以在压力系统或真空系统中出现。 在这二种系统中， 超声的产生方式如上所述。 二者之间唯一不同的是真空泄漏产生的超声波振幅通常小于同等流速的压力泄漏。 其原因在 于真空泄漏产生的紊流是发生在真空室内，而压力泄漏产生的紊流出现在大气中什么样的气体泄漏采用超声波探

3、测呢？一般来说，不管何种气体，包括空气在内，只 要它从限流孔泄出时产生紊流， 就可以用超声波探测。 与气体专用的传感器不同， 超声检测 是属于声音专用检测。气体专用传感器仅能用于它所能辨别的具体气体（如氦） 。而超声检 测能辨别出任何类型的气体，因为它探测的是泄漏紊流所产生的超声。由于超声检测的多功能性， 它可用于各种各样的泄漏探测。 能检测气动系统， 检测气密电缆 （如电信系统使用的） ，检测铁路车辆、卡车及公共汽车上的气动刹车系统。 给容器、管道、 机壳加压可轻易地检测出泄漏。 通过监听泄漏的紊流， 可方便地探测出真空系统、 透平排气、 真空室、原料处理系统、冷凝器、氧气系统的各种泄漏。阀

4、门内泄漏检测 当液体或气体流经管道时，除了弯头或障碍处，只产生少量紊流或不产生紊流。泄漏 的阀门，有逃逸的液体或气体从高压区流向低压区，在低压区或（下游）侧形成紊流，并产 生白噪声。 如果阀门内部泄漏， 仪器能检测到孔隙处产生的超声波。 泄漏阀座的声音完全取 决于液体或气体的密度。 有时它听起来像细小的噼啪声， 有时像高声呼哧声。 音质取决于流 速和管道内部压差。 例如：低压和中压水流容易辨别出是水。 但是，冲过半开阀门的高压水 听起来特别像蒸汽。地下泄漏探测地下泄漏取决于具体泄漏产生的超声波的量。 某些微量的泄漏只发出特别小量的 超声波。 另外还有土壤能隔断超声波， 疏松的土壤比坚实的土壤吸

5、收更多的超声波。 如果泄 漏发生在靠近表面的地方，而且比较严重，就能很快地探测出来。 采用某些其它手段， 也同 样能探测出更微小的泄漏。 有时需要给管道加压， 产生更大的流动和更多的超声波。 有时却 需要让有问题的管道排水，用阀门把该区域隔离开来，再向里面注入气体（空气或氮气） ， 使泄漏部位产生更大的超声波。 后一种方法被证明十分有效。 另外不排水也能将检验气体注 入管道的检测区域。当有压力的气体穿过液体进入泄漏部位时，产生可被探测到的噼啪声。有时，需要靠近泄漏（源） 。这种情况下，打入细的结实金属棒，使其接近（但不碰 到）管道。将接触探头挨住金属棒，监听泄漏声音。该检测需每隔13 英尺重复

6、一次，直到听到泄漏的声音。超声音频无损泄漏检验： 是一种超声波无损探伤的方法，常用于检验无法加压或无法抽成真空的系统。该超声 波检验的用途非常广泛，如检测容器、管子、管道、换热器、焊缝、密封填料、密封、门、 窗、舱口等。进行该项检测是将一种超声波 发生器 放置在被检测物体的里面 （或其一侧） 。从发生器 发出的超声脉冲信号会“充斥” 被测物体，并从泄漏孔隙处穿过。 通过在被测物体的外表面 （或另一侧）用专用超声探测仪器扫描声音的穿透，就能探测到泄漏。二。轴承磨损监测用超声波检测和监测轴承是探测轴承早期故障的可靠方法。 超声波在轴承出现升温或增 加低频振动水平之前就会提出警告。用超声波检查轴承有

7、助于发现：a）开始疲劳故障；b）轴承表面的布氏硬度；c）润滑剂过多或过少。在滚动轴承中，当滚柱或滚珠开始变疲劳，开始出现细小的变形。金属的变形会产生 不规则的表面，因而导致超声波量的增加。原始读数振幅的变化说明轴承出现早期故障。 超过任何原始读数 12dB 的读数的现象， 均可认为该轴承已进入故障开始状态。该资料是由美国国家航天局通过在滚珠轴承上进行实验所发现的。在用 2450kHz 频率监测轴承的实验中， 他们发现振幅的变化说明轴承出现早期故障 （先 于其它任何指示，包括温度变化和振动变化） 。基于探测和分析轴承共振频率调制的超声波 系统具有进行细微探测的能力； 而传统的方法是无法探测出非常

8、轻微的故障。 当滚珠经过内 圈表面的坑或瑕疵时， 滚珠产生撞击， 这种重复的撞击会使轴承组件结构共振。 振动或振鸣 产生的声音作为被测轴承超声波频率振幅增加而被捕获。轴承表面的布氏硬度，由于滚珠不圆而出现的不规则滑动会产生类似的振幅增加。这 些点也会产生重复振鸣，被作为被测频率振幅增加而被探测出来。 由于被检测到的超声波可被转换为人耳可听的音频， 故建议用户应熟悉正常轴承的声音。 正 常轴承发出的声音像呼哧声或嘶嘶声。 噼啪声或粗糙声音说明轴承已处于故障阶段。 某些情 况下， 损坏的滚珠发出咔哒声， 而高强度、 不均匀粗糙声音可能表明损坏的座圈或滚珠的不 均匀损坏。如出现该情况，应经常地进行检

9、查。检测轴承故障检测轴承故障有二种基本方法： 比较法和历史法比较法包括检测二个或更多的同类轴承，并“比较”潜在的差异。 历史法要对某个具体轴承监测一段时间，来建立其历史。通过分析轴承的历史，以特 定的超声波频率出现的磨损变得明显，它能很容易地探测出来，并修正轴承的问题。进行轴承比较检验步骤：1）使用接触（导音探测器）插件。2）选择所需的频率。如果只能监测一种频率，考虑使用30kHz。3）选择轴承体上的 “检测点”，并进行标识。 用接触插件接触该点。 在超声波检测中， 超声波穿越的介质或材料越多，读数越不精确。因此，接触探头一定要真正接触到轴承体。 若无法做到这点，接触润滑油嘴或尽量靠近轴承。4

10、 ）以同样的角度接近轴承，接触轴承体的相同部位。5）降低灵敏度，可更清晰地监听音质。6）通过耳机监听轴承声音，并正确分析信号的“质量”。7）选择类似荷载条件和相同转速的同型号轴承。8）比较仪器读数和音质的差异。进行轴承历史检验的步骤：在用 历史方法开始监测轴承之前，必须用 比较方法确定基线。1）进行上述 1） 8）检验步骤。2）保存读数作为未来参考。3）将读数与先前（或未来）读数比较。根据所有未来读数，将频率调节到原级别。如果分贝级超过基线 12dB，说明轴承已进入早期故障状态。润滑不足通常超过基线 8dB，听起来象高声的呼哧声。 如果怀疑是润滑不足， 加注润滑剂后， 再检测。如果读数不回到原

11、来的水平，仍然高居不下，考虑轴承快进入故障状态， 要经常检 验。润滑不足 要避免润滑不足，应注意如下情况：1）润滑膜变薄时，声级增高。高出基线8dB 并伴有均匀的呼哧声，说明润滑不足。2）加注润滑剂时，要加注的刚使读数回到基线。3）注意：某些润滑剂需要一定的时间来均匀地覆盖轴承表面，每次要少量地加注。 不要过量润滑。过量润滑引起轴承故障的通常原因之一是过量润滑。润滑剂的超压经常破坏或“爆裂”轴承密 封，或引起温升，产生应力和变形。要避免过量润滑：1）如果读数仍在基线，并且轴承发出的仍是基线声音，不要加注润滑剂。2）加注润滑剂时，要加注的刚使读数回到基线。3）如上所述，某些润滑剂需要时间来均匀地

12、覆盖轴承表面。低速轴承超声技术可用来监测低速轴承。 具灵敏度范围和频率调节功能的超声检测仪器完全能 够够监听轴承的音色。转速极低的轴承（小于25rpm），通常比较大（ 1/2 英寸），并采用高粘度润滑脂来润滑。大多数情况下是听不到声音的，因为润滑脂把大部分声能都吸收了。 如果能听到声音，通常为噼啪声，说明轴承正在发生变形。其它大多数低速轴承是可以设定基线的，并能进行如上所述的监测。三电孤、电晕、漏电检测超声技术可以用于探测电气系统的三个基本问题：电孤放电：电传导到“地面”时会产生电孤。闪电就是一个很好的例子。电晕放电： 当导体上带电压时， 如天线或高压输电线路超过周围空气的限界值时， 空气 开

13、始游离并形成蓝色或紫色辉光。漏电：常称之为“小型电弧放电” ，它沿着损坏的绝缘体路径运动。典型的应用包括：绝缘子、电缆、开关柜、母线、继电器、线路断路器、配电箱、接 线盒等。在变电站，还可检测像绝缘子、变压器和绝缘套管等装置。超声技术可用于低压（小于15kV）、中压（ 15kV115kV）和高压（大于 115kV）系统的故障检测。低压设备检测：低压设备主要关心的是电弧放电故障。典型的110，220，380V 电力系统主要使用红外热像仪或点温仪检测电路接点温度变化。 电路热点可指示出潜在的设备故障或火灾发生危险。 因 为当电弧发生时，常伴随热现象。但是， 当设备被遮挡住时， 采用红外技术进行检测

14、就不可 能了。超声波检测常用于封闭的开关柜、 继电器、 断路器的电弧检测。 由于在门缝和排气孔 周围扫描可以探测出超声波的辐射， 因此就象使用红外线扫描装置一样， 不需要开关柜离线 就可检测出严重的故障，如电弧放电、漏电及电晕放电等。确定故障是否存在，比较简单。 比较同类设备之间的音质和声级，有问题的声音会完全不同。中压及高压设备检测。 中高压设备通常产生更大的能源损耗。电弧、电晕及漏电现象发生时，都会产生超声 波，并预示者潜在的设备故障。 通过检测超声信号可以相当容易地探测出这些故障。 当电从 高压线路漏出或从电气接线间“跳跃” ，它会扰动其周围的空气分子并产生超声波。多数情 况下，该声音听起来象噼啪声或“油煎”声音，有时候该声音听起来像蜂鸣声。局部放电：通常发生于变压器及使用 SF6 的绝缘系统 在高压电力设备中， 超声波局部放电检 在时间上更有极早的预知性， 更能有效地局