基于CNG地下儲氣井檢測用的自動懸浮式超聲波探頭設計

摘 要:提出一種CNG地下儲氣井檢測成像用的自動懸浮式超聲波探頭系統，該系統利用閉環反饋控制方法，能自動保持超聲波探頭與管壁之間為較小的恒定距離，使轉動的探頭與壁之間有恒定厚度的一層耦合液，解決了空氣與鋼管的聲阻抗相差太大，超聲波不能進入鋼管內部的難題，并保證旋轉探頭不被磨損。設計一種慣性離心力開關，能自動地提供所需的耦合液。這種自動懸浮式超聲波探頭系統在采樣頻率不太高時，能較準確地保持探頭與壁之間有均勻的耦合液。使CNG地下儲氣井超聲波檢測成像的基本問題得到較好的解決。

關鍵詞:CNG地下儲氣井; 超聲波; 懸浮式; 反饋控制

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0117-03

Self-Suspended Ultrasonic Probe for Detecting CNG Underground Gas Storage Well

WANG Ming-zhuo1， WANG Jing2

(1.School of Science， Sichuan University of Science Engineering， Zigong 643000， China;

2.School of Automation and Electronic Information， Sichuan University of Science Engineering， Zigong 643000， China)

Abstract: A system based on self-suspended ultrasonic probe is put forward which is used for detecting and imaging of CNG underground gas storage well. The space between ultrasonic probe and pipe wall is maintained to a small constant by closed-loop feedback control method. Ultrasonic can not penetrate through the steel tube and rotating detector damages easily owing to the great difference of acoustic impedance between air and steel tube. The trouble is solved by invariable thicknesses of fluid couplant between detector and tube wall. An inertial centrifugal forces switch is designed to supply the fluid couplant automatically. The self-suspended ultrasonic probe system can keep fluid couplant evenly distributed by rule and line as sampling frequency is not too high. The fundamental problem about detecting and imaging of CNG underground gas storage well can be solved well.

Keywords: CNG underground gas storage well; ultrasonic; suspension; feedback control

0 引 言

隨著國際原油價格的不斷飆升，車用天然氣量也猛增，由此帶動CNG加氣站大量建設和運營。我國目前建有700座CNG加氣站，擁有40多萬倆CNG汽車。CNG地下儲氣井建造成本低，占地面積小，安全性能高，現已成為國內CNG加氣站首選儲氣方式。國外也有50多個國家使用天然氣汽車。儲氣井是埋地壓力容器，SY/T 6535-2002規定地下儲氣井使用壽命是25年。標準也規定儲氣井的全面檢測周期為6年，必須定期進行井管的無損檢測和測厚檢測，但這方面尚無完善的檢測手段。由于天然氣中含有較多的硫，易形成對金屬有很強腐蝕能力的腐蝕液，且長期運行于25 MPa的高壓下，在這種惡劣條件下儲氣井難免會出現安全問題。

國內外比較成熟的油氣井檢測已發展到超聲波成像檢測，但這種檢測技術只能對井中有油，水或泥漿介質的油氣井進行檢測，而不能直接應用于CNG地下儲氣井的檢測[1-6]。這里設計的自動懸浮式超聲波探頭系統可直接用于CNG地下儲氣井的超聲波探傷成像檢測。

1 探頭系統結構及工作原理

1.1 探頭系統結構

圖1是探頭系統俯視圖，圖2是探頭系統側視圖。

1.2 探頭系統工作原理[4，7-8]]

由結構知:超聲波探頭固定于徑向導軌的精細絲桿上(對稱的兩只)，圖中只畫出了一只。因前面有最大位置限制銷，只可沿導軌作徑向運動。其運動受徑向電機控制，當旋轉開始時，徑向電機將探頭送出。設超聲波接收探頭接收到的波形如圖3所示，t=t0時，發射超聲波;t=t1時是遇到管內壁時，由于潤滑液與鋼管的波阻抗不同而形成的反射回波;t=t2時，遇到管外壁的反射回波，對徑向電機的控制信號是t=t1的反射回波。設超聲波在潤滑液中速度為v， 潤滑液厚為e，則:

e=v(t1-t0)/2

接收探頭將探頭離管壁距離信息送入單片機處理后，控制徑向電機的運動，當探頭離管壁距離為e時(設計值)，徑向電機停止轉動。只要探頭離管壁距離偏離設計值e，徑向電機都會運動，使探頭離管壁距離保持設計值e不變。

圖1 探頭系統俯視圖(左邊部分)

圖2 探頭系統側視圖(左邊部分)

圖3 超聲波發射波和回波示意圖

1.3 供液系統結構及工作原理

當探頭未旋轉時，離心力潤滑液開關中的滑塊受彈簧力F2作用，方向指向圓心，如圖4所示，離心力開關關斷，無潤滑液輸出。設滑塊質量為m，轉動半徑為R，當探頭旋轉時，受慣性離心力F1作用[5](分析中忽略了滑塊所受摩擦力的影響)。

F1=mRω2

當達到額定轉速時，彈簧被壓縮x，此時彈力F2為:

F2=kx

設計中使F1=F2時，離心力潤滑液開關被完全打開，有最多的潤滑液流入探頭與管壁之間形成厚為e的簿膜，起到潤滑和超聲波的有效傳遞作用。

圖4 滑塊受力示意圖

2 自動懸浮式超聲波探頭控制電路設計

2.1 控制系統硬件組成

2.1.1 系統硬件組成的方案

系統硬件組成的方案如圖5所示。

圖5 控制電路方框圖

2.1.2 各功能塊作用

取樣信號:工作頻率為12.5 kHz的方波信號，控制電子開關的工作。

超聲波振蕩器[2-5]:由單片機輸出的具有一定幅度的，頻率為0.5 MHz的超聲波等幅信號。

電子開關:在1/10周期內關閉回波通道，而將超聲波振蕩信號送入超聲波探頭(進入探頭的是超聲波脈沖);當超聲波振蕩信號通道關閉時，將超聲波回波通道接通，將回波信號送入回波放大電路。

超聲波探頭:電聲轉換和聲電轉換器件。

回波放大器:將反射回的微弱回波信號進行放大，使其具有一定幅度。

單片機接口:將回波放大器放大的模擬信號進行模擬-數字轉換，使其符合單片機輸入的要求。

單片機:對輸入的信號進行轉換、計算、處理、控制等操作，輸出控制信號。

控制電路:對單片機輸出信號進行處理。

步進電機:帶動渦輪渦桿使探頭與管壁保持恒定距離。

2.2 控制系統硬件設計

2.2.1 超聲波傳感器發射接收電路

超聲波傳感器發射接收電路原理圖如圖6所示，單片機采用ATM89S51，超聲波脈沖由單片機ATM89S51的P11口輸出，74HC04對超聲波脈沖進行功率放大后推動超聲波傳感器發出脈沖超聲波。電子開關采用CD4066BE(是CMOS雙向模擬開關)，脈沖超聲波遇到管壁產生的回波被超聲波傳感器接收轉換成電信號。這個很微弱的信號經電子開關CD4066BE送到回波放大電路CX20106[2];CX20106是紅外接收專用集成電路，該集成電路有80 dB的增益。它包括前置放大器，ABLC，限幅放大器，帶通濾波器，檢波和比較器，積分器，施密特觸發器等。經過CX20106放大處理后的脈沖信號由7腳送到單片機的INT1口輸入。

圖6 超聲波傳感器發射接收電路原理圖

2.2.2 控制信號處理模塊

采用環形脈沖分配器L297和雙H橋功率集成電路L298的典型控制方式。單片機的P1.6，P1.7，P2.3分別接L297的CW，Clock， enable控制端，分別控制電機的正反轉、時鐘信號及啟停。

2.3 系統軟件設計

單片機控制程序框圖主程序流程圖如圖7所示。系統加電啟動是由檢測筒底部碰觸開關執行，當檢測筒由牽引纜繩下放到井底，碰觸開關接通，系統檢測各組件正常，發出指令使牽引電機勻速向上運動，同時主軸電機工作使探頭筒勻速轉動，徑向電機工作將探頭推出，供液閥門打開，耦合液向探頭噴出，這就是系統組件準備完備。這時單片機發出指令檢測的數據和內部存儲器的標準數據輸入進行比較，若相同，出口1和出口2都無信號輸出，徑向電機不動作，保持原有間距e。又進行第二輪的檢測。若標準數據e0大于被檢測數據e，則出口1有控制信號通過控制信號處理模塊使徑向電機反向轉動，增大間距e。又進行檢測，若標準數據e0小于被檢測數據e，則出口2有控制信號通過控制信號處理模塊使徑向電機正向轉動，減小間距e。

圖7 單片機程序框圖

3 結 語

該設計方案利用單片計算機控制徑向電機的運動，使探頭與被檢測筒壁有一層均勻厚度的耦合液，較好地解決了低速采樣的超聲波無損檢測成像中的超聲波回波有效傳輸的關鍵問題。同時也使旋轉的探頭得到有效的保護。但只能用于超聲波頻率小于1 MHz的系統，對于超聲波頻率為2.5~5 MHz的系統，應設計工作于更高頻率的超聲波發射和接收電路及電子開關電路。

參考文獻

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