超聲波管外壓力測量裝置的設計

（西南石油大學機電工程學院，四川成都610500）

超聲波管外壓力測量裝置的設計

周正義，顧亞雄，趙發定，廖麟龍

（西南石油大學機電工程學院，四川成都610500）

壓力是反映油氣管道系統運行狀態的重要參數之一，壓力測量對油氣管道系統的安全運行和實時監測具有十分重要的意義。傳統的壓力檢測方法大部分是介入式壓力測量，介入式破壞了管道的完整性，在高壓情況下還存在安全隱患。針對介入式壓力測量裝置的弊端，設計了一種利用超聲波測量管道壓力的裝置。詳細闡述了超聲波測壓裝置的原理、系統結構及軟件設計。超聲波壓力測量裝置具有使用方便、操作安全、靈活性強、不破壞管道系統整體特性的完整性等優點，并且能準確測量管道壓力。

管道系統；壓力測量；非介入式；超聲波

0　引言

由于油田的開發和西氣東輸工程的進行，管道運輸將在我國國民經濟中占據越來越重要的地位。壓力是油氣管道系統中的重要參數之一，油氣管道系統的實時監測和故障診斷通常要檢測出管道內部各個部位的壓力［1-2］。傳統的壓力測量方法種類繁多，但大多數采用的是介入式壓力測量［3-4］，例如機械壓力表、壓阻式、振弦式、應變式等壓力測量方法。介入式壓力測量需要預留壓力測量接口，破壞了管道系統結構的完整性，在高壓情況下還存在安全隱患。因此，設計一種超聲波壓力測量裝置具有重要的現實意義和應用前景。

隨著社會發展，人們追求簡單、方便、安全的測壓裝置。人們在改善這種工具方面進行了大量的探索和研究，也生產出了許多新型的產品。目前，有的超聲波壓力測量裝置不能消除超聲波在管壁和聲楔等介質中因傳遞時間而產生的誤差，從而影響測量精度［5］；有的超聲波測壓裝置的超聲波換能器采用單晶探頭，超聲波接收和發射采用一個換能器，這樣提高了電路設計的復雜度，也使壓力計算繁瑣［3］；有的超聲波測壓裝置數據處理芯片采用單片機，但其處理速度不夠，對較小管道的壓力不能準確測量。

針對傳統壓力測量裝置和現有超聲波壓力測量裝置的不足，設計了一種基于DSP的超聲波壓力測量裝置。該裝置包括超聲波發射探頭、超聲波接收探頭、超聲波發射電路、超聲波接收電路、DSP及外圍控制電路、鍵盤及顯示單元。超聲波壓力測量裝置以DSP為核心，DSP特別適合信號處理運算，具有數據處理速度快、精度高等優點［6］。超聲波換能器采用雙晶直探頭，降低了系統電路設計的復雜程度。超聲波壓力測量原理采用時差法，原理簡單，降低了系統運算的復雜度。超聲波傳送時間采用平均值，提高了系統精度和壓力值的準確度。超聲波壓力測量裝置從軟硬件兩個方面綜合考慮了系統的抗干擾因素，提高了超聲波測壓裝置的精度。

1　超聲波測壓原理

石油屬于烴類物質，其聲學特性符合Kneser液體的規律。根據比卡爾的研究成果和《聲學手冊》提供的實驗數據，在一定溫度下，Kneser液體中液壓與聲速具有近似一次線性關系，尤其在壓力較高且溫度波動范圍不大的條件下，線性關系比較穩定，其關系如式（1）所示［7-9］。

其中，C為液體中聲速，單位為m/s；C0為常溫、一個大氣壓下液體中聲速，單位為m/s；P為液體壓力，單位為Pa；K為比例系數。其中C0、K為常數，通過實驗或者查表可以求得。由式（1）可以看出，測量超聲波在管道中的聲速就能得到管道的壓力值。

超聲波換能器采用雙晶直探頭，換能器用夾具對稱地接觸在管道兩側，其方式如圖1所示。

圖1　超聲波換能器安裝示意圖

設管道的內徑為d0，管壁厚度為d1，超聲波傳送時間為t0，在管壁的傳送時間為t1，由此可得超聲波在介質中的速度為：

超聲波在不同管道材料中的速度為已知，由此可以得到超聲波在管道壁之間傳送的時間t1如式（3）所示，其中超聲波在管道壁之間的傳送速度為V，單位為m/s。

由式（4）可知，壓力值P與超聲波傳送時間t0存在唯一對應關系，只要測得超聲波傳送時間t0，就能得出管道中的壓力值，由此可知超聲波壓力測量裝置的關鍵技術是對超聲波在管道中的傳送時間進行測量。

2　超聲波測壓裝置系統結構

超聲波壓力測量裝置系統結構如圖2所示，系統包括DSP及外圍電路、超聲波發射模塊、超聲波接收模塊、鍵盤及顯示模塊。

圖2　超聲波測壓裝置系統結構框圖

數據處理模塊采用TMS320F2812最小系統，TMS320F2812是目前性價比最高的DSP芯片之一，具有強大的數字信號處理能力，被廣泛應用于工業控制，特別是應用在對處理速度、處理精度方面要求高的領域。TMS320F2812支持全新CCS環境的C Compiler，提供C語言中直接嵌入匯編語言的開發界面，可以在C語言的環境中搭配匯編語言來撰寫程序［10］。TMS320F2812采用C語言，編程簡單，C語言中搭配匯編語言，可以提高程序的運行效率。

換能器T1用于將電信號轉換為聲波信號，換能器T2用于將檢測到的微弱聲波信號轉換為電信號。根據需求，換能器選擇用于穿透的壓電窄頻帶脈沖換能器。換能器選擇組合雙晶直探頭，一個探頭用于將電信號轉換為聲波信號，另一個探頭用于將聲波信號轉換為電信號。超聲波發射探頭采用脈沖方式激勵，超聲波換能器的驅動電壓為9 V，中心頻率為1 MHz。

鍵盤和顯示模塊中，鍵盤用于設定管道壁厚d1、超聲波在管壁之間的傳送速度V、常溫下超聲波在介質中的聲速C0、比例系數K以及管道的內徑d0。顯示部分用于顯示被測管道內的壓力值。通過鍵盤和顯示單元，使超聲波壓力測量裝置使用范圍更加廣泛，操作更加簡單，數據讀取更加方便。

超聲波壓力測量裝置主要用于測量超聲波在管道中的傳送時間t0，其測量方法如下：啟動壓力測量裝置，DSP啟動定時器T0開始計時，同時DSP的引腳GPIOA0發出信號，經過超聲波發射模塊放大處理后，激發超聲波發射換能器，超聲波發射換能器產生超聲波透過管道送至接收換能器，接收換能器把接收到的信號經過處理送至DSP，DSP接收信號過后停止定時器T0，得出時間t2；重復上述過程分別得到時間t3、t4，求三組數據的平均值得出超聲波在管道中的傳送時間t0。通過求平均值得到傳送時間t0，提高了系統測量精度，減少了系統隨機誤差。

2.1發射電路設計

超聲波發射電路的作用是產生一個具有一定功率、一定脈沖寬度和一定頻率的脈沖信號去激勵發射換能器，發射換能器將電信號轉換為聲波信號向外發射。超聲波換能器的驅動電壓為9 V，DSP的GPIO口輸出電壓為3.3 V，不能直接驅動換能器，因此需要將電壓進行放大。LM324系列器件帶有差動輸入的四運算放大器，由4個獨立的、高增益、內部頻率補償運算放大器組成，可以工作在低到3.0 V或者高到32 V的電源下，能滿足設計要求。信號發射電路如圖3所示。

圖3　信號發射電路

由圖3可知，信號放大電路是用LM324構成的同向放大電路，信號放大倍數為3，GPIOA0引腳輸出信號電壓約為3 V，經過放大器后，輸出電壓為9 V，足以驅動超聲波換能器工作。

2.2接收電路設計

超聲波接收換能器產生的信號微弱，信號要能被DSP準確檢測到，需要對信號進行濾波、放大。OP37是一款高精度集成運算放大器，共模抑制比高、運放的失調、溫漂和噪聲很小，能夠滿足設計要求。接收電路如圖4所示。

圖4　信號接收電路

2.3鍵盤及顯示單元設計

鍵盤和顯示單元如圖5、圖6所示。鍵盤包括參數選擇和參數加減兩部分，參數選擇是分別對管道中的參數d1、V、C0、K、d0進行選擇，然后根據實際情況，對參數進行加減，各個參數的初始值均為0，鍵盤與DSP的GPIOB0-GPIOB6連接，當按鈕按下，GPIOBX引腳檢測到低電平，然后DSP通過軟件實現參數的選擇和參數的加減。顯示單元采用LCD1602，LCD1602是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。液晶顯示的控制引腳和數據傳輸引腳與DSP的GPIOA1-GPIOA10引腳連接。GPIOA1與LCD1602的第4腳連接，用于控制寄存器的選擇，GPIOA2與LCD1602的第6引腳連接，用于控制讀取信息或者執行指令，GPIOA3-GPIOA10連接LCD1602的7～14腳，用于8位雙向數據傳輸。LCD1602主要用于顯示管道的參數及被測管道的壓力值。

3　超聲波測量裝置軟件設計

超聲波壓力測量裝置軟件部分包括DSP初始化、超聲波信號發射、超聲波信號接收、數據處理和人機交互5部分。超聲波壓力測量裝置軟件流程圖如圖7所示。

圖5　鍵盤

圖6　顯示單元

圖7　軟件流程圖

圖7中，DSP初始化主要是系統上電后自動調用初始化程序，初始化程序包括時鐘初始化、GPIO端口初始化、外設初始化以及管道參數設定等；初始化完成過后，DSP啟動定時器T0并產生超聲波驅動信號，驅動信號經過放大處理過后驅動超聲波發射換能器產生超聲波；超聲波透過管道，超聲波接收換能器接收到聲波信號過后，將聲波信號轉換成電信號，電信號經過濾波、放大處理后送至DSP，DSP接收到信號過后停止定時器T0，完成第一次時間的測量；系統完成第一次時間測量過后又產生超聲波驅動信號，完成第二次時間測量，完成第二次時間測量過后，繼續重復上述過程，完成第三次時間測量；完成3次數據測量過后，求得時間平均值，然后計算壓力值，求得的壓力值通過液晶進行顯示。

4　結論

針對傳統介入式壓力測量裝置的不足，設計了一種非介入式超聲波壓力測量裝置，該裝置采用時差法求得管道壓力值，其原理簡單，超聲波傳送時間采用平均值，提高了系統的精度，克服了現有非介入式壓力測量裝置精度不高、計算繁瑣的弊端。同時，與傳統的介入式壓力測量裝置相比較，該裝置性能可靠，安全系數高，不破壞管道的完整性，同時能根據不同的管道材料、管道厚度及管道中的介質進行參數設計，使該裝置使用范圍更加廣泛。

［1］余東亮，張晶，劉梅.基于壓力波技術的管道泄漏監測系統［J］.石油機械，2010，38（7）：62-65.

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Design of ultrasonic pipe external pressure measuring device

Zhou Zhengyi，Gu Yaxiong，Zhao Fading，Liao Linlong
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Pressure is one of the important parameters reflecting the operation state of oil and gas pipeline system.It has very important significance for measuring the pressure of the safe operation of oil and gas pipeline system and real-time monitoring.Most traditional pressure detection methods are intrusive pressure measurement，which intrusively destroy the integrity of pipelines，and have hidden safety problems under the high pressure.Aiming at the disadvantages of intrusive pressure measurement device，a device using ultrasonic pressure measuring pipe is design.It elaborates the design principle，system structure and software of ultrasonic pressure measuring device.Ultrasonic pressure measuring device has the advantages of convenient operation，safety，flexibility；and it doesn′tundermine the overall characteristics of pipeline system integrity of the advantages，and can accuratelymeasure the pipeline pressure.

pipeline system；pressure measurement；non-intrusive；ultrasonic

TN98

A

1674-7720（2015）04-0022-04

（2014-09-20）

周正義（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：測試計量技術及儀器。

顧亞雄（1962-），男，教授，碩士生導師，主要研究方向：測試計量技術及儀器。

趙發定（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：測試計量技術及儀器。