超聲波腐蝕在線監測系統前端信號分析

王 潤，孟令雅，劉晶姝

(1. 中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580；2. 勝利油田技術檢測中心腐蝕與防護研究所，山東 東營 257000)

0 引言

近年來，基于脈沖反射式超聲波測厚原理的便攜式超聲波測厚儀在管道及容器壁厚的離線定期抽檢領域獲得了廣泛成熟的應用。但對于一些腐蝕特別嚴重或者一旦發生腐蝕穿孔或泄漏即可導致嚴重后果的場合，需要長期實時在線監測，起到事故預警作用，保證生產安全，定期離線檢測已無法滿足要求[1]。國外學者提出了一種將超聲波檢測設備通過波導技術安裝在管道設備上的超聲波腐蝕在線監測的方案[2-4]。然而在國內超聲波腐蝕監測系統的研究還并不成熟，且在油田、化工廠等高腐蝕現場應用甚少。本文根據前人的研究基礎對超聲波測厚系統的硬件電路組成進行了分析，對各個組成部分進行芯片選型、電路設計和信號處理原理分析等工作，最終得到一套可進行聲波發射接收、信號處理的終端信號處理系統。驗證測試結果表明：系統測厚精度高，現場穩定性強。

1 超聲波在線監測系統框架及原理

1.1 超聲波在線監測系統總體框架

系統主要由超聲波終端監測和控制兩部分組成，監測部分實現超聲波的發射、測量、回波信號處理等功能；控制部分完成系統通信及儀器控制等任務，通過超聲波腐蝕監測系統對被測點進行定點監測，將測量結果傳輸到上位機進行分析，實現油田設備的腐蝕在線監測[5]。系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

系統監測器通過特定機械結構安裝在被測設備上，完成終端數據采集。數據由終端發射器將數據無線發送到接收器，接收器連接上位機，在上位機實現數據監測和數據分析。

1.2 超聲波在線監測前端信號處理原理

系統的前端硬件電路主要由超聲波激勵電路和信號接收處理電路兩大部分組成。激勵電路即超聲波發射電路，是由高壓模塊電路、脈沖發射電路組成。最終通過高壓脈沖激勵超聲探頭產生超聲波[6]。而超聲波的接收是由回波信號處理電路來完成的。圖波信號處理電路主要由放大濾波電路、檢波整形電路、時間測量電路等部分組成。系統原理框圖如圖2所示。

圖2 系統前端原理框架

圖4 升壓電路

超聲波腐蝕監測系統的工作原理：高壓模塊電路為激勵電路提供穩定的高壓輸入，CPU定時發送脈沖，通過驅動電路進行功率放大后來控制高速場效應管通斷，實現對電容的充電放電控制，從而產生負高壓窄脈沖，將該脈沖信號施加到壓電探頭晶片上，根據壓電效應原理，超聲波探頭將產生固有頻率的超聲波信號，超聲波信號進入待測工件后，會在不同介質的分界面產生反射折射，反射波通過接收探頭轉換為回波信號進入信號處理電路，而回波信號是一個頻率為發射中心頻率、幅值為μV級的信號，不能被單片機直接采集，需要進行信號處理。首先將信號接入高頻低噪的集成放大器電路，對信號進行高達50 dB以上的可調增益放大處理，使信號達到一定的可檢測幅值范圍，然后對信號進行濾波處理，設計以超聲波發射頻率為中心頻率、帶寬為1 MHz的六階巴特沃斯帶通濾波器，使得信號通過濾波器后，通帶以外的噪音信號得到大幅衰減，有助于有用信號的采集。繼續將信號通過檢波比較整形電路，使信號轉化為一個可測量的方波信號，最終通過時間測量單元實現方波脈寬的時間測量，并在單片機內轉化為被測物的厚度值。

2 超聲波前端電路設計分析

2.1 超聲波發射電路

脈沖發射電路如圖3所示，主要是由控制電路、高壓輸入電路、高速場效應管、充電電阻、充電電容、阻尼電阻等部分組成。電路主要工作流程為，首先由控制電路產生觸發脈沖，方波脈沖通過74HC14反相器進行反向驅動，反向后的脈沖作為MOSFET場效應管的柵極輸入控制管子的關斷，從而使耐高壓電容進行充放電過程。電阻R2、R3起到限流的作用，最終在阻尼電阻R4的兩端產生高壓窄脈沖，激發超聲波換能器發射超聲波。

圖3 脈沖發射電路

發射電路的發射功率與輸入高壓有密切關系，瞬時電壓越高，發射功率越大，但考慮到探頭的承受能力和使用壽命等因素。電壓范圍一般在100 V～600 V之間。由于儀器的供電電壓為直流小電壓，因而選用脈沖調制控制芯片TL494和脈沖變壓器組成DC 12 V-DC 240 V的逆變升壓電路為發射電路提供高壓輸入。如圖4所示。

2.2 超聲波接收電路

超聲波在監測管道表面經歷反射折射過程后,會通過波導桿回到接收探頭,根據逆壓電效應,接收探頭把此超聲回波信號轉換成幅值為μV級的電壓信號輸入到接收電路，因而接收電路需要對信號進行放大濾波、檢波比較整形等調理，然后輸出到時間測量單元，完成時間的測量，單片機可讀取時間測量值，計算出被測物的厚度值。

信號放大電路如圖5所示。電路由前置放大電路和可變增益放大電路組成。前置放大電路實現電路的阻抗匹配，通過大的輸入阻抗將信號低損耗地輸入到后級電路，同時對小信號起到一級放大作用。由于不同厚度材料的回波信號的大小也不同，回波信號最小幅值大約幾百μV，為了不影響對信號的采集，選用可變增益放大電路來實現信號的穩定幅值輸出。前置放大電路選用OPA846IDBVT芯片，OPA846IDBVT是一個高增益寬帶低噪聲電壓反饋運算放大器，具有625 V/μs的高壓擺率，輸入噪聲低，增益帶寬積達到1 750 MHz，小信號通過前置放大器可實現40 dB的無失真信號放大。可變增益放大電路選用壓控可變增益放大器VCA810芯片，芯片具有-40 dB～40 dB的增益控制范圍，可使信號放大電路實現增益在0～80 dB范圍的放大。可變增益放大器的增益與控制電壓成線性關系，控制電壓可由終端CPU控制DAC產生，也可以通過外部可變電阻器分壓產生。VCA810的控制電壓為-2 V～0 V,為減輕CPU負擔方便調試，最終選用外部偏壓經過反向器輸入到增益控制端，選用OP07實現DA輸入電路的反向輸入到增益控制端。

圖5 信號放大電路

圖6 濾波電路

濾波電路如圖6所示，該電路選用六階巴特沃斯有源帶通濾波器，中心頻率為2.5 MHz的超聲發射頻率。頻帶寬度為1 MHz。相比于其他濾波器，巴特沃斯濾波器通帶內響應最為平坦，從而通過濾波器信號中的高次諧波和低頻無用信號強度都被大大降低，起到信號濾波的作用。

濾波單元低頻范圍內使用RC負反饋有源二階帶通濾波器，高頻范圍使用LC濾波器。負反饋濾波器使用單個寬帶低噪放大器組成，令C=C1=C2，Req為R1和R2并聯的值。元件值選取可根據如下中心頻率公式獲得:

(1)

若R3值遠大于Req則可獲得大的品質因數即Q值，Q值越大，濾波電路頻率選擇性越好，帶寬越小。

信號通過放大濾波后，已經可以通過AD采集處理。但是回波信號的頻率在幾兆赫茲左右，后續單元采集速度要求太高，實現難度較大。因而將回波信號放入信號調理電路對其進行檢波比較整形處理，再接入時間測量單元實現時間的測量。信號調理電路如圖7所示，主要是由信號檢波電路和電壓比較電路組成。檢波電路對超聲波信號進行峰值包絡檢波處理，從而使用包絡檢波后的波形反映原信號。電壓比較電路選用高速低功耗運算放大器TLV3501組成滯回比較器，參考電壓可通過調節外部電位器RW1進行設定，通過ADA4665做一級跟隨后引入同向輸入端。信號通過電壓比較器后，可使信號輸出為規范的脈沖信號，兩脈沖之間的時間間隔即是聲波在試件兩個截面之間所經歷的時間，從而可算得被測試件的厚度。

時間測量單元由CPLD信號處理器和MSP430單片機組成，CPLD選用ALTERA公司MII系列的EPM570T100C5N,將調理后的信號輸入到CPLD端口，CPLD內置50 MHz有源晶振，通過內部軟件設置計時器，實現對輸入脈沖時間的測量，然后通過串口與MSP430單片機進行數據通信傳輸，單片機可實現測量厚度的轉換，進行存儲或通過無線設備傳輸到上位機。

3 系統測厚的實驗結果

3.1 實驗室測試實驗

系統通過夾具將探頭固定在300 mm×15 mm×1 mm的波導片的兩端，探頭選用單晶2.25 MHz的OLYMPUS公司的橫波直探頭，采用一發一收的方式進行波形采集，儀器增益初始設定為55 dB，分別對7.16 mm、13.31 mm、20.1 mm和25.4 mm等不同厚度的鋼板進行測厚實驗，通過示波器測得回波波形如圖8所示。

實測鋼板厚度值以及測量值與實際值的相對誤差如表1所示。從實驗數據可以看出，系統的測量值和實際值得相對誤差在0.5%以下，數據測量誤差在允許誤差范圍內，儀器在實驗室內相對穩定，下一步需到現場檢驗是否可應用到管道腐蝕監測中。

表1 測厚數據表

3.2 現場應用測試

系統在完成實驗室測試后，達到系統需求指標的要求，然后需要將超聲波在線腐蝕監測系統安裝到現場進行整機測試，因而在勝利油田某高含CO2區塊井口進行系統安裝，系統監測頻率設定為每天進行4次數據采集，對井口管道進行為期8個月的壁厚腐蝕在線監測，系統監測數據通過無線傳輸方式上傳到中心上位機，系統監測軟件實時顯示數據。井口管道腐蝕速率監測曲線如圖9所示。

從監測數據可以看出，系統剩余壁厚在4.77～4.95 mm 之間，測厚系統分辨率在0.1 mm，在儀器運行的8個月內壁厚變化不大，系統能夠比較明顯地反映管道腐蝕趨勢，起到了腐蝕在線監測的作用。

圖7 信號調理電路

圖8 回波信號圖

圖9 監測曲線圖

4 結束語

本文對超聲波在線腐蝕監測系統的總體框架和工作原理進行了詳細的分析，對系統硬件電路進行了選型和設計。通過實驗證明：系統的測厚精度高，測厚誤差在允許范圍內，現場穩定性強，能夠實現管道的長期在線監測，且能較好地反映管線腐蝕狀況及壁厚減薄趨勢，為實現重要生產設備的事故預警、保障生產安全起到重要作用。

[1] 張俊哲.無損檢測技術及其應用[M].北京：科學出版社，2010.

[2] 劉廷.基于MSP430引信關重件測厚系統的設計[D].太原：中北大學，2015.

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