基于射頻法的管道內金屬形態檢測研究

趙潛

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧沈陽，110016；2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧撫順，113122）

0 引言

在當今科學技術不斷發展的背景下，諸如石油、天然氣開采以及冶金等國家重工業的研究和發展上都有多相流參數測量與分析的問題需要解決，因此在工業生產中多相流的相關研究逐漸變成新熱點。在諸多科研基金與國家項目的支撐條件下，兩相流及多相流的介質分布重建及流動過程參數測量相關的研究與分析課題越來越多。研究水平上升提高了工業生產效率，提升經濟效益，對人們的日常生活中慢慢起著不可或缺的作用。

在工業生產研究領域中相對常見的兩相流現象通常是以氣/固/液三種形態中的兩種組合形式出現，如高爐鍋爐燃燒灰吹技術就是在冶金生產中大量廣泛使用的氣/固兩相流技術經典實例[1]。循環流化床技術在化工行業的應用也是兩相流的典型范例。其他還有在石油和天然氣的開采過程中[2]，當開發礦區的油氣田開采到一定的階段時，為了維持地下油層壓力的相對平衡，即保證油氣田注入的水和采出的油一直處于較為平衡穩定狀態，同時要移動原油到油井周圍，這樣才可以保證石油開采系統維持正常狀態運轉工作[3～4]。因此需要在運輸過程中實時監控管道內兩相流的參數數據。傳統的檢測技術精確性和實時性較差，所以發展具有高、精、快特點檢測技術的研究對未來工業生產提高效率有十分重大的意義。

參照目前的調研，兩相流與多相流在國家工業生產與制造業中較為常見[5～6]，且多相流的組成及多相流的相關參數檢測手段匱乏，像兩相流的介質分布、各相濃度、流速以及流量測量等，能夠看出多相流基本特征變化不定且情況復雜，難于測量，同樣就當下的多相流測量傳統技術來說，還達不到工業生產可以滿足的高要求，也可以說這種測量技術還需強化深入研究和發展。隨著時間的推移現代工業生產發展漸趨高精度，因此各個企業對多相流流動過程的參數測量的精準度有很嚴格的標準要求，相關研究的開展也要向更深層次方向發展。

對管道內金屬液體結構形態可視化的相關研究是從上個世紀80 年代興起的[7]，經過30 多年的不斷發展，現在慢慢形成了以超聲波（Acpustic）技術、X 射線技術、紅外技術等為主要探測方法來實現管道內介質分布檢測[8-9]，許多以新型技術為基礎的檢測系統也已經進入實用階段：如Analysis 公司推出的 Cougar EVO 檢測系統，采用了微焦點X 射線成像技術，實現了對常見工業管道檢測的高精度成像檢測[10]；美國 DAKOTA ULTRASONIC 公司的管道內檢測技術采用了超聲波檢測技術，使得精密管道探傷檢測工程得以實現[11]。下面我們對這兩種適用范圍較廣的管道成像檢測技術進行介紹和分析。

在上個世紀初超聲波成像技術開始被科研人員所研究，蘇聯科研專家S.J.Sokolov 最早對該領域進行科學研究實驗[12]，其他科學家隨后也開始涉足這一領域。直到 70 年代超聲成像領域已經形成了幾種成熟的方法，在工業材料超聲檢測中逐漸得到應用。由于聲波可以穿透很多不透明的介質，因此可以參照超聲檢測的相關理論重建出不透明管道內的介質分布情況。超聲波成像就是利用超聲波在介質中傳播的聲阻抗特性、聲衰減特性和多普勒特性來檢測出管道內介質分布，從而重建圖像。

X 射線層析成像是DR 成像的一種應用，屬于工業無損檢測技術。X 射線因其特性具備很強的透射能力。此外，因為不同介質的密度和介質層的厚度不相同。穿過物體的X射線強度分布攜帶被穿透物體的內部信息，由此可以通過射線強度信息采集來進行圖像重建。但值得注意的是，超聲波成像，X 射線成像等技術由于其各自的局限性，對一些復雜的工況如管道內的金屬形態探測應用效果不夠理想。因此，本文設計一種基于射頻技術的管道內液態金屬形態可視化系統，來解決這一不足。

本文所研究的射頻法金屬形態可視化技術，相對于其他測量技術，射頻法更加針對復雜的工況環境。射頻法可以應用于金屬液體、管道、空氣、雜質等復雜成分環境之中，其工作原理主要是以介電常數的不同，達到測量金屬形態的目的，屬于非接觸式測量中可靠性安全性較高，便捷性更強的測量方法，相對于傳統的密度法不需要提前知道液態金屬的流速及其他介質的密度；相對于電容法、電導法其對機械結構的適應性更強，不存在內外電極的維護問題。

1 射頻檢波模塊工作原理

系統硬件結構包括 MCU 控制電路、射頻激勵電路、射頻功率檢測電路、信號調理電路、SD 卡存儲電路、通信電路和液晶顯示電路。

利用射頻傳感器硬件總體設計思路是：由 MCU 主控芯片控制射頻信號發生電路（DDS）產生固定頻率的射頻信號，經射頻天線發射信號，當信號接觸金屬管道內的流體，管道內介質的分布產生信號變化，最終引起系統的一系列變化，通過射頻功率檢測電路對檢測電阻兩端的電壓信號峰值檢測，再經由放大信號電路和信號調理電路處理，最終由數模轉換電路傳輸至主控芯片，連接上位機顯示屏顯示數據。

射頻激勵電路的準確設計是其能夠產生高精度、強穩定性，且工作頻率穩固射頻激勵信號的前提要求。所以要分不同功能模塊來設計電路，如果信號發生電路搭建的模塊有沖突或錯誤，電路中不穩定的信號波形會發生頻率失控且易產生零點漂移。

圖1 系統各模塊工作框圖

圖2 AD9850 內部結構圖

本文檢測系統使用了射頻信號發生電路 的 AD9850 芯片作為系統射頻信號激勵源，目標頻率波形的輸出可由芯片控制頻率變化實現。

射頻功率檢波電路的主要功能是將檢測電阻檢測得到的電壓模擬量轉化為數字信號，經通信電路處理最后由上位機存儲顯示，本文系統選用內部帶有溫度補償的肖特基峰值檢波器LTC5507 作為射頻功率檢波電路芯片。射頻功率檢波電路原理圖如圖3 所示。

圖3 射頻功率檢波電路原理圖

圖4 系統工作原理圖

管道內反射的檢測信號經過射頻功率檢波電路后,還需通過 MCU 內部自帶的數/模轉換電路將模擬信號轉化為數字信號，最后通過控制電路實現測量數據的存儲成像。本文的控制電路選用微控制器 VYYR2401 芯片，在整個檢測系統中主要負責邏輯控制，包括對激勵源 VYYR2401 的參數設置控制和成像系統以及通信控制。

在探射管道成像中，為了獲得管道里檢測目標的波形回彈信號，要求所發射的探測信號要包含穿透管道的性能。通常來講，發射信號頻率越低，其穿越障礙物的能力越強，但其成像的分辨率也較低；信號頻率越高，其成像分辨率越高，但其穿越障礙物的能力則越弱。針對這一特點，本文設計選用了芯片 VYYR2401，其原理為: 3GHz 的較低頻段的信號可以穿越金屬管道，而高頻段的信號可以探測流體細微的移動和角分辨率，通過頻率掃描 24 組接收天線能夠檢測到信號遭遇介質反射后的強弱變化，由于不同材料對不同頻率的信號會有不同的吸收和反射率，從而計算得到探測目標的材料和距離。這款芯片能夠支持超高的帶寬，因此通過算法可得高分辨率圖像。

2 基于射頻傳感器的檢測系統設計

■2.1 系統工作原理

當射頻激勵信號通過天線傳輸到主要由金屬組成的介質負載時，由于金屬和空氣對激勵信號的阻抗特性非常不同，負載阻抗將隨著輸出液體中液態金屬的比例而變化。負載阻抗的變化將改變整個系統的系統阻抗。因為系統的傳輸電壓是恒定的，即恒壓勵磁，因此，當系統的總阻抗發生變化時，整個系統的系統電流也會隨之變化。此時，電流互感器可以收集變化的電流信號，或者可以在硬件電路中設計檢測電阻。可以通過測量檢測電阻兩端的電壓值來獲得歸一化的液態金屬測量值，然后可以通過對測量的電壓值的一系列擬合來可視化金屬形狀。系統工作原理如圖 4 所示。

將系統連接電源后，需要將射頻激勵單元、存儲單元、通信模塊、系統ADC、上位機顯示等模塊初始化。系統的工作模式有兩種：一是在現場通過網線直連將檢測數據連接到本地網絡的通信模式下數據傳輸；另一種是檢測模式，用于完成管道中流體的實時數據測量，并通過神經網絡對數據進行成像。

系統開機上電以后通過控制芯片VYYR2401 的 SPI 模塊對射頻激勵信號源DDS 進行初始化設置，并通過配置頻率寄存器和相位寄存器，產生射頻激勵信號。射頻天線發出的射頻信號接觸管道內金屬介質以后，系統中射頻功率轉換模塊將介質反射信號值轉化為直流電平,接著系統調用A/D 轉換模塊，最后通過上位機圖像重建顯示算法，完成數據存儲并顯示圖形。其初始化流程圖如圖5 所示。

圖5 VYYR2401 初始化流程圖

■2.2 線性陣列成像概率函數

線性陣列的工作原理為，假設有n 條天線，設定其中一個天線為激勵發射信號源，其余n-1 條天線作為檢測接收單元。系統將檢測接收單元的信號數據進行初步處理，并將其存儲用于成像處理。對于四元線性陣列天線，有4×3=12種獨立的接收/發射天線位置用作焦點坐標，依據選用的射頻成像方法在圖像重建區域繪制等距橢圓曲線（因為要考慮信號接觸管道后會產生折射效應，所以將準橢圓曲線作為等距線）。理論上，以這種方式處理n＊(n-1)組，即12 組接收數據后，會獲得6 條位置不同的準橢圓曲線等距線。在計算中，假設陣列天線靠近管道放置。可以計算得出，在目標位置將疊加12 條等距線，目標位置所在的圖像重建單個像素單元成像數據幅值最大，而非目標像素單元中的數據幅值較小或約等于零。依據上述判別計算方法，可以準確得出目標點位置圖像。

3 實驗結果

硬件連接完成之后，將程序下載至主控芯片中，測量被檢測區域不充滿任何物體和充滿鋼珠情況下的數據，然后將銅棒隨機在檢測物場中擺放，如圖6 所示。然后給主控芯片上電，通過串口配置上位機和基于主控芯片下位機串口號、波特率等，然后將測量數據通過串口上傳至上位機，將所有數據上傳至上位機中，通過計算機調用重建算法程序進行圖像重建，并將成像的結果顯示在上位機界面，如圖6 中成像結果所示，成像結果中能夠看出被測物體的位置及大致形狀。

圖6 圖像重建結果1

為了驗證不同位置情況下圖像重建準確性，將銅棒的位置如圖7 中實物圖所示放置在檢驗區域中，通過圖像重建，成像的結果最終如圖7所示。

圖7 圖像重建結果2

為了驗證不同材料情況下圖像重建的準確性，將一個鐵棒放置于物場中，如圖8 中實物圖所示，按照同樣的測量方式將鐵尺進行測量，最終的成像結果如圖8 中成像結果所示。

圖8 圖像重建結果3

4 結論

通過實驗證明當銅棒處在不同位置時本系統均可重建出物體的位置，在放置鐵尺情況下的圖像重建結果清晰可見，當變換不同材料及位置等情況的圖像重建結果依然準確，可以得出本文所設計的系統圖像重建符合預期的結果，驗證了本文利用射頻傳感器對管道內的金屬液體可視化研究具有可行性和可靠性。

射頻方法可以檢測不同介電常數的物質在物場中的分布，其具有非接觸、高可靠等特點。得益其性質，基于射頻傳感器對管道內金屬形態進行的可視化研究可實現實時在線對管道內流體形態的檢測。對系統的硬件電路及軟件程序同時進行了設計。本文主要完成的研究內容如下：

（1）通過查閱大量有關文獻資料，總結了現有成像方法的研究現狀，在對各種方法進行分析和研究的基礎上，結合射頻方法的特點，提出了基于射頻傳感器的管道內液態金屬形態可視化系統的總體設計方案，并進行了軟硬件設計。

（2）基于射頻法的管道內金屬形態檢測研究的硬件設計的主要內容有：首先利用射頻激勵電路產生固定頻率的射頻激勵信號，再通過檢波電路模塊將測得的電壓值信號轉化為直流電平信號，經最后的信號處理模塊將電壓信號A/D轉化，最后交由上位機存儲顯示也可以進一步用濾波算法處理。

（3）基于射頻傳感器的管道內金屬形態可視化系統軟件設計的內容包括:通過芯片 VYYR2401 編寫程序，實現對芯片各個模塊的系統設計及實時控制,再根據回波信號中包含目標的反射信息求出其特征值，利用圖像算法將回波信號處理最后生成圖像，以實現目標的成像檢測。

（4）通過數據采集及線性陣列成像概率函數算法，最終成功得到了重建的圖像，實驗結果表明，本文提出的基于射頻傳感器的管道內液態金屬形態的可視化研究效果很好。