管道腐蝕檢測系統設計

初振東，蒲小平

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.空軍裝備部，北京100843）

1 引 言

在石油化工行業，需要對油氣輸送管道進行定期的檢測，以防止管道因外界電化學等作用而遭受腐蝕[1]。管道因腐蝕而產生破損，具有一定的危險性，輕則產生油氣泄漏而污染環境，重則產生爆炸而危害人們的生命財產安全。

在針對管道腐蝕問題進行檢測時，常用的方法有探針檢測法、電化學檢測法、PH 濃度檢測法和厚度變化檢測法等。其中，厚度檢測法是較為常用的方法，在厚度檢測法中，通常采用超聲波技術對管道厚度進行定期檢測，根據管道厚度的變化程度，判定管道的腐蝕程度[2]。超聲波檢測的方式具有檢測速度快、精度高、操作簡單方便等特點。利用超聲波檢測原理，通過現代化的電子技術，設計管道腐蝕檢測系統，具有較好的實用價值。

2 管道腐蝕檢測原理

通過定期檢測管道重要部位的厚度值，可以監測管道受腐蝕的程度，主要通過超聲波技術對管道厚度值進行監測。利用超聲波技術進行厚度測量時，通常有反射式測厚法和對射式測厚法[3]。由于對射式測厚法需要在管道內壁安裝超聲波探頭，在實際應用時具有一定的局限性，因此本次設計采用反射式測厚法。反射式測厚法，又有單探頭測厚法和雙探頭測厚法，為了方便操作，提高檢測效率，采用單探頭法進行厚度測量。通過電子技術對超聲回波信號進行接收和處理，會獲得超聲波回波信息，進而表征管道厚度的信息。

單探頭測厚法的原理示意圖如圖1 所示。發射電路激勵超聲波探頭，產生超聲波信號，該信號通過耦合劑進入工件，經過工件的下表面后，會反射出超聲回波信號，接收電路可以對超聲回波信號進行處理，控制電路根據接收到的超聲回波信號，計算回波之間的時間差，進而計算工件的實際厚度。

圖1 單探頭超聲測厚法原理示意圖

3 硬件電路設計

3.1 電路整體方案

管道腐蝕檢測系統的硬件電路框圖如圖2 所示，電路主要分為發射電路和接收電路。

圖2 管道腐蝕檢測系統硬件電路框圖

通過高壓模塊為發射電路提供直流高壓，控制器可以控制發射電路產生超聲波探頭所需的高壓脈沖，進而激勵超聲波探頭產生原始超聲波[4]。通過超聲波接收電路可以對超聲波回波信號進行接收和處理，由于使用一體化超聲波探頭，超聲波的發射和接收采用分時工作的方式。限幅放大電路由限幅電路和放大電路組成，為了避免超聲波發射電路中的高壓激勵脈沖對接收電路產生影響，首先設計限幅電路，對接收回波信號進行限幅處理。超聲回波信號通常為mV 級的信號，因此設計放大電路對小信號進行放大。超聲回波信號的頻率與超聲波探頭的中心頻率一致，頻率較高，不便于采集電路進行采集，因此設計檢波電路，可以將超聲回波信號轉換為超聲回波包絡信號[5]。采集電路可以對檢波后的超聲回波包絡信號進行采集，控制器根據采集到的數字量信息，計算兩次超聲回波之間的時間差值，進而計算管道壁厚。

3.2 發射電路設計

發射電路主要產生高壓負脈沖信號，進而激勵超聲探頭，高壓負脈沖信號要求上升和下降時間短，從而提高超聲波探頭的聲壓轉換效率。超聲發射電路的原理圖如圖3 所示。

圖3 超聲發射電路圖

選用TI 公司的UCC27524 芯片作為MOSFET驅動器，該芯片具有5A 的峰值驅動電流，典型上升時間為7ns，典型下降時間為6ns，可以快速驅動后級MOSFET 開啟和關斷。當UCC27524 輸出低電平時，Q1 關斷，此時高壓電源對電容C1 進行充電，充電的回路為R1、C1、R2 和D5，充電結束后，電容C1兩端的電壓為VHigh。當UCC27524 輸出高電平時，Q1 開啟，電容 C1 通過 Q1、L1、D3 形成高壓負脈沖，該高壓負脈沖通過D1 和D2 后，加在超聲波探頭上，進而激勵超聲波探頭產生固有震蕩頻率的超聲信號[6]。

3.3 接收電路設計

3.3.1 放大濾波電路

由于采用單探頭模式進行超聲波的收發，為保證接收電路不受發射電路的高壓干擾，首先通過二極管網絡搭建限幅電路。超聲回波信號通常為mV級信號，為確保后級信號可以有效地處理超聲回波信號，需設計超聲回波放大電路。超聲回波放大電路采用ADI 公司的ADA4895 高速低噪聲放大器為核心芯片，采用兩級放大的方式，將超聲回波信號放大100 倍。ADA4849 為軌到軌運算放大器，-3dB 帶寬為236MHz，同時，也具有低噪聲和較低功耗的特點。ADA4849 的DIS 引腳為芯片的使能引腳，通過控制DIS 引腳狀態，可以控制運算放大器在回波接收時工作，進而降低整個系統的功耗。在兩級放大電路的中間級，設計C3 和C6 電容，可以保證波形不失真，提高放大電路的穩定性[7]。限幅放大電路的電路圖如圖4 所示。

圖4 限幅放大電路

本次設計所用的一體化超聲探頭的中心頻率為5MHz，因此，在放大電路的后級，設計帶通濾波器，保證以5MHz 為中心的頻率可以有效傳輸。采用5 階無源切比雪夫I 型濾波器的拓撲結構，完成本次濾波器設計。切比雪夫I 型濾波器，在過渡帶衰減較快，可以有效濾除無用信號，通帶設計時，充分考慮通帶波動，以保證有用信號有效傳輸[8]。5 階濾波器可以有效地保證濾波器通帶的平坦，以及過渡帶的迅速衰減，所設計的濾波器中心頻率為5MHz，通帶寬度為1MHz。濾波器的電路圖如圖5 所示，濾波器的幅頻特性曲線如圖6 所示, 經過放大濾波后的實測超聲回波信號如圖7 所示。

圖5 帶通濾波電路

圖6 濾波器幅頻特性曲線

圖7 放大濾波后超聲回波信號

3.3.2 回波檢波電路

超聲回波信號的頻率與超聲探頭的中心頻率一致，即為5MHz，頻率較高。經過放大濾波后的超聲波回波信號，需要進行檢波處理，檢波的主要作用是獲得每組超聲波回波的包絡信號，以便后續采集電路進行采集[9]。在進行板材厚度測量時，需要計算兩組超聲回波峰值間的時間差，針對超聲包絡信號進行采集和處理，準確率較高，同時處理較為方便。

超聲回波檢波電路如圖8 所示，采用ADI 公司AD8138 作為檢波電路的放大器，AD8138 的-3dB帶寬為320MHz，可以滿足5MHz 的超聲回波信號處理要求。同時，該芯片具有較低的失調電壓、較低的輸入電壓噪聲、較快的壓擺率等特點，適合超聲信號處理電路使用。由檢波二極管D9 和D10、電阻R16、電容C15，構成檢波電路網絡，經過差分放大器后的超聲回波信號，再經檢波電路網絡，可以得到超聲回波的包絡信號。當檢波二極管D9 和D10 正向導通時，信號為電容C15 充電，當檢波二極管D9 和D10截止時，電容C15 通過電阻R16 進行放電，在電路設計時，選取合適的電阻值和電容值，使充電時間匹配超聲回波信號，而放電時間大于充電時間，最終OUT_DET 信號即為超聲回波信號的包絡。

圖8 超聲回波檢波電路

經過檢波電路后的超聲回波信號如圖9 所示，由圖可以看出，經檢波后的超聲回波信號，包絡較為完整，適合后續采集電路進行采集和處理。

圖9 檢波后的超聲回波信號

3.3.3 數據采集電路

數據采集部分選用TI 公司的ADC14C105 模數轉換器作為核心器件，對前級的超聲波包絡信號進行數字化采集。ADC14C105 為14 位的ADC，最大采樣率為105MHz，滿足超聲波回波采集需要。可以通過單電源3.3V 為該ADC 進行供電，兼容整個系統的電壓等級。

數據采集部分的電路如圖10 所示。經過檢波處理后的超聲波包絡信號通過ADC14C105 的VIN+引腳進行輸入，ADC14C105 對超聲波包絡信號進行數字化采集，通過D0-D13 引腳進行并行輸出，D0-D14 引腳外部接有阻值較小的電阻，以減小高速數字傳輸的噪聲。ADC14C105 并行輸出的數據傳送至FPGA 進行處理，FPGA 可以根據采樣值的大小，計算兩次超聲回波波峰之間的時間差，進而計算待測處的厚度值。在數據采集電路設計時，模擬電源和數字電源分開布局，并在單點進行短接，以減少干擾[10]。

圖10 數據采集電路

4 系統測試

在石油化工行業，通常選用鋼材質的板材作為管道材質，因此通過設計的腐蝕檢測系統，對標準厚度的鋼材質板材進行實驗，以模擬實際應用環境。本次實驗選擇四種厚度的標準鋼板，以充分驗證不同厚度下，腐蝕檢測系統的檢測效果。在實際現場情況下，隨著使用年限的增加，鋼板的厚度會發生變化，在管道的重要位置安裝超聲波傳感器，通過本次設計的管道腐蝕檢測系統，可以及時監控管道的腐蝕情況。在鋼板中，超聲波的理論速度值為5900m/s，可以根據以下公式計算鋼板的厚度值：

式中，V 是速度值，T 是兩次超聲波回波之間的時間間隔，L 是板材的厚度值。實際測得結果如表1所示，在現場使用情況下，要求測量的偏差5%以內，而設計的超聲波腐蝕檢測系統，檢測偏差可以達到3%以內，可以滿足使用要求。

5 結束語

在石油化工行業，需要對油氣輸送管道進行定期的檢測，以防止管道因外界電化學等作用遭受腐蝕。通過超聲波檢測原理，設計管道腐蝕檢測系統。管道腐蝕檢測系統的電路分為超聲波發射電路和超聲波接收電路，電路的實測波形良好。根據現場使用情況，對標準工件進行測量，測量的準確度較高，偏差值較小，滿足實際使用要求。

表1 測試結果