初振東，蒲小平

（1.中國電子科技集團(tuán)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(yè)，需要對油氣輸送管道進(jìn)行定期的檢測，以防止管道因外界電化學(xué)等作用而遭受腐蝕[1]。管道因腐蝕而產(chǎn)生破損，具有一定的危險性，輕則產(chǎn)生油氣泄漏而污染環(huán)境，重則產(chǎn)生爆炸而危害人們的生命財產(chǎn)安全。

在針對管道腐蝕問題進(jìn)行檢測時，常用的方法有探針檢測法、電化學(xué)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(shù)對管道厚度進(jìn)行定期檢測，根據(jù)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(diǎn)。利用超聲波檢測原理，通過現(xiàn)代化的電子技術(shù)，設(shè)計管道腐蝕檢測系統(tǒng)，具有較好的實(shí)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(jiān)測管道受腐蝕的程度，主要通過超聲波技術(shù)對管道厚度值進(jìn)行監(jiān)測。利用超聲波技術(shù)進(jìn)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(nèi)壁安裝超聲波探頭，在實(shí)際應(yīng)用時具有一定的局限性，因此本次設(shè)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(jìn)行厚度測量。通過電子技術(shù)對超聲回波信號進(jìn)行接收和處理，會獲得超聲波回波信息，進(jìn)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(fā)射電路激勵超聲波探頭，產(chǎn)生超聲波信號，該信號通過耦合劑進(jìn)入工件，經(jīng)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(jìn)行處理，控制電路根據(jù)接收到的超聲回波信號，計算回波之間的時間差，進(jìn)而計算工件的實(shí)際厚度。

圖1 單探頭超聲測厚法原理示意圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電路整體方案

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

圖2 管道腐蝕檢測系統(tǒng)硬件電路框圖

通過高壓模塊為發(fā)射電路提供直流高壓，控制器可以控制發(fā)射電路產(chǎn)生超聲波探頭所需的高壓脈沖，進(jìn)而激勵超聲波探頭產(chǎn)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(jìn)行接收和處理，由于使用一體化超聲波探頭，超聲波的發(fā)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(fā)射電路中的高壓激勵脈沖對接收電路產(chǎn)生影響，首先設(shè)計限幅電路，對接收回波信號進(jìn)行限幅處理。超聲回波信號通常為mV 級的信號，因此設(shè)計放大電路對小信號進(jìn)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(jìn)行采集，因此設(shè)計檢波電路，可以將超聲回波信號轉(zhuǎn)換為超聲回波包絡(luò)信號[5]。采集電路可以對檢波后的超聲回波包絡(luò)信號進(jìn)行采集，控制器根據(jù)采集到的數(shù)字量信息，計算兩次超聲回波之間的時間差值，進(jìn)而計算管道壁厚。

3.2 發(fā)射電路設(shè)計

發(fā)射電路主要產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖信號，進(jìn)而激勵超聲探頭，高壓負(fù)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(zhuǎn)換效率。超聲發(fā)射電路的原理圖如圖3 所示。

圖3 超聲發(fā)射電路圖

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

3.3 接收電路設(shè)計

3.3.1 放大濾波電路

由于采用單探頭模式進(jìn)行超聲波的收發(fā)，為保證接收電路不受發(fā)射電路的高壓干擾，首先通過二極管網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(yùn)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(diǎn)。ADA4849 的DIS 引腳為芯片的使能引腳，通過控制DIS 引腳狀態(tài)，可以控制運(yùn)算放大器在回波接收時工作，進(jìn)而降低整個系統(tǒng)的功耗。在兩級放大電路的中間級，設(shè)計C3 和C6 電容，可以保證波形不失真，提高放大電路的穩(wěn)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(shè)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(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成本次濾波器設(shè)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(shè)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(shè)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(jīng)過放大濾波后的實(shí)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(jīng)過放大濾波后的超聲波回波信號，需要進(jìn)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(luò)信號，以便后續(xù)采集電路進(jìn)行采集[9]。在進(jìn)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(luò)信號進(jìn)行采集和處理，準(zhǔn)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(diào)電壓、較低的輸入電壓噪聲、較快的壓擺率等特點(diǎn)，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(gòu)成檢波電路網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過差分放大器后的超聲回波信號，再經(jīng)檢波電路網(wǎng)絡(luò)，可以得到超聲回波的包絡(luò)信號。當(dāng)檢波二極管D9 和D10 正向?qū)〞r，信號為電容C15 充電，當(dāng)檢波二極管D9 和D10截止時，電容C15 通過電阻R16 進(jìn)行放電，在電路設(shè)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(luò)。

圖8 超聲回波檢波電路

經(jīng)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(jīng)檢波后的超聲回波信號，包絡(luò)較為完整，適合后續(xù)采集電路進(jìn)行采集和處理。

圖9 檢波后的超聲回波信號

3.3.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集部分選用TI 公司的ADC14C105 模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為核心器件，對前級的超聲波包絡(luò)信號進(jìn)行數(shù)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?？梢酝ㄟ^單電源3.3V 為該ADC 進(jìn)行供電，兼容整個系統(tǒng)的電壓等級。

數(shù)據(jù)采集部分的電路如圖10 所示。經(jīng)過檢波處理后的超聲波包絡(luò)信號通過ADC14C105 的VIN+引腳進(jìn)行輸入，ADC14C105 對超聲波包絡(luò)信號進(jìn)行數(shù)字化采集，通過D0-D13 引腳進(jìn)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(shù)字傳輸?shù)脑肼?。ADC14C105 并行輸出的數(shù)據(jù)傳送至FPGA 進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA 可以根據(jù)采樣值的大小，計算兩次超聲回波波峰之間的時間差，進(jìn)而計算待測處的厚度值。在數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計時，模擬電源和數(shù)字電源分開布局，并在單點(diǎn)進(jìn)行短接，以減少干擾[10]。

圖10 數(shù)據(jù)采集電路

4 系統(tǒng)測試

在石油化工行業(yè)，通常選用鋼材質(zhì)的板材作為管道材質(zhì)，因此通過設(shè)計的腐蝕檢測系統(tǒng)，對標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋼材質(zhì)板材進(jìn)行實(shí)驗，以模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。本次實(shí)驗選擇四種厚度的標(biāo)準(zhǔn)鋼板，以充分驗證不同厚度下，腐蝕檢測系統(tǒng)的檢測效果。在實(shí)際現(xiàn)場情況下，隨著使用年限的增加，鋼板的厚度會發(fā)生變化，在管道的重要位置安裝超聲波傳感器，通過本次設(shè)計的管道腐蝕檢測系統(tǒng)，可以及時監(jiān)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(jù)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(shí)際測得結(jié)果如表1所示，在現(xiàn)場使用情況下，要求測量的偏差5%以內(nèi)，而設(shè)計的超聲波腐蝕檢測系統(tǒng)，檢測偏差可以達(dá)到3%以內(nèi)，可以滿足使用要求。

5 結(jié)束語

在石油化工行業(yè)，需要對油氣輸送管道進(jìn)行定期的檢測，以防止管道因外界電化學(xué)等作用遭受腐蝕。通過超聲波檢測原理，設(shè)計管道腐蝕檢測系統(tǒng)。管道腐蝕檢測系統(tǒng)的電路分為超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，電路的實(shí)測波形良好。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，對標(biāo)準(zhǔn)工件進(jìn)行測量，測量的準(zhǔn)確度較高，偏差值較小，滿足實(shí)際使用要求。

表1 測試結(jié)果