超声波管道测厚仪样机的发展

摘要

本篇论文主要讲述了在输油管道厚度测量方面，以脉冲接收器和采集器原型的超声波信号为原理制成的超声波管道检测仪（PIG）的原理构成和相关技术发展。超声波管道测厚仪（PIG）的原型主要由三个功能块电路构成：激励产生约-200V高压脉冲的换能器的脉冲电路；包括滤波器、放大块的信号接收电路；信号采集和处理电路由一个ADC、一个FPGA和一个微型处理器构成。超声波管道测厚仪的发展受空间、采样速度以及存储容量的限制，此外，石油管道检查中不断完善的行业标准也对其发展有很重要的影响。

简介

管道检测仪（PIG）所需要的超声波为光束超声波，它的发射装置需要专门设计，以满足光束超声波对特定的物理空间的要求。更为重要的是，专门设计的装置是为了方便我们了解它的整个结构，从而可以通过电子设备操作规范对其进行检查。

现实应用上，超声波管道检测仪有很多不同的规格，应用很广泛。尽管如此，我们却无法知晓其具体的原理，它们是商品，他们的结构是不被公开同时受版权保护的。所以，查询不到其相关的公开的技术文献。在进行了详细得调查和参考了大量相关书籍之后，我们提出了基于超声波的管道测厚仪的基本原型，解释了所有的功能块，以及功能块之间的相互作用方式。

知晓原型的第一步了解超声波的基本原理。翻阅之前的资料可以得知，在超声波的数据传输和集成电路原理的介绍的时候有顺带提及到与超声波相类似的一些原理，但是没有触及到内在真实架构。在超声波基本原理中，必须产生负电压脉冲，激励环能器，并将所采集到的信息，通过功率发大器传送至下一级。这些很容易在相关的参考书中找到，但是，当我们使用单晶体的超声波换能器的时候，特别是在高压情况下，保护接收脉冲就变得异常有挑战性。

为了检测腐蚀可能带来的材料损失，管道检测仪（PIG）最初是用100个直梁传感器来进行计数，这一段解释了管道检测仪（PIG）如何工作以及如何在石油管道中进行检测[4]。通过这种方式我们可以提出一个使用超声波信号进行厚度测量的方法，这有助于开发自己的超声波管道测厚仪。

最后，我们开发的设备应用很广泛，并且其中的电路也在不断换代升级中。

超声波的原理

超声波是指超出人类听觉范围（通常为20KHz）的声音[1]。 然而，在无损检测中通常采用的超声波频率范围为100KHz至50MHz [6]。

尽管超声波的产生方式与可听人耳所能听到的声音很相似，但它的波长要短得多。意味着，超声波可以被反射到非常小的表面，比如材料内部的缺陷，这一特性使得超声波在无损检测方面大有作为。换能器是将一种形式的能量转换成另一种形式的设备，超声波换能器将电能转换成声能形式的机械能，反之也同样成立[1]。图一是真正的超声波换能器的信号，有意思的是超声波所传输的时间（），它用来测量发射波与回波之间的时间间隔，更简单的方法是使用门来测量参考回波的第一个峰值或边缘以及下一个峰值或边缘出现的时间，可以用下面的公式来测量：

T代表材料厚度

C代表超声波在材料的传播速度

代表时间间隔

图一：真实的超声波信号频谱

一般来说，所有参数超声换能器都是为负脉冲激励设计的[6]。压电换能器的最大峰值激励电压应控制在每毫升50伏左右，低频元件通常比较厚，高频元件通常比较薄

在这个应用中，我们使用一个5兆赫的超声换能器，只带有一个压力换能器，这意味着它同时需要发射信号和接受信号。

发展

该开发是根据PEMEX规范NRF-060-PEMEX-2006进行的，在表1中我们可以看到该原型开发的重要特征。此外，我们综合了所有集成电路制造商的建议.

表格1：执行标准

如前所述，为了激发超声换能器，必须产生负电压脉冲，为此目的，我们设计并开发了脉冲发生器电路。图二即为脉冲发生电路的基本构成模块，该电路晶体管类型是的高速双驱动器复合 MOSFET类型，其额定工作电压约为plusmn;5Vcd，因为需要在端子实现OE，INA，INB中的高速数字信号，这些信号在FPGA内部编程，因此必须将逻辑电平更改为其他的快速20ns，之后由驱动器将其连接到高速和快速换向的晶体管MOSFET的集成电路，从而能够产生高电压的实际脉冲。

图2：脉动产生电路

使用输入为0至5Vcd的小变压器（HV）产生0至-200Vcd的比例输出，电压范围由微控制器（MC）的模拟输出控制，其输入电压放大器作用是增强电流和提供0至5Vcd和100mA的电压范围，以达到为变压器供电的目的。

向MOSFET晶体管提供0到-200Vcd的电压，并且由此产生负电压脉冲以激励换能器。

图3：数字信号

图3显示了用FPGA生成的数字信号，连接到DRIVER以执行该控制操作。 OE端子具有双重用途，第一个具有高电平，用于估计电压的阈值电平，第二个具有低电平，用于停用输出，A输出为高电平和B 输出低电平。

图4显示了脉冲发生器电路实现的负脉冲，该脉冲激励换能器，例如，值为-80Vcd，持续时间为100ns。 一旦换能器被激励，它就会发出一个应答信号，使用相同的线路进行激励，接收的信号太小而且噪声很大，也调整了阻抗，并采用了20MHz截止频率的低通滤波器。 该信号如图5所示，我们可以看到第一个回波的最大幅度为1.83Vp-p，TOF在2.32ms的前两个回波之间。

图4. 负脉动

图5：接收信号

直到这里我们才产生高压脉冲，我们可以借助示波器了解换能器的转化结果，然而，使用接收器电路的正确组件对于正确数字化超声信号至关重要。图6显示出了用于接收和获取超声信号的电路的框图。

当激励换能器接收到响应信号时，必须对其进行电气调节然后才能够进行测量，为此，接收到的响应信号先通过TR /开关，该电路限制脉冲的高电压并将CD电平调节到plusmn;5V的范围，调节后的信号通过低噪声前置放大器（LNP），此装置的作用是将信号放大5MHz范围内的信号，并且，除了对信号进行放大之外，该装置还消除了大部分噪声信号。来自LNP的信号通过受控增益放大器（VGA）对信号进一步放大。 在受控增益放大器（VGA）之后，信号通过运算放大器调节它（ACON）以具有模拟数字转换器（ADC）的必要范围，图7显示了示波器在正常条件下获得的ADC输入信号，这意味着，没有任何滤波或阻抗匹配，与图5中呈现的有所不同。

图6：接收电路

图7：最终得到的信号

在整个体统中所使用的ADC芯片的采样频率为50MHz，分辨率为10位，值得一提的是厚度测量对于时间的分辨率至关重要，因为它是厚度的函数。 另一方面，考虑到幅度分辨率对整个系统精度没有重大影响而且管理8位数据相对来说更容易，因此我们选择八位分辨率的ADC芯片。

ADC由FPGA控制，将信号在FPGA中转换为数字后，生成内部RAM内存，由于是FPGA RAM中的信号，可以方便地进行操作，因此可以节省相当于1024个数据的20.48us的信息。为了说明FPGA RAM中系统内存数据的功能，单片机(MC)读取系统内存数据，并将其发送到计算机(PC)上显示图像响应信号，从而验证所提原型的质量。

检测与成果

图8显示了开发的原型的完整框图。

图8：总体设计框图

如图9所示，结果是实验性的; 它们取自6.35,12.70,19.05和20.54mm的钢轧制图案。 厚度测量的形式是通过接触进行的。 每个厚度图案水平需要十个样本信号; 每个信号都保存在计算机（PC）中，以便以后显示采集的数据并确定时间飞行。

图9：MatLab处理的信号

表2显示了在每个厚度下进行的十个测量点的测量结果。

	6.35mm (0.25uml;)	12.7 mm (0.50uml;)	19.05mm (0.75uml;)	25.4mm (1.00uml;)
1	2.16	4.30	6.44	8.58	us
2	2.14	4.30	6.44	8.58	us
3	2.14	4.30	6.44	8.58	us
4	2.16	4.30	6.44	8.58	us
5	2.16	4.30	6.44	8.58	us
6	2.14	4.30	6.44	8.58	us
7	2.16	4.30	6.44	8.58 <!-- 英语原文共 6 页 资料编号：[4014]