（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500）

超聲波管外壓力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

周正義，顧亞雄，趙發(fā)定，廖麟龍

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500）

壓力是反映油氣管道系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)之一，壓力測(cè)量對(duì)油氣管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的壓力檢測(cè)方法大部分是介入式壓力測(cè)量，介入式破壞了管道的完整性，在高壓情況下還存在安全隱患。針對(duì)介入式壓力測(cè)量裝置的弊端，設(shè)計(jì)了一種利用超聲波測(cè)量管道壓力的裝置。詳細(xì)闡述了超聲波測(cè)壓裝置的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)。超聲波壓力測(cè)量裝置具有使用方便、操作安全、靈活性強(qiáng)、不破壞管道系統(tǒng)整體特性的完整性等優(yōu)點(diǎn)，并且能準(zhǔn)確測(cè)量管道壓力。

管道系統(tǒng)；壓力測(cè)量；非介入式；超聲波

0　引言

由于油田的開(kāi)發(fā)和西氣東輸工程的進(jìn)行，管道運(yùn)輸將在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。壓力是油氣管道系統(tǒng)中的重要參數(shù)之一，油氣管道系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷通常要檢測(cè)出管道內(nèi)部各個(gè)部位的壓力［1-2］。傳統(tǒng)的壓力測(cè)量方法種類(lèi)繁多，但大多數(shù)采用的是介入式壓力測(cè)量［3-4］，例如機(jī)械壓力表、壓阻式、振弦式、應(yīng)變式等壓力測(cè)量方法。介入式壓力測(cè)量需要預(yù)留壓力測(cè)量接口，破壞了管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性，在高壓情況下還存在安全隱患。因此，設(shè)計(jì)一種超聲波壓力測(cè)量裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

隨著社會(huì)發(fā)展，人們追求簡(jiǎn)單、方便、安全的測(cè)壓裝置。人們?cè)诟纳七@種工具方面進(jìn)行了大量的探索和研究，也生產(chǎn)出了許多新型的產(chǎn)品。目前，有的超聲波壓力測(cè)量裝置不能消除超聲波在管壁和聲楔等介質(zhì)中因傳遞時(shí)間而產(chǎn)生的誤差，從而影響測(cè)量精度［5］；有的超聲波測(cè)壓裝置的超聲波換能器采用單晶探頭，超聲波接收和發(fā)射采用一個(gè)換能器，這樣提高了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，也使壓力計(jì)算繁瑣［3］；有的超聲波測(cè)壓裝置數(shù)據(jù)處理芯片采用單片機(jī)，但其處理速度不夠，對(duì)較小管道的壓力不能準(zhǔn)確測(cè)量。

針對(duì)傳統(tǒng)壓力測(cè)量裝置和現(xiàn)有超聲波壓力測(cè)量裝置的不足，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的超聲波壓力測(cè)量裝置。該裝置包括超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、DSP及外圍控制電路、鍵盤(pán)及顯示單元。超聲波壓力測(cè)量裝置以DSP為核心，DSP特別適合信號(hào)處理運(yùn)算，具有數(shù)據(jù)處理速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)［6］。超聲波換能器采用雙晶直探頭，降低了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。超聲波壓力測(cè)量原理采用時(shí)差法，原理簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)運(yùn)算的復(fù)雜度。超聲波傳送時(shí)間采用平均值，提高了系統(tǒng)精度和壓力值的準(zhǔn)確度。超聲波壓力測(cè)量裝置從軟硬件兩個(gè)方面綜合考慮了系統(tǒng)的抗干擾因素，提高了超聲波測(cè)壓裝置的精度。

1　超聲波測(cè)壓原理

石油屬于烴類(lèi)物質(zhì)，其聲學(xué)特性符合Kneser液體的規(guī)律。根據(jù)比卡爾的研究成果和《聲學(xué)手冊(cè)》提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在一定溫度下，Kneser液體中液壓與聲速具有近似一次線(xiàn)性關(guān)系，尤其在壓力較高且溫度波動(dòng)范圍不大的條件下，線(xiàn)性關(guān)系比較穩(wěn)定，其關(guān)系如式（1）所示［7-9］。

其中，C為液體中聲速，單位為m/s；C0為常溫、一個(gè)大氣壓下液體中聲速，單位為m/s；P為液體壓力，單位為Pa；K為比例系數(shù)。其中C0、K為常數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者查表可以求得。由式（1）可以看出，測(cè)量超聲波在管道中的聲速就能得到管道的壓力值。

超聲波換能器采用雙晶直探頭，換能器用夾具對(duì)稱(chēng)地接觸在管道兩側(cè)，其方式如圖1所示。

圖1　超聲波換能器安裝示意圖

設(shè)管道的內(nèi)徑為d0，管壁厚度為d1，超聲波傳送時(shí)間為t0，在管壁的傳送時(shí)間為t1，由此可得超聲波在介質(zhì)中的速度為：

超聲波在不同管道材料中的速度為已知，由此可以得到超聲波在管道壁之間傳送的時(shí)間t1如式（3）所示，其中超聲波在管道壁之間的傳送速度為V，單位為m/s。

由式（4）可知，壓力值P與超聲波傳送時(shí)間t0存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要測(cè)得超聲波傳送時(shí)間t0，就能得出管道中的壓力值，由此可知超聲波壓力測(cè)量裝置的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)超聲波在管道中的傳送時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。

2　超聲波測(cè)壓裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波壓力測(cè)量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)包括DSP及外圍電路、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊。

圖2　超聲波測(cè)壓裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)處理模塊采用TMS320F2812最小系統(tǒng)，TMS320F2812是目前性?xún)r(jià)比最高的DSP芯片之一，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是應(yīng)用在對(duì)處理速度、處理精度方面要求高的領(lǐng)域。TMS320F2812支持全新CCS環(huán)境的C Compiler，提供C語(yǔ)言中直接嵌入?yún)R編語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)界面，可以在C語(yǔ)言的環(huán)境中搭配匯編語(yǔ)言來(lái)撰寫(xiě)程序［10］。TMS320F2812采用C語(yǔ)言，編程簡(jiǎn)單，C語(yǔ)言中搭配匯編語(yǔ)言，可以提高程序的運(yùn)行效率。

換能器T1用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，換能器T2用于將檢測(cè)到的微弱聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。根據(jù)需求，換能器選擇用于穿透的壓電窄頻帶脈沖換能器。換能器選擇組合雙晶直探頭，一個(gè)探頭用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，另一個(gè)探頭用于將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。超聲波發(fā)射探頭采用脈沖方式激勵(lì)，超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電壓為9 V，中心頻率為1 MHz。

鍵盤(pán)和顯示模塊中，鍵盤(pán)用于設(shè)定管道壁厚d1、超聲波在管壁之間的傳送速度V、常溫下超聲波在介質(zhì)中的聲速C0、比例系數(shù)K以及管道的內(nèi)徑d0。顯示部分用于顯示被測(cè)管道內(nèi)的壓力值。通過(guò)鍵盤(pán)和顯示單元，使超聲波壓力測(cè)量裝置使用范圍更加廣泛，操作更加簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)讀取更加方便。

超聲波壓力測(cè)量裝置主要用于測(cè)量超聲波在管道中的傳送時(shí)間t0，其測(cè)量方法如下：?jiǎn)?dòng)壓力測(cè)量裝置，DSP啟動(dòng)定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)DSP的引腳GPIOA0發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)射模塊放大處理后，激發(fā)超聲波發(fā)射換能器，超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波透過(guò)管道送至接收換能器，接收換能器把接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理送至DSP，DSP接收信號(hào)過(guò)后停止定時(shí)器T0，得出時(shí)間t2；重復(fù)上述過(guò)程分別得到時(shí)間t3、t4，求三組數(shù)據(jù)的平均值得出超聲波在管道中的傳送時(shí)間t0。通過(guò)求平均值得到傳送時(shí)間t0，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度，減少了系統(tǒng)隨機(jī)誤差。

2.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)具有一定功率、一定脈沖寬度和一定頻率的脈沖信號(hào)去激勵(lì)發(fā)射換能器，發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)向外發(fā)射。超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電壓為9 V，DSP的GPIO口輸出電壓為3.3 V，不能直接驅(qū)動(dòng)換能器，因此需要將電壓進(jìn)行放大。LM324系列器件帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，由4個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器組成，可以工作在低到3.0 V或者高到32 V的電源下，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。信號(hào)發(fā)射電路如圖3所示。

圖3　信號(hào)發(fā)射電路

由圖3可知，信號(hào)放大電路是用LM324構(gòu)成的同向放大電路，信號(hào)放大倍數(shù)為3，GPIOA0引腳輸出信號(hào)電壓約為3 V，經(jīng)過(guò)放大器后，輸出電壓為9 V，足以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作。

2.2接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收換能器產(chǎn)生的信號(hào)微弱，信號(hào)要能被DSP準(zhǔn)確檢測(cè)到，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。OP37是一款高精度集成運(yùn)算放大器，共模抑制比高、運(yùn)放的失調(diào)、溫漂和噪聲很小，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。接收電路如圖4所示。

圖4　信號(hào)接收電路

2.3鍵盤(pán)及顯示單元設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)和顯示單元如圖5、圖6所示。鍵盤(pán)包括參數(shù)選擇和參數(shù)加減兩部分，參數(shù)選擇是分別對(duì)管道中的參數(shù)d1、V、C0、K、d0進(jìn)行選擇，然后根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行加減，各個(gè)參數(shù)的初始值均為0，鍵盤(pán)與DSP的GPIOB0-GPIOB6連接，當(dāng)按鈕按下，GPIOBX引腳檢測(cè)到低電平，然后DSP通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇和參數(shù)的加減。顯示單元采用LCD1602，LCD1602是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。液晶顯示的控制引腳和數(shù)據(jù)傳輸引腳與DSP的GPIOA1-GPIOA10引腳連接。GPIOA1與LCD1602的第4腳連接，用于控制寄存器的選擇，GPIOA2與LCD1602的第6引腳連接，用于控制讀取信息或者執(zhí)行指令，GPIOA3-GPIOA10連接LCD1602的7～14腳，用于8位雙向數(shù)據(jù)傳輸。LCD1602主要用于顯示管道的參數(shù)及被測(cè)管道的壓力值。

3　超聲波測(cè)量裝置軟件設(shè)計(jì)

超聲波壓力測(cè)量裝置軟件部分包括DSP初始化、超聲波信號(hào)發(fā)射、超聲波信號(hào)接收、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互5部分。超聲波壓力測(cè)量裝置軟件流程圖如圖7所示。

圖5　鍵盤(pán)

圖6　顯示單元

圖7　軟件流程圖

圖7中，DSP初始化主要是系統(tǒng)上電后自動(dòng)調(diào)用初始化程序，初始化程序包括時(shí)鐘初始化、GPIO端口初始化、外設(shè)初始化以及管道參數(shù)設(shè)定等；初始化完成過(guò)后，DSP啟動(dòng)定時(shí)器T0并產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理過(guò)后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波；超聲波透過(guò)管道，超聲波接收換能器接收到聲波信號(hào)過(guò)后，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大處理后送至DSP，DSP接收到信號(hào)過(guò)后停止定時(shí)器T0，完成第一次時(shí)間的測(cè)量；系統(tǒng)完成第一次時(shí)間測(cè)量過(guò)后又產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成第二次時(shí)間測(cè)量，完成第二次時(shí)間測(cè)量過(guò)后，繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程，完成第三次時(shí)間測(cè)量；完成3次數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)后，求得時(shí)間平均值，然后計(jì)算壓力值，求得的壓力值通過(guò)液晶進(jìn)行顯示。

4　結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)介入式壓力測(cè)量裝置的不足，設(shè)計(jì)了一種非介入式超聲波壓力測(cè)量裝置，該裝置采用時(shí)差法求得管道壓力值，其原理簡(jiǎn)單，超聲波傳送時(shí)間采用平均值，提高了系統(tǒng)的精度，克服了現(xiàn)有非介入式壓力測(cè)量裝置精度不高、計(jì)算繁瑣的弊端。同時(shí)，與傳統(tǒng)的介入式壓力測(cè)量裝置相比較，該裝置性能可靠，安全系數(shù)高，不破壞管道的完整性，同時(shí)能根據(jù)不同的管道材料、管道厚度及管道中的介質(zhì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，使該裝置使用范圍更加廣泛。

［1］余東亮，張晶，劉梅.基于壓力波技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.石油機(jī)械，2010，38（7）：62-65.

［2］鄭大騰，柴光遠(yuǎn)，陳豐峰.非接觸式壓力測(cè)量方法初探［J］.液壓與氣動(dòng)，2005（1）：79-81.

［3］楊志勇，蔡偉，黃先祥.一種小型一體化小管徑超聲波管外測(cè)壓裝置［J］.電子學(xué)報(bào)，2012，40（9）：1858-1862.

［4］潘越，趙學(xué)義，陳潔.濃密膏體輸送管道正向壓力傳感裝置的研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（5）：78-79.

［5］方志強(qiáng)，林偉國(guó)，莫得舉.基于CPLD超聲波管外壓力檢測(cè)儀［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（5）：19-23.

［6］顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［7］宋利，黃釘勁，阮照軍.超聲波石油管道壓力測(cè)量及應(yīng)用［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006，25（10）：62-64.

［8］宋壽鵬，闕沛文，劉清坤.非介入式超聲管道壓力測(cè)量方法研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004（4）：565-568.

［9］李芳，王愛(ài)明，吳朝軍.液壓超聲波小管徑壓力測(cè)量研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2004（7）：38-40.

［10］蘭吉昌.TMS320F2812 DSP應(yīng)用實(shí)例精講［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

Design of ultrasonic pipe external pressure measuring device

Zhou Zhengyi，Gu Yaxiong，Zhao Fading，Liao Linlong
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Pressure is one of the important parameters reflecting the operation state of oil and gas pipeline system.It has very important significance for measuring the pressure of the safe operation of oil and gas pipeline system and real-time monitoring.Most traditional pressure detection methods are intrusive pressure measurement，which intrusively destroy the integrity of pipelines，and have hidden safety problems under the high pressure.Aiming at the disadvantages of intrusive pressure measurement device，a device using ultrasonic pressure measuring pipe is design.It elaborates the design principle，system structure and software of ultrasonic pressure measuring device.Ultrasonic pressure measuring device has the advantages of convenient operation，safety，flexibility；and it doesn′tundermine the overall characteristics of pipeline system integrity of the advantages，and can accuratelymeasure the pipeline pressure.

pipeline system；pressure measurement；non-intrusive；ultrasonic

TN98

A

1674-7720（2015）04-0022-04

（2014-09-20）

周正義（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。

顧亞雄（1962-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。

趙發(fā)定（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。