丁逸倫,丁 斌,趙慶嶸,陸 春,張 凱

(1.南通市計(jì)量檢定測(cè)試所,江蘇 南通 226000；2.杭州誠(chéng)億科技有限公司,浙江 杭州 310000)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲無(wú)損流量檢測(cè)利用超聲波在順流和逆流中不同的傳播速度來(lái)測(cè)量相對(duì)應(yīng)的流量,其常見的是以時(shí)差法、頻差法和速差法為原理。在實(shí)際檢測(cè)中,除了本身測(cè)量的原理,設(shè)備的精度和安裝又很大程度決定了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,主要是本身就存在很多干擾性的因素,其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)為換能器的合理安裝位置,而安裝位置又由很多因素所決定,包括測(cè)試方案的選擇(V型、Z型)、管道口徑的大小、管道軸線的確定等,這些參數(shù)的確定是超聲流體測(cè)量特別是大口徑管道流體測(cè)量的必要條件。在目前測(cè)量的手段中,雖然有一些輔助的設(shè)備和簡(jiǎn)易工具,在檢測(cè)過程中還是很大程度依賴檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)以及檢測(cè)設(shè)備的性能要求,但是即使操作人員經(jīng)驗(yàn)豐富,檢測(cè)設(shè)備性能優(yōu)異,也無(wú)法解決因?yàn)閷?shí)際操作所存在的原理性問題導(dǎo)致的測(cè)量誤差以及測(cè)量技術(shù)性問題[1-5]。因此,為解決目前超聲大口徑管道流體檢測(cè)的關(guān)鍵問題,保證超聲檢測(cè)的科學(xué)性,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套智能型大口徑流體自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

本項(xiàng)目結(jié)合基礎(chǔ)超聲檢測(cè)原理以及多種技術(shù),包括機(jī)械自動(dòng)化、系統(tǒng)計(jì)算算法結(jié)構(gòu)、傳感器技術(shù)等,通過以上技術(shù)分別自研管道口徑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、圓周運(yùn)動(dòng)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)單元、X軸運(yùn)動(dòng)定位單元、系統(tǒng)可視化軟件系統(tǒng)等,所有系統(tǒng)部分都自建通信架構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)通信,進(jìn)行數(shù)字化數(shù)據(jù)通信傳送(見圖1)。通過通信總線實(shí)現(xiàn)所有部件獨(dú)立而且系統(tǒng)化運(yùn)作,可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方案的編制,進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算并定位制定管道位置,通過顯示軟件可以展示立體運(yùn)動(dòng)模型,通過軟件可以模擬運(yùn)動(dòng)路線,設(shè)計(jì)最優(yōu)化測(cè)試方案,經(jīng)軟件控制自動(dòng)執(zhí)行目標(biāo),數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理,最終全程自動(dòng)計(jì)算測(cè)試結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

整體系統(tǒng)具備完善的機(jī)械結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)超聲換能器的準(zhǔn)確定位運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)包括多個(gè)自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)單元以及測(cè)量單元,所有單元可實(shí)現(xiàn)局域組網(wǎng),通過終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)局域超控。在設(shè)備的運(yùn)動(dòng)可測(cè)量過程中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一體化,所有部分通過校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)同步,在系統(tǒng)以及控制單元系統(tǒng)的結(jié)合下,按照終端的方案設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)單元即換能器的定位,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位放置,超聲換能器可通過運(yùn)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)換能器的定位運(yùn)輸,如圖2所示。外徑測(cè)量系統(tǒng)由兩套傳感器系統(tǒng)組成,在測(cè)量管道外徑的同時(shí),實(shí)現(xiàn)管道平行軸線的定位,以此可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而且科學(xué)的測(cè)量基礎(chǔ)。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

2 外徑測(cè)量系統(tǒng)

圖3 外徑測(cè)量原理

在外徑測(cè)量中以微機(jī)核心處理器作為數(shù)字化處理核心器件,同時(shí)采用自研電磁感應(yīng)傳感器測(cè)量位移,直接反映了圓周外徑所對(duì)應(yīng)的L,通過三角函數(shù)計(jì)算,可以直觀得出對(duì)應(yīng)的R。經(jīng)過測(cè)試,此設(shè)計(jì)方案最高誤差可以達(dá)到0.1 mm,完全滿足方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。外徑測(cè)量系統(tǒng)除了傳感器的接入,還包括無(wú)線通信模塊、顯示模塊、測(cè)量校準(zhǔn)復(fù)位模塊。以單片機(jī)LPC824為核心處理器,通過對(duì)相關(guān)集成電路進(jìn)行通信控制,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,其中整套硬件電路還包括存儲(chǔ)器和電源處理部分,以及USB有線通信部分,還可對(duì)單個(gè)單元部分進(jìn)行本地化設(shè)置,包括地址編碼以及溯源測(cè)試。通過USB有線本地設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)管理員本地設(shè)置權(quán)限,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量單元的最高設(shè)置要求。設(shè)置下發(fā)的地址編碼通過EEROM的存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)于指定扇區(qū),每次系統(tǒng)上線將通過編制地址進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,本身具備無(wú)線通信的單元,可以通過無(wú)線抄送進(jìn)行本地組網(wǎng)。此功能的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)單元進(jìn)行系統(tǒng)化超控,超級(jí)終端進(jìn)行組網(wǎng)抄送時(shí)將下發(fā)廣播式命令,本地單元通過特定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳,終端系統(tǒng)通過地址識(shí)別相應(yīng)的外徑測(cè)量單元而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置,通過握手信息之后,單元測(cè)量模塊將通過上傳數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的立體化展現(xiàn),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化要求。系統(tǒng)可以通過手動(dòng)或者自動(dòng)(系統(tǒng)通信設(shè)置)完成對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)和復(fù)位,以便于日常測(cè)量的校準(zhǔn)以及系統(tǒng)的溯源,同時(shí)此系統(tǒng)配備雙外徑測(cè)量,保證了管道定位的準(zhǔn)確平行軸線,確保了超聲運(yùn)動(dòng)模塊在定位中的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

3 運(yùn)動(dòng)單元

系統(tǒng)具備全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)單元,可通過生成坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)換能器的自動(dòng)定位運(yùn)動(dòng)輸送。通過系統(tǒng)設(shè)置計(jì)算系統(tǒng)定位坐標(biāo),將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)包括外徑測(cè)量結(jié)果以及原點(diǎn)定位零點(diǎn),通過主機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位計(jì)算。運(yùn)動(dòng)單元通過設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歸零運(yùn)動(dòng),單元通過強(qiáng)磁性運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行鋼體表面吸附,通過驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。管道的吸附運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)大于270°的運(yùn)動(dòng)圓周角度,同時(shí)X軸的定位通過軸向的相對(duì)位移傳感器進(jìn)行,通過雙軸向驅(qū)動(dòng),最終形成了立體型圓周管道運(yùn)動(dòng)。圓周脈沖式光柵傳感器以及X軸定位傳感器可實(shí)現(xiàn)最小0.1 mm的定位精度,理論上實(shí)現(xiàn)0.1°圓周運(yùn)動(dòng)定位角度,可以很大程度上避免人為測(cè)量定位不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的人為誤差,解決了因人為操作所導(dǎo)致的超聲測(cè)量偏差。

此運(yùn)動(dòng)部分包括兩套系統(tǒng),分別為兩個(gè)超聲單元的載體部分,以實(shí)現(xiàn)外夾式超聲測(cè)量的形式要求。而運(yùn)動(dòng)則包括X軸和圓周運(yùn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)超聲探頭對(duì)于相對(duì)圓心角度位置以及相對(duì)直線距離的定位計(jì)算。對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng),通過脈沖式光柵傳感器進(jìn)行步距角實(shí)現(xiàn),其換算的基礎(chǔ)主要基于第二部分外徑測(cè)量單元的測(cè)量結(jié)果,通過外徑測(cè)量部分對(duì)于外徑的實(shí)際測(cè)算進(jìn)而結(jié)合光柵圓周步距角的換算,最終得出最小光柵步距所代表的最小圓周角度。通過光柵圓周脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)單圓周運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的相應(yīng)角度關(guān)系,通過立體換算、多平面的結(jié)合,最終實(shí)現(xiàn)相對(duì)圓心角度多對(duì)應(yīng)的相對(duì)角度。由于被測(cè)管道的管徑不一,所以圓周運(yùn)動(dòng)中必須克服隨機(jī)管道直徑所能適應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此,在設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中,需存在彈性的伸縮裝置。通過彈性的伸縮裝置實(shí)現(xiàn)不同外徑的外夾式調(diào)整,但是由于1套系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有4套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),因此在彈性裝置中分別加入準(zhǔn)確的角度外夾裝置,以同步化4套機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)步距,最終實(shí)現(xiàn)4套系統(tǒng)的同步性,以此保證在圓周相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的相對(duì)角度誤差。

除圓周相對(duì)運(yùn)動(dòng)外,同時(shí)存在軸向X軸運(yùn)動(dòng)。X軸的運(yùn)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于相對(duì)位置的X軸距離定位,即對(duì)于探頭相對(duì)直線位置的定位計(jì)算,此部分主要通過精密絲桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)單元的運(yùn)動(dòng)。精密絲桿的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)即為相對(duì)換算運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)單元距離,此方向在運(yùn)動(dòng)之前需設(shè)定原點(diǎn)位置,同時(shí)必須保證兩個(gè)單元的原點(diǎn)為絕對(duì)一致。因此,在設(shè)計(jì)加工絲桿的相對(duì)位移尺中必須設(shè)計(jì)加入一套相對(duì)電子尺,此部分采用容柵尺作為測(cè)量載體。在操作使用前,通過對(duì)于容柵尺動(dòng)子的相對(duì)位移定位,實(shí)現(xiàn)對(duì)于原點(diǎn)的確定,通過單位容柵位移定位裝置實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移的運(yùn)動(dòng)定位。在運(yùn)動(dòng)過程中通過原點(diǎn)定位結(jié)合電機(jī)步距角的相對(duì)測(cè)算,實(shí)現(xiàn)X軸相對(duì)定位,此單元也如其他所有測(cè)量單元一樣,具備無(wú)線組網(wǎng)硬件條件,通過本身地址的編制以及運(yùn)動(dòng)方案的下發(fā)設(shè)置,終端可以通過系統(tǒng)的協(xié)議命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)其相對(duì)位移的超控,在終端可視化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移的可視化效果,同時(shí)可以通過終端編輯系統(tǒng)手動(dòng)或者自動(dòng)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)此單元的自動(dòng)化定位行走。

運(yùn)動(dòng)單元控制電路,如圖4所示。除了基本的機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),主要由驅(qū)動(dòng)部分、定位傳感器、通信結(jié)構(gòu)、數(shù)字控制部分等組成,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信,系統(tǒng)控制中同時(shí)結(jié)合PID控制算法,在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性以及精度上得以最大限度地保證,硬件控制電路主要以STM32F030為核心MCU,通過PWM控制驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng),相對(duì)的運(yùn)動(dòng)距離通過相應(yīng)的位移傳感器進(jìn)行定位,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)式控制定位。

圖4 運(yùn)動(dòng)單元控制電路

4 結(jié)語(yǔ)

此系統(tǒng)通過一系列的軟硬件設(shè)計(jì)以及機(jī)械化運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),結(jié)合系統(tǒng)軟件的配套和數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波流量計(jì)換能器的定位傳送,改變了以往人為手工測(cè)算和安裝的現(xiàn)狀,從理論上實(shí)現(xiàn)了以往依靠經(jīng)驗(yàn)操控檢測(cè)設(shè)備過渡到數(shù)字化檢測(cè)的進(jìn)步,很大程度上提升了以往依靠人為經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備的優(yōu)越性才能完成的測(cè)量精度。通過系統(tǒng)終端對(duì)傳感器以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組網(wǎng)、可視化系統(tǒng)以及數(shù)字化的展示,實(shí)現(xiàn)了大口徑流體測(cè)量的科學(xué)性、合理性,對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備以及自動(dòng)化測(cè)試流程對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)說更加科學(xué),同時(shí)采用此設(shè)備可以對(duì)相同條件下的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比,可以很大程度上降低設(shè)備采購(gòu)成本,更加科學(xué)地實(shí)現(xiàn)了對(duì)使用者成本的控制,對(duì)于測(cè)量設(shè)備而言,減少了人為計(jì)算誤差和操作誤差。