CN106556362A - 一种地下储气井钢管壁厚检测装置 - Google Patents

Abstract

一种地下储气井钢管壁厚检测装置，系统电路主要由超声波发射激励和电源变换单元、时间差测量单元、单片机控制和数据处理单元组成。该壁厚检测装置结构紧凑、体积小、重量轻、成本低、精度高、使用方便，较好地满足了地下储气井现场检修探测的技术要求。

Description

一种地下储气井钢管壁厚检测装置

技术领域

本发明涉及一种地下储气井钢管壁厚检测装置，适用于地下储气井现场检修探测领域。

背景技术

随着社会的发展和工业技术水平的不断进步，CNG地下高压储气井是近年来迅速发展起来的一种全新的安全储气方式，现已成为国内CNG加气站的首选。SY／T6535—2002《高压气地下储气井》行业标准规定设计使用寿命为25年，全面检测周期为6年，必须定期进行井管的无损探伤和测厚检测。由于天然气中残留的水分和硫化物的影响，地下储气井在运行一段时间后钢管管壁会出现“湖型”或“锥型”的腐蚀凹坑损伤，使管壁变薄而影响高压储气井的安全运行，相关企业利用多种现有的包括漏磁检测(MFL)和超声波探伤(UT)等设备进行现场检测效果都不太如意，目前，还未能有一种比较成熟的检测方法和方便实用的检测设备应用于生产实践中。项目在与企业合作研制CNG地下高压储气井检测装置设备时，设计研发了这款基于“回旋式自动悬浮超声波探头”的地下钢管腐蚀损伤检测装置，较好地满足了项目研发的技术要求。

发明内容

本发明提供一种地下储气井钢管壁厚检测装置电路，以MSP430单片机为核心开发研制的CNG地下高压储气井专用检测装置设备样机具有体积小、重量轻、成本低、精度高、使用方便的特点，较好地满足了地下储气井现场检修探测的技术要求。

本发明所采用的技术方案是：方案采用在MSP430单片机控制下的高精度时间间隔测量芯片TDC—GP2实现技术要求；系统电路主要由超声波发射激励和电源变换单元、时间差测量单元、单片机控制和数据处理单元组成。

CNG地下高压储气井专用检测装置基于超声波脉冲时差法的检测原理，利用回旋式自动悬浮超声波探头对地下井钢管内管壁进行非接触回旋扫描检测。用系缆将超声波检测探头装置放置到储气井底部，然后，在进行回旋扫描的同时利用匀速提升机构将检测装置缓慢提升，从而实现对整个地下储气井管壁的螺旋式扫描检测，并可对腐蚀损伤部位精确定位。为确保回旋检测装置的顺利运行，超声波发射和接收探头与钢管检测面保持了5～10 mm的间距(在安装超声波聚焦探头时，调节使之焦点落在管壁厚度的2/3处为宜)。对称地设置两组超声波收发探头，可以提高检测速度，其中检测装置选用GE公司的IR—Gamma专用水浸聚焦直探头。

所述地下储气井钢管壁厚检测装置中的超声波发射激励和电源变换单元，为控制系统和信号处理系统提供+5 V和±12 V电源，由LM2596—5.0承担，其主路输出+5 V/2A电源供单片机等数字系统使用，将其储能电感改用5026—47H环形功率电感，并在其上增加两个辅助绕组，经整流、滤波和LM78L12三端稳压IC后产生±12 V/0.1A直流电源供信号处理系统使用；超声波发射采用高压脉冲激励方式，+200～300 V激励电压由+24 V供电电压经简单的Boost升压电路获得，利用单片机送来的1 ms周期、5us脉宽脉冲信号控制MOSFET开关管实现对超声波发射探头的激励，储能电感选用TDK—NL565050T一822J—PF(8.2 mH)贴片电感，NM0S开关管选用2N60。超声波激励及电源变换电路激励脉冲会在接收探头中产生一个较大的谐振频率为5 MHz、大约5个周期的串扰信号，因此接收电路设计了一个对发射激励脉冲延迟6us、持续30us的使能控制信号，控制接收放大处理电路仅在使能信号有效期间实现回波信号的放大和输出，使之能够在钢管内壁和外壁反射的一次，二次回波信号到来之前有效地消除激励脉冲串扰的影响。

所述地下储气井钢管壁厚检测装置中的时间差测量单元包括前级放大电路和时差测量电路。装置中采检测用的TDC—GP2一般用于超声波流量计、激光测距仪的时间间隔测量、频率和相位信号分析等高精度测试领域。在这些应用中输入信号一般都较强，经简单处理后即可作为TDC—GP2的START、STOP控制信号使用，而该检测装置的超声波回波信号尤其是多次反射回波信号非常微弱且杂波较大(实测回波信号大约在mV数量级)，必须经高增益宽带放大器放大和滤波、检波、整形处理后才能胜任。宽带放大器由AD604承担，可获得6～54 dB的增益并可由VGN端电压连续控制，可较好地满足超声波回波信号高速高增益放大的要求。考虑到仅需将回波信号放大处理后形成STOP控制脉冲即可，故电路仅利用可调电阻对2.5V基准电压(由TL431产生)分压获得的VGN电压进行增益设定，但设计电路亦有预留接口可用于接受经单片机和DAC输出的AGC控制电压，实现增益的闭环控制。

回波信号时差测量选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC—GP，利用内部ALU单元计算出时间间隔，并送人结果寄存器保存。TDC—GP2基于内部的硬件电路测量“传输延时”，以信号通过内部门电路的传输延迟来实现高精度时间间隔测量，测量分辨率可达pS数量级，可以很好满足项目测量的要求。单片机在给超声波传感器提供发射激励脉冲的同时给TDC—GP2提供START信号指令使之开始计时工作，超声波接收头接收到的反射回波信号经放大、处理后作为STOP指令信号，由TDC—GP2完成两次反射波时间间隔的测量。

所述地下储气井钢管壁厚检测装置中的信号处理单元由带通滤波器电路构成，选用由MAX4104构成，设计中心频率为5MHz，带宽约为1 MHz；钳位和检波由AD8036完成，具有卓越的钳位性能和精度高、恢复时间短、非线性范围小、频带宽的特点，检波输出信号的整形处理由MAx9141负责，这是一款具有锁存使能和器件关断功能的高速比较器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和满摆幅输入特性等，回波信号经其整形处理后可获得理想的脉冲前沿，并便于与TTL逻辑电平接口，还可以方便地实现回波信号输出的使能控制。

所述地下储气井钢管壁厚检测装置中的单片机接口电路利用TDC—GP2与单片机进行通信，通信方式为四线串行通信(SPI)，利用MSP430的4个P2.x和P4.2I/0口实现GP2的选通、中断和开始、结束使能以及复位等控制功能。MSP430除用来对GP2控制和数据处理外，还可以留出一些资源实现设备其他电路和动作机构的控制使用。

本发明的有益效果是：以单片机MSP430为核心开发研制的CNG地下高压储气井专用检测装置设备样机具有体积小、重量轻、成本低、使用方便和可提供高质量、高精度，定点、定量检测结果的特点，可以方便地应用于现场维修检测工作中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的激励电路。

图2是本发明的电源转变电路。

图3是本发明的ADC前级放大电路。

图4是本发明的时差测量电路。

图5是本发明的信号调理电路。

图6是本发明的单片机接口电路。

图1中，Q1为三极管，U1E、U1A、U1C为积分器74LS14，AR1为电位器。

图2中，U2为稳压芯片LM2596，U3为稳压芯片L78L12, U4为MC79L12。

图5中：U1为MAX9141、U2为AD8036、U3为MAX4104。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2，其主路输出+5 V/2A电源供单片机等数字系统使用，将其储能电感改用5026—47址H环形功率电感，并在其上增加两个辅助绕组，经整流、滤波和LM78L12三端稳压IC后产生±12 V/0.1A直流电源供信号处理系统使用；超声波发射采用高压脉冲激励方式，+200～300 V激励电压由+24 V供电电压经简单的Boost升压电路获得，利用单片机送来的1 ms周期、5us脉宽脉冲信号控制MOSFET开关管实现对超声波发射探头的激励，储能电感选用TDK—NL565050T一822J—PF(8.2 mH)贴片电感，NM0S开关管选用2N60。超声波激励及电源变换电路激励脉冲会在接收探头中产生一个较大的谐振频率为5 MHz、大约5个周期的串扰信号，因此接收电路设计了一个对发射激励脉冲延迟6us、持续30us的使能控制信号，控制接收放大处理电路仅在使能信号有效期间实现回波信号的放大和输出，使之能够在钢管内壁和外壁反射的一次，二次回波信号到来之前有效地消除激励脉冲串扰的影响。

如图3，该检测装置的超声波回波信号尤其是多次反射回波信号非常微弱且杂波较大(实测回波信号大约在mV数量级)，必须经高增益宽带放大器放大和滤波、检波、整形处理后才能胜任。宽带放大器由AD604承担，可获得6～54 dB的增益并可由VGN端电压连续控制，可较好地满足超声波回波信号高速高增益放大的要求。考虑到仅需将回波信号放大处理后形成STOP控制脉冲即可，故电路仅利用可调电阻对2.5V基准电压(由TL431产生)分压获得的VGN电压进行增益设定，但设计电路亦有预留接口可用于接受经单片机和DAC输出的AGC控制电压，实现增益的闭环控制。

如图4，回波信号时差测量选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC—GP，利用内部ALU单元计算出时间间隔，并送人结果寄存器保存。TDC—GP2基于内部的硬件电路测量“传输延时”，以信号通过内部门电路的传输延迟来实现高精度时间间隔测量，测量分辨率可达pS数量级，可以很好满足项目测量的要求。单片机在给超声波传感器提供发射激励脉冲的同时给TDC—GP2提供START信号指令使之开始计时工作，超声波接收头接收到的反射回波信号经放大、处理后作为STOP指令信号，由TDC—GP2完成两次反射波时间间隔的测量。

如图5，信号处理单元由带通滤波器电路构成，选用由MAX4104构成，设计中心频率为5MHz，带宽约为1 MHz；钳位和检波由AD8036完成，具有卓越的钳位性能和精度高、恢复时间短、非线性范围小、频带宽的特点，检波输出信号的整形处理由MAx9141负责，这是一款具有锁存使能和器件关断功能的高速比较器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和满摆幅输入特性等，回波信号经其整形处理后可获得理想的脉冲前沿，并便于与TTL逻辑电平接口，还可以方便地实现回波信号输出的使能控制。

如图6，单片机接口电路利用TDC—GP2与单片机进行通信，通信方式为四线串行通信(SPI)，利用MSP430的4个P2.x和P4.2I/0口实现GP2的选通、中断和开始、结束使能以及复位等控制功能。MSP430除用来对GP2控制和数据处理外，还可以留出一些资源实现设备其他电路和动作机构的控制使用。

Claims (9)

1.一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述的地下储气井钢管壁厚检测装置主要由超声波发射激励和电源变换单元、时间差测量单元、单片机控制和数据处理单元组成。

2.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述超声波发射激励电路为控制系统和信号处理系统提供+5 V和±12 V电源，其主路输出+5 V/2A电源供单片机等数字系统使用，±12 V/0.1A直流电源供信号处理系统使用。

3.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述的电源变换单元采用高压脉冲激励方式，+200～300 V激励电压由+24 V供电电压经简单的Boost升压电路获得，利用单片机送来的1 ms周期、5us脉宽脉冲信号控制MOSFET开关管实现对超声波发射探头的激励。

4.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述时间差测量单元包括前级放大电路和时差测量电路。

5.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述前置放大器电路中宽带放大器由AD604承担，可获得6～54 dB的增益并可由VGN端电压连续控制，可较好地满足超声波回波信号高速高增益放大的要求。

6.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述前置放大器电路利用可调电阻对2.5V基准电压(由TL431产生)分压获得的VGN电压进行增益设定，亦有预留接口可用于接受经单片机和DAC输出的AGC控制电压，实现增益的闭环控制。

7.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述时差测量电路选用德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC—GP，利用内部ALU单元计算出时间间隔，并送人结果寄存器保存。

8.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述时差测量电路中，单片机在给超声波传感器提供发射激励脉冲的同时给TDC—GP2提供START信号指令使之开始计时工作，超声波接收头接收到的反射回波信号经放大、处理后作为STOP指令信号，由TDC—GP2完成两次反射波时间间隔的测量。

9.根据权利要求1所述的一种地下储气井钢管壁厚检测装置，其特征是：所述信号处理单元由带通滤波器电路构成，选用由MAX4104构成，设计中心频率为5MHz，带宽约为1 MHz；钳位和检波由AD8036完成。