CN112945156A - 基于超声波在线壁厚监测的试验装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声波在线壁厚监测的试验装置及系统。该装置包括：发射端超声波探头、接收端超声波探头，以及与发射端超声波探头及接收端超声波探头均连接的时间测量电路，且在测量中，发射端超声波探头与接收端超声波探头分别通过固定机构固定在管壁外侧。本发明提供的基于超声波在线壁厚监测的试验装置及系统能够利用超声波对输气管道的管壁厚度进行实时监测。

Description

基于超声波在线壁厚监测的试验装置及系统

技术领域

本发明涉及天然气传输技术领域，特别是涉及一种基于超声波在线壁厚监测的试验装置及系统。

背景技术

建立完善的现场腐蚀监测平台是保障集输站场内关键设备服役安全的重要手段。传统的管道腐蚀监测方法从原理上可分为物理测试、电化学测试、化学分析，需要根据不同的应用领域选择合适的方法，例如腐蚀试片法应用简单，但是要长期测量进行统计分析，必要时还需要改造管道，不仅结果不具实时性，而且对管道运行安全带来了隐患；例如电阻法、电感法以及其他电化学方法，需要对管道进行改造进行检查，而且需要介质具有电导性，适用面有一定限制；超声波检测等无损检测方法，无需对管道进行改造，对管道输送介质没有要求，适用范围广，测量结果直接，具有较好的实时性。因此，开展在线超声测厚以及实时监测研究，开发基于超声波的管道无线多通道超声测厚装置及其系统，融合多通道超声测厚技术、无线传感器网络技术，可以实现场站管道关键设备关键部位的360°全覆盖壁厚自动监测。

2015年河北科技大学采用自制的手动触发信号电路、超声波激励电路，以及双晶超声波换能器、直流稳压电源和数字示波器作为系统的主要部件，以圆钢锅和钢块作为测量对象，机油作为介质搭建了超声波隔油测厚实验平台。其结合算法利用超声波测厚原理获得了不同高度油介质下圆钢锅和钢块的厚度值，测量误差在0.32mm以下。但其试验台较难推广至油田实际生产设备的厚度监测中。

2015年北京工业大学对管径为100mm的管道进行了超声波测厚试验台的搭建。其以MAXIM公司的MAXQ7667发射电路作为基础器件，并利用MAX6675K型热电偶数字转换器获得温度补偿功能，能够实现对不同温度下管道超声测厚数据的补偿。但其试验台获得的测厚数据仅能够本地存取，难以进行网络数据的整合以及综合分析。2017年俄罗斯的VitaliyPronin等搭建了基于线性扫描相控阵雷达的超声波测厚试验台。该试验台采用相控阵天线阵列实现了管壁及焊接处的连续超声测厚功能，并可利用搭建的软件实现管壁厚度图象的生成。2018年中国石油大学(华东)针对油田设备搭建了超声在线腐蚀监测试验台。其针对特定设备制作了特殊的安装夹具，并采用导波结构实现了腐蚀监测系统的热缓冲。该试验台分别对系统的各部分组成电路进行细致的研究设计，并实现了监测数据远程存储功能。但其试验台主要针对特定设备特定位置的微小区域监测，未能实现360°全覆盖的腐蚀监测。2020年电子科技大学采用超声波脉冲反射原理，搭建了油气管道误差补偿防振超声测厚试验台，该试验台可用于油气管道受冲蚀、腐蚀的关键部位的监测。其对管道壁厚的测厚精度可达0.1mm。该试验台能够实现四路通道的超声信号采集，并采用神经网络补偿模型和线性回归补偿模型对壁厚测量数据进行补偿。

根据基于超声波壁厚测量的远程监测技术研究任务书要求，需建立天然气管道设施超声波壁厚定点实时测量远传装备1套、开发监测分析评价软件1套，技术指标为壁厚测量精度0.1mm；适用温度范围为-30～70℃。为验证所设计的超声波壁厚定点实时测量远传装备的各项功能及技术指标能否达到项目要求，需搭建超声波壁厚监测远传试验台进行实际检验，以测试装备各项功能是否满足设计目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于超声波在线壁厚监测的试验装置及系统，能够利用超声波对输气管道的管壁厚度进行实时监测。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超声波在线壁厚监测的试验装置，所述装置包括：发射端超声波探头、接收端超声波探头，以及与发射端超声波探头及接收端超声波探头均连接的时间测量电路，且在测量中，发射端超声波探头与接收端超声波探头分别通过固定机构固定在管壁外侧。

在一些实施方式中，发射端超声波探头及接收端超声波探头均包括：超声波直探头、导波杆、探头保护壳。

在一些实施方式中，在探头保护壳壁上开有一组对称螺纹通孔，在探头保护壳壁底部开有方形槽，导波杆由方形槽底部穿入保护壳壁，由对称螺纹通孔上的螺栓夹紧力实现导波杆与超声波探头的固定。

在一些实施方式中，超声波探头装入保护壳内，探头顶部套入压力弹簧。

在一些实施方式中，保护壳盖与保护壳之间为螺纹连接，通过调节保护壳盖旋入距离，可控制压力弹簧压紧力。

在一些实施方式中，还包括：脉冲发射电路，连接至发射端超声波探头，由压电效应激发发射端超声波探头；高压电路，连接至脉冲发射电路，产生高压脉冲；单片机控制电路，连接至高压电路及时间测量电路，发射用来触发超声波发射的触发脉冲。

在一些实施方式中，还包括：限幅电路，连接至接收端超声波探头，对超声波探头的接收信号进行限幅；信号放大电路，连接至限幅电路，对经过限幅处理的接收信号进行放大；滤波电路，连接至信号放大电路，对经过放大处理的接收信号进行噪声滤除；检波电路，连接至滤波电路，对超声波电信号进行峰值包络检波处理；电压比较电路，同时连接至检波电路及时间测量电路，确定接收到回波信号的时间。

在一些实施方式中，还包括：无线数据传输模块，连接单片机控制电路，将由时间测量电路测量得到的管壁厚度进行远程传输。

此外，本发明还提供了一种基于超声波在线壁厚监测的试验系统，包括：设置在天然气传输管道线程的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，以及设置的远端的云服务器，基于超声波在线壁厚监测的试验装置为根据前文所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明提供的基于超声波在线壁厚监测的试验装置及系统能够实现对输气管道壁厚的实时监测。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是超声波壁厚在线监测系统试验台示意图；

图2是超声波测厚监测系统电路结构框图；

图3是超声波探头组件的固定装置示意图；

图4是超声波探头组件的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

搭建超声波壁厚监测远传试验台，对所设计装备各组成部分进行分离功能测试实验、整体调试实验及管壁测厚实验等，可以实现对获得的各项指标进行分析，为完善和优化系统设计、按技术要求进行超声波管道壁厚在线监测的目标打下坚实的基础，对于保障管道的服役安全具有重要的意义。

试验台配备有完善的网络、电源设备，采用多通道超声测厚技术、无线传感器网络技术等先进技术，在30～70℃的温度条件下可实现测量精度为0.1mm的超声波管道壁厚在线实时监测，能够进行超声壁厚在线监测系统的分离功能测试实验、整体调试实验、管壁测厚实验、测厚数据远传实验等多项重要实验，并可依托云平台完成超声测厚数据的整理分析，具有国内领先的技术水平。本壁厚监测试验台具有较为广阔的应用前景。试验台融合多通道超声测厚技术和无线传感器网络技术等先进技术，能够对场站管道关键设备关键部位进行360°全覆盖壁厚自动监测。利用网络平台可以对监测获得的数据进行分析整合，进而判断设备腐蚀情况做出相应处理，相比逐一检测大大提高了监测效率。根据现场的实际情况，对壁厚监测试验台的部分结构及功能进行一定的调整优化，可以实现对不同环境下，不同设备和不同部位的360°全覆盖壁厚监测功能，具有较强的实用性和通用性，对其他管道公司、院校和科研机构的超声壁厚监测试验台设计有着较好的参考和借鉴意义。

一、设计标准和依据

GB/T 11344-2008无损检测-接触式超声脉冲回波法测厚方法

二、功能设计

本超声波壁厚监测远传试验台可开展以下实验：

1、超声波信号发射测试实验：本测试可以对由单片机控制、经脉冲发射电路、高压电路、超声换能器及探头等组成的超声波信号发射系统进行功能性检验。编程后的单片机控制电路发射触发脉冲，脉冲通过反相器进行反向驱动，反向后的脉冲控制场效应管的关断。当未触发脉冲时，发射电路对电容进行充电；当触发脉冲后，在与电路末端相连的超声探头两端产生高压脉冲，由压电效应激发超声波。在发射电路末端将超声探头替换为示波器，对示波器所示波形与设计波形进行对比，可验证超声波信号发射功能是否满足需求。

2、超声波信号接收测试实验：本测试可以对由超声波探头及换能器、限幅电路、信号放大电路、滤波电路、检波电路等组成的超声波信号接收系统进行功能性检验。超声波在管道外壁经过折射及反射后，通过导波杆射入接收探头，经超声换能器逆压电效应转换为电信号，经LC滤波电路降低噪音强度、增大信号的信噪比，经检波电路对超声波电信号进行峰值包络检波处理，将高频回波信号转换为较低频率的信号。在检波电路末端连接示波器，对示波器所示波形与设计波形进行对比，可验证超声波信号接收功能是否满足需求。

3、超声波信号时间测量实验：本测试可以对从发射电路和接收电路获得的时间信号进行计量，进而检验管道壁厚测量准确性。超声波电信号从发射电路和接收电路经整形、比较等处理，分别进入时间测量电路，在时间测量电路中，通过转换得到时间方波信号，经高频晶振计数得到脉冲个数，再经换算可得时间长度及管壁厚度。将超声测厚系统测量值与实际测量值进行比较，获得系统测量准确性判断。

4、管道壁厚动态减薄测试实验：本测试可以对超声测厚系统动态监测能力进行检验。在管道壁厚定点监测系统工作过程中，使用砂轮对待测管道内壁进行减薄，对时间测量差值进行监测，比较减薄前后时间测量差值的变化情况，与实际测量变化进行对比，检验测厚系统动态监测的准确性和及时性。

5、管道壁厚数据远程通信测试实验：本测试可以对由单片机系统、GSM通信模组、GSM基站等组成的管道壁厚数据远程传输系统进行功能性检验。单片机从时间测量电路读取时间差信号并处理后，将其传输至GSM通信模组。通过GSM通信模组及其天线将数据输出至GSM基站，由GSM基站传输至云平台进行数据的存储和分析，再经云平台返回响应数据，实现超声波管壁测厚数据的远程通信功能。将云平台数据与实际测量值进行比较，获得管道壁厚数据远程传输准确性判断。

三、设备选型

选用以下设备进行试验台搭建：

1、24英寸(610mm)管径，2m管长碳素钢材料天然气管道，两端半密封：用以模拟长输天然气管道工作状态。

2、MSP430F149低功耗单片机系统：用以实现超声波信号的收发控制和数据远程传输控制。

3、2.5MHz、Φ20mm超声波直探头：用以实现超声波电信号与声信号的相互转换。

4、40mm长、15mm宽、1mm厚不锈钢导波杆：用以在探头和长输管壁之间传导超声波，并防止长输管道的高温损坏超声波探头及其它设备。

5、KXN-305DM可调直流稳压电源：用以提供各电路所需电流。

6、AMS1117稳压电源芯片：对电源电压进行降稳压，以匹配各电路所需电压。

7、74HC14六相施密特反相器：对脉冲发射电路的波形进行调整，使其更加适宜脉冲产生，并适当提高信噪比。

8、VN2410L金属-氧化物半导体场效应晶体管：作为脉冲发射电路的高速开关，利用击穿电压作为电路通断的开关。

9、TL494电源管理芯片：作为升压电路的主芯片，为超声波换能器提供足够的电压。

10、OPA846IDBVT电压反馈运算放大器：作为前置放大器，实现微弱回波信号的放大。

11、VCA810可变增益放大器：作为可变增益放大器，实现不同回波信号的稳定幅值输出。

12、Butterworth滤波器：作为滤波电路的主要部件，提高处理后回波信号的信噪比。

13、1N60检波二极管：作为检波电路的主要部件，实现对回波信号的包络处理。

14、TLV3501施密特触发器：对回波信号进行整形，并输出TTL电平信号。

15、EPM570T100C5N芯片及CPLD复杂可编程逻辑器件：用以接收TTL电平信号，并通过其上的有源晶振进行计数，实现对超声信号的时间测量。

16、SIM800A远程通信模块：用以进行超声测厚系统与云平台间的通信，实现将时间测量数据发送至云平台存储分析的功能。

17、DN40大功率工程加热管：对长输管道内介质进行加热，模拟长输管道实际工况。

18、其它设备及固定结构根据设计需求选用、加工。

四、展示方案

根据超声波壁厚在线监测设计方案，对超声波壁厚监测远传试验台设计如图1所示。

参见图1，该试验台主要由长输管道模型、管道固定结构、超声波探头组件、超声波收发电路系统、远程通信系统等部分组成。

图2是超声波测厚监测系统电路结构框图。如图2所示，在超声波收发电路系统中，又可细分为实现超声波信号的收发控制和数据远程传输控制的单片机控制电路、产生DC-DC升压效果，为超声波换能器提供所需高压的高压电路、通过场效应管击穿效果实现超声波窄脉冲信号产生的脉冲发射电路、通过前置放大器和可变增益放大器实现稳定信号幅值输出的限幅及信号放大电路、通过过滤干扰信号实现信噪比提高的滤波电路、通过回波包络处理实现信号易于处理的检波电路、以及通过有源晶振实现收发信号时差计量的时间测量电路。

图3及图4超声波探头组件及固定装置示意图

图3及图4为超声波探头组件及固定装置示意图。使用上下两个柱型夹具通过四组螺栓固定于长输管道外壁。在上夹具中央有一带有两个圆通孔的凸台结构，凸台两侧开有两方形槽用于将导波杆插入上夹具，该凸台与其两侧的固定夹板由两组螺栓紧固，起到固定导波超声探头组件的作用。

超声探头组件主要由超声波直探头、导波杆、探头保护壳等组成。在探头保护壳壁上开有一组对称螺纹通孔，在探头保护壳壁底部开有方形槽，导波杆由方形槽底部穿入保护壳壁，由对称螺纹通孔上的螺栓夹紧力实现导波杆与超声波探头的固定。超声波探头装入保护壳内，探头顶部套入压力弹簧。保护壳盖与保护壳之间为螺纹连接，通过调节保护壳盖旋入距离，可控制压力弹簧压紧力，达到既使超声波探头与导波杆紧密接触易于导波，又防止压力过大损坏探头底部晶片的作用。

五、施工与布置

超声波壁厚监测远传试验台施工及布置方案如下：

1、对长输管道模型、管道凹面底座、管道夹具、导波杆、探头保护壳等进行加工、制作。

2、长输管道模型到位后，放于凹面底座上，实现长输管道固定。

3、将长输管道上下夹具夹持于管壁，使用螺栓固定。

4、将导波杆插入上夹具的方形槽中，使用固定夹板夹紧导波杆与上夹具，使用螺栓固定。

5、将探头保护壳套入导波杆顶端适当位置，使用螺栓固定。

6、将超声波探头装入保护壳，并套入压力弹簧，旋拧保护壳盖至指定高度，使弹簧压紧力适当。

7、在长输管道模型端面安装加热管。

8、将超声波探头连入超声测厚电路，并将系统各电路连接完整。

9、向长输管道模型注入介质，完成施工布置。

六、保障

根据超声波壁厚监测远传试验台设计方案，对保障部分有如下要求：

1、应保障有0.8m3以上长输管道模型的填充介质易于取得，以确保长输管道模型实际工况模拟的准确性。

2、应保障220V标准交流电的全天候供应，且供电线路的单独供电能力应达到3kW以上、总供电能力应达到4kW以上，以确保大功率加热管、可调直流稳压电源以及壁厚监测系统各电路等用电设备的正常运行。

3、应保障试验台所处位置能够充分覆盖GSM网络，且网络传输速度大于10Mbps，网络延迟小于100ms，以确保测厚数据远程传输过程的正常进行。

4、室内面积需在30平米左右，实验用管道较重，对室内的承重要求较高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，包括：发射端超声波探头、接收端超声波探头，以及与发射端超声波探头及接收端超声波探头均连接的时间测量电路，且在测量中，发射端超声波探头与接收端超声波探头分别通过固定机构固定在管壁外侧。

2.根据权利要求1所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，发射端超声波探头及接收端超声波探头均包括：超声波直探头、导波杆、探头保护壳。

3.根据权利要求2所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，在探头保护壳壁上开有一组对称螺纹通孔，在探头保护壳壁底部开有方形槽，导波杆由方形槽底部穿入保护壳壁，由对称螺纹通孔上的螺栓夹紧力实现导波杆与超声波探头的固定。

4.根据权利要求3所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，超声波探头装入保护壳内，探头顶部套入压力弹簧。

5.根据权利要求4所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，保护壳盖与保护壳之间为螺纹连接，通过调节保护壳盖旋入距离，可控制压力弹簧压紧力。

6.根据权利要求1所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，还包括：

脉冲发射电路，连接至发射端超声波探头，由压电效应激发发射端超声波探头；

高压电路，连接至脉冲发射电路，产生高压脉冲；

单片机控制电路，连接至高压电路及时间测量电路，发射用来触发超声波发射的触发脉冲。

7.根据权利要求1所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，还包括：

限幅电路，连接至接收端超声波探头，对超声波探头的接收信号进行限幅；

信号放大电路，连接至限幅电路，对经过限幅处理的接收信号进行放大；

滤波电路，连接至信号放大电路，对经过放大处理的接收信号进行噪声滤除；

检波电路，连接至滤波电路，对超声波电信号进行峰值包络检波处理；

电压比较电路，同时连接至检波电路及时间测量电路，确定接收到回波信号的时间。

8.根据权利要求1所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，其特征在于，还包括：

无线数据传输模块，连接单片机控制电路，将由时间测量电路测量得到的管壁厚度进行远程传输。

9.一种基于超声波在线壁厚监测的试验系统，包括：设置在天然气传输管道线程的基于超声波在线壁厚监测的试验装置，以及设置的远端的云服务器，基于超声波在线壁厚监测的试验装置为根据权利要求1至8任意一项所述的基于超声波在线壁厚监测的试验装置。

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