CN1444027A - 一种超声波管外压力检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波管外压力检测装置及方法，包括基于ISA总线插在工业控制机底板插槽的超声波收发卡和数据采集卡，将超声波直换能器的TRA、TRB成180°垂直安装在外管壁上，在工业控制机的控制下，只由超声波直换能器的TRA发射超声波信号，TRA、TRB分别接收回波—穿透超声波信号，并送入数据采集卡的A/D输入端，通过工业控制机进行分析处理，完成时差、压力的计算。本发明首次把数据采集技术应用在超声波压力测量上，并用数字信号处理方法使时差成为一个统计量，克服了超声波回波波移量法管外测压测量精度差、刷新速度慢的缺点，提高了测量精度和速度。

Description

一种超声波管外压力检测装置及方法

一、技术领域

本发明涉及一种超声波管外压力检测装置及方法，特别涉及一种小管径管外压力检测装置及方法。

二、背景技术

非介入式压力测量研究处在不成熟、探索阶段，出现了应力传感法、超声波回波波移量法两种方法。应力传感法是根据液体压力作用下金属管道径向产生弹性变形的基本原理，通过检测管道外径微小变形量即可解算出管道内部工作压力，这种测压方法的灵敏度、精度等指标都很低；超声波回波波移量法是第二炮兵工程学院的首创，它根据压力变化引起流体声速变化这一物理特性，利用超声波探头作为传感元件，超声波探头发射并接收反射回波，通过检测回波信息受流体压力变化的影响来测试流体压力的变化，该方法忽略了温度的影响，建立了回波波移量与压力变化值之间的线形关系，因此只能够定性地反映较粗管道(如液压缸)内压力的变化，并且其测时分辨率有限，测量精度较低，无法实现定量测量，不适于小管径测量。

三、发明内容

本发明的一个目的在于提供一种检出率高、运行稳定、操作简便、测量精度高、实时性好的超声波管外压力检测装置。

本发明的另一个目的是提供实现上述装置的检测方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括基于ISA总线插在工业控制机底板插槽的超声波收发卡和数据采集卡，所说的超声波收发卡包括振荡电路、升压电路、超声波脉冲发射电路、同步触发控制电路、超声波直换能器、增益控制电路和信号调理电路；振荡电路的输出端与升压电路的输入端相连，升压电路的输出端与超声波脉冲发射电路的一输入端相连，同步触发控制电路的输出端与超声波脉冲发射电路的另一输入端相连，超声波脉冲发射电路的输出端与超声波直换能器的TRA、TRB相连，超声波直换能器的TRA、TRB分别与信号调理电路的一输入端相连，增益控制电路的输出端与信号调理电路的另一输入端相连，信号调理电路的输出端通过信号线与数据采集卡的A/D输入端连接；数据采集卡包括两路A/D单元、两路数据缓冲单元、两路32KSRAM单元、地址发生器、数据缓冲器和A/D及读写进序控制单元，两路A/D单元的输出端分别与两路数据缓冲单元的输入端相连，两路数据缓冲单元的输出端分别与两路32KSRAM单元的另一输入端相连，地址发生器的输出端与两路32KSRAM单元的一输入端相连，两路32KSRAM单元的输出端与数据缓冲器的输入端相连，数据缓冲器的输出端通过ISA总线输入给工业控制机，工业控制机通过ISA总线给A/D及读写时序控制单元发出各类信号，A/D及读写时序控制单元的输出端分别送给两A/D单元、两路数据缓冲单元、两路32KSRAM单元和地址发生器。

实现上述装置的检测方法是：将一对超声波直换能器的TRA、TRB成180°垂直安装在管道外壁上，超声波直换能器的TRA垂直发射纵波，经耦合后进入上管壁，穿透上管壁后折射到流体中继续传播，达到下管壁的内壁时，一部分折射进入下管壁并穿透下管壁被超声波直换能器的TRB接收；另外一部分从下管壁的内侧反射，在流体中传播到达上管壁的内壁，折射到上管壁并穿透该管壁后被探头TRA接收；TRA、TRB将各自接收到的超声波信号送入数据采集卡，工业控制机对数据采集卡对采集的数据序列CH1(n)、CH2(n)进行处理并计算出压力：

首先通过 ${(Y\left(t\right)-M)}^2=\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)+\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)\cos 2(w_{c}t+\mathrm{\φ})$ 进行幅度调整， 为低频信号，经过幅度调制后 $\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)\cos 2(w_{c}t+\mathrm{\φ})$ 为高频信号，合成后(Y(t)-M)²既有低频信号又有高频信号，因此，原始信号减去直流分量的平方信号通过低通滤波和小波分解可以得到包络信号 这与求原始信号的包络信号S(t)等价，

原始信号Y(t)的包络信号S(t)，其实现步骤为：

(1)原始采集序列CH2(n)各数据减去均值后分别求平方，得到新的数据序列；

(2)对新的数据序列进行FFT变换；

(3)进行低通滤波；

(4)进行IFFT变换；

(5)进行二进小波分解，提取包络信号

把原始信号进行变换，利用二进小波分解，得(Y(t)-M)2的包络信号即求得原始信号Y(t)的包络信号S(t)后，进行搜索回波，搜索回波的步骤为：

(1)搜索回波峰值点位置，先确定通道1原始采集数据序列CH1(n)回波峰值点maxpos1，根据测量原理，通道2原始采集数据序列CH2(n)的峰值点必在在maxpos1点到2*maxpos1点之间，根据二进小波多级分解后的数据在maxpos1点到2*maxpos1点之间先下降后上升的规律，找到二进小波分解后的数据的峰值；

(2)精搜索回波峰值点位置，在通道2原始采集数据序列CH2(n)上，以找到二进小波分解后的数据的峰值为中点，向前后各移等长个采集点，求取最大值，即可精确确定回波峰值点位置；

计算两通道之间存在的时差：

在时差计算部分，首先对所选取的有效数据区进行线性插值，每两个采样点间线性插入99个点，可得到两组离散的时间幅值序列

X(0)、X(1)、X(2)、、、、X(N)

Y(0)、Y(1)、Y(2)、、、、Y(N)

对X(t)、Y(t)，求相关函数 $R_{\mathrm{XY}}\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)Y(n+m)$

相关函数R_XY(m)最大值所对应的m即反映了序列Y(n)相对于X(n)的时延长度，所以，回波-透射信号时间差为： $\mathrm{\Δt}=\frac{25}{100}\×m=0.25m\left(\mathrm{nS}\right)$

测得Δt＝t＝t₁-t₂；

根据 $c=\frac{d}{\mathrm{\Δt}}$

得到超声波在流体中的传播速度c：

压力P和声速C呈非线性函数关系，对标定数据采用最小二乘法统计处理，进行曲线拟合，可以得到多项式回归方程； $P=\underset{i=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{(C-C_0)}^i---\left(5\right)$

式中：C₀-压力为零时对应的初始声速，系数A_i用最小二乘确定。

本发明的超声波时差法管外压力检测装置及方法，建立了时差与压力之间的数学测量模型，首次把数据采集技术应用在超声波压力测量上，采用了40MSPS采样频率和插值相关技术，用数字信号处理方法使时差成为一个统计量，使时差测量精度达到±1ns，克服了超声波回波波移量法测量精度差、刷新速度慢的缺点，提高了测量精度和速度。

四、附图说明

图1是本发明系统硬件构成框图；

图2是本发明超声波收发卡2的构成框图；

图3是本发明数据采集卡3的构成框图；

图4是本发明压力测量示意图；

图5是本发明压力检测时超声波直换能器8发射、接收超声波的信号图；

图6是本发明压力处理流程图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括基于ISA总线插在工业控制机1底板插槽的超声波收发卡2和数据采集卡3，其工作原理为：工业控制机1发出控制信号，超声波收发卡2工作，超声波直换能器8的TRA发射超声波脉冲，TRB不发射超声波脉冲，经过一段时间后，TRA、TRB接收回波、透射超声波信号。在接通超声波发射电路的同时，工业控制机1发出控制信号，数据采集卡3工作，以40MSPS的采样速率自动完成超声波信号采集，并将数据存放在64K×8的高速缓存中，实时记录下超声波直换能器8的TRA、TRB上所出现的一切信号。一次信号采集完成后，数据被送入工业控制机1进行分析处理，完成时差、压力的计算，并以数据和图表的形式输出，可自动连实时进行压力显示。

参见图2，超声波收发卡2包括振荡电路4、升压电路5、超声波脉冲发射电路6、同步触发控制电路7、超声波直换能器8、增益控制电路9和信号调理电路10，振荡电路4的输出端与升压电路5的输入端相连，升压电路5的输出端与超声波脉冲发射电路6的一输入端相连，同步触发控制电路7的输出端与超声波脉冲发射电路6的另一输入端相连，超声波脉冲发射电路6的输出端与超声波直换能器8的TRA、TRB相连，超声波直换能器8的TRA、TRB分别与信号调理电路10的一输入端相连，增益控制电路9的输出端与信号调理电路10的另一输入端相连，信号调理电路10的输出端通过信号线与数据采集卡3的A/D输入端连接；超声波收发卡2发射超声波的工作原理是：振荡电路4将+12V直流电压输入转变成交流正弦波输出，送给升压电路5，并经过升压电路5产生750V的高压，给超声波脉冲发射电路6的储能电路充电。工业控制机1发出控制信号，同步触发控制电路7输出触发脉冲，超声波脉冲发射电路6工作，超声波脉冲发射电路6的储能电路放电，其冲击电压加到超声波直换能器8的TRA的晶体上，由于逆压电效应，超声波直换能器8的TRA的晶体受激振荡产生超声波。超声波收发卡2接收超声波的工作原理是：工业控制机1发出控制信号，同步触发控制电路7输出一低脉冲，超声波脉冲发射电路6关断，放电过程结束，进入充电过程。超声波直换能器8的TRA、TRB将接收到超声波换能器TRA发射的通过流体后的回波—透射超声波信号，由于压电效应，输出电信号，在送数据采集卡3之前，通过信号调理电路10进行调理，以满足A/D转换的要求。

参见图3，数据采集卡3包括两路A/D单元11、两路数据缓冲单元12、两路32KSRAM单元13、地址发生器14、数据缓冲器15和A/D及读写进序控制单元16，两路A/D单元11的输出端分别与两路数据缓冲单元12的输入端相连，地址发生器14的输出端与两路32KSRAM单元的输入端相连，数据缓冲单元15的输入端与两路32KSRAM单元13的输出端相连，两路32KSRAM单元13的输入端与两路数据缓冲器单元12的输出端相连，数据缓冲器15的输出端通过ISA总线输入给工业控制机1，工业控制机1通过ISA总线给A/D及读写时序控制单元16发出各类信号，A/D及读写时序控制单元16的输出端分别送给两A/D单元11、两路数据缓冲单元12、两路32KSRAM单元13和地址发生器14。数据采集卡3基于ISA总线有两个8位A/D通道，采样频率为40Msps、20Msps、10Msps及5Msps可选，存储深度为32KB、16KB、8KB及4KB可选。由压力检测软件启动数据采集后，采集系统按所选的采样频率和存储深度对双通道同时进行数据采集，无需处理器的干预。在采样过程中，可以通过查询采集系统的状态寄存器来判断采样过程是否结束。采样结束后，可通过一个端口按顺序读取保存在SRAM中的采样数据。

参见图4，将超声波直换能器8的TRA、TRB对称安装在管壁上，TRA垂直发射纵波，经耦合后进入上管壁，穿透上管壁后折射到流体中继续传播，达到下管壁的内壁时，一部分折射进入下管壁并穿透下管壁被超声波直换能器8的TRB所接收，此系脉冲穿透工作方式；另外一部分从下管壁的内侧反射，在流体中传播到达上管壁的内壁，折射到上管壁并穿透该管壁后被超声波直换能器的TRA接收，此系脉冲回波工作方式。综合起来，超声波工作于脉冲回波—穿透组合方式。

设超声波在声程为d(管内径)的流体中传播的声时为t，在声程为 的壁厚中传播的声时为t_s，则：

    t₁＝2t+2t_s                                      (1)

    t₂＝t+2t_s                                       (2)

式中：t₁发射脉冲与探头TRA接收回波之间的时间间隔、t₂发射脉冲与探头TRB接收穿透波之间的时间间隔、D管外径、d管内径

因此时差：

        Δt＝t＝t₁-t₂                               (3)

从而得到： $c=\frac{d}{\mathrm{\Δt}}---\left(4\right)$

这便是我们要求的超声波在流体中的传播速度c。

这种组合式的检测方法，除了完全克服了管壁的影响之外，同时还有效地消除了系统误差。

声速是实测得到的，压力P和声速C呈非线性函数关系。对标定数据采用最小二乘法统计处理，进行曲线拟合，可以得到多项式回归方程； $P=\underset{i=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{(C-C_0)}^i---\left(5\right)$

式中：C₀-压力为零时对应的初始声速，系数A_i用最小二乘确定。

本发明压力测量时只需要用户输入管道内径，系统在测出时差Δt之后，将按压力测量数学模型式(4)、(5)进行声速及压力的计算。

参见图5，压力测量时一次超声波发射及接收所采集到的波形。图5(a)中的A为TRB接收的透射信号、B为TRB接收的在管壁往复振荡信号，图5(b)中的A为TRA发射的始波信号、B为TRA接收的始波在管壁往复振荡信号、C为TRA接收的反射回波信号、D为TRA接收的反射回波信号在管壁往复振荡信号。由压力测量的原理可知，用来进行数据处理的回波为图5(a)中A、图5(b)中C所指的回波。显然图5(a)中的A所指的回波搜索相对容易，假设搜索其回波峰值所处点的序数为maxpos1，根据压力测量的意义，图5(b)中C所指的回波的峰值所处点的序数maxpos2范围为maxpos1＜maxpos2＜2*maxpos1。总览这一区域的数据波形，波形包络趋势由高到低，突然变高后又由高到低变化。

参见图6，数据采集卡3采集的数据序列CH1(n)、CH2(n)处理并计算出压力的整个流程。

由脉冲触发可控硅，超声波信号为一正弦信号。假设采集接收到的数据数学模型：

     Y(t)＝S(t)cos(W_ct+φ)+M                        (6)

式中：S(t)-包络信号；W_c-工作频率；φ-相位；M-信号直流分量

式(6)做时频变换，无法得到包络信号S(t)。因为S(t)为低频信号，经过幅度调制后Y(t)为高频信号，无法进行低通滤波和小波变换得到包络信号S(t)。

但式(6)通过变形有： ${(Y\left(t\right)-M)}^2=\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)+\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)\cos 2(w_{c}t+\mathrm{\φ})---\left(7\right)$

式(7)中 为低频信号，经过幅度调制后 $\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)\cos 2(w_{c}t+\mathrm{\φ})$ 为高频信号，合成后(Y(t)-M)²既有低频信号又有高频信号。因此，原始信号减去直流分量的平方信号通过低通滤波和小波多分辨率分解可以得到包络信号

这与求原始信号的包络信号S(t)等价。本发明便是通过求得(Y(t)-M)²的包络信号 间接求得原始信号Y(t)的包络信号S(t)。其实现步骤为：

(1)通道2原始采集序列CH2(n)各数据减去均值后分别求平方，得到新的数据序列；

(2)对新的数据序列进行FFT变换；

(3)进行低通滤波；

(4)进行IFFT变换；

(5)进行二进小波分解，提取包络信号

通过把原始信号进行变换，利用二进小波分解，求得(Y(t)-M)2的包络信号

即求得原始信号Y(t)的包络信号S(t)后，就能方便地搜索回波。搜

索回波的步骤为：

(1)粗搜索回波峰值点位置。先确定通道1原始采集数据序列CH1(n)回波峰值点maxpos1。根据测量原理，我们知道通道2原始采集数据序列CH2(n)的峰值点必在在maxpos1点到2*maxpos1点之间。根据二进小波多级分解后的数据在maxpos1点到2*maxpos1点之间先下降后上升的规律，很容易找到二进小波分解后的数据的峰值。

(2)精搜索回波峰值点位置。在通道2原始采集数据序列CH2(n)上，以找到二进小波分解后的数据的峰值为中点，向前后各移等长个采集点，求取最大值，即可精确确定回波峰值点位置。

至此，搜索到了两通道回波的峰值，从而要处理的回波也就搜索到了。

计算两通道之间存在的时间差这一过程的思想为：

在完成波形畸变及杂波的剔除后，数据处理程序进入时差计算部分。在时差计算部分，程序首先对所选取的有效数据区进行线性插值，每两个采样点间线性插入99个点，可得到两组离散的时间幅值序列

    X(0)、X(1)、X(2)、、、、X(N)

    Y(0)、Y(1)、Y(2)、、、、Y(N)

对X(t)、Y(t)，求相关函数 $R_{\mathrm{XY}}\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)Y(n+m)$

由于经过筛选后的波形数据均具有很好的一致性，相关函数R_XY(m)最大值所对应的m即反映了序列Y(n)相对于X(n)的时延长度。所以，回波-透射信号时间差为： $\mathrm{\Δt}=\frac{25}{100}\×m=0.25m\left(\mathrm{nS}\right)$

测得Δt＝t＝t₁-t₂，

根据 $c=\frac{d}{\mathrm{\Δt}}$

得到超声波在流体中的传播速度c：

压力P和声速C呈非线性函数关系，对标定数据采用最小二乘法统计处理，进行曲线拟合，可以得到多项式回归方程； $P=\underset{i=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{(C-C_0)}^i---\left(5\right)$

式中：C₀-压力为零时对应的初始声速，系数A_i用最小二乘确定。

本发明提高了时差压力测量的分辨率和精度，而且适用于小管径流体压力的测量，同现有技术相比，方法简便可靠，检出率高，仪器运行稳定，操作简便，测试精度高。

Claims (2)

1、一种超声波管外压力检测装置，包括基于ISA总线插在工业控制机(1)底板插槽的超声波收发卡(2)和数据采集卡(3)，其特征在于：所说的超声波收发卡(2)包括振荡电路(4)、升压电路(5)、超声波脉冲发射电路(6)、同步触发控制电路(7)、超声波直换能器(8)、增益控制电路(9)和信号调理电路(10)；振荡电路(4)的输出端与升压电路(5)的输入端相连，升压电路(5)的输出端与超声波脉冲发射电路(6)的一输入端相连，同步触发控制电路(7)的输出端与超声波脉冲发射电路(6)的另一输入端相连，超声波脉冲发射电路(6)的输出端与超声波直换能器(8)的TRA、TRB相连，超声波直换能器(8)的TRA、TRB分别与信号调理电路(10)的一输入端相连，增益控制电路(9)的输出端与信号调理电路(10)的另一输入端相连，信号调理电路(10)的输出端通过信号线与数据采集卡(3)的A/D输入端连接；

所说的数据采集卡(3)包括两路A/D单元(11)、两路数据缓冲单元(12)、两路32KSRAM单元(13)、地址发生器(14)、数据缓冲器(15)和A/D及读写进序控制单元(16)，两路A/D单元(11)的输出端分别与两路数据缓冲单元(12)的输入端相连，两路数据缓冲单元(12)的输出端分别与两路32KSRAM单元(13)的另一输入端相连，地址发生器(14)的输出端与两路32KSRAM单元的一输入端相连，两路32KSRAM单元(13)的输出端与数据缓冲器(15)的输入端相连，数据缓冲器(15)的输出端通过ISA总线输入给工业控制机(1)，工业控制机(1)通过ISA总线给A/D及读写时序控制单元(16)发出各类信号，A/D及读写时序控制单元(16)的输出端分别送给两A/D单元(11)、两路数据缓冲单元(12)、两路32KSRAM单元(13)和地址发生器(14)。

2、一种基于权利要求1所述的超声波管外压力检测方法，其特征在于：将一对超声波直换能器(8)的TRA、TRB成180°垂直安装在管道外壁上，超声波直换能器(8)的TRA垂直发射纵波，经耦合后进入上管壁，穿透上管壁后折射到流体中继续传播，达到下管壁的内壁时，一部分折射进入下管壁并穿透下管壁被超声波直换能器(8)的TRB接收；另外一部分从下管壁的内侧反射，在流体中传播到达上管壁的内壁，折射到上管壁并穿透该管壁后被探头TRA接收；TRA、TRB将各自接收到的超声波信号送入数据采集卡(3)，工业控制机对数据采集卡(3)对采集的数据序列CH1(n)、CH2(n)进行处理并计算出压力：

首先通过 ${(Y\left(t\right)-M)}^2=\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)+\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)\cos 2(w_{c}t+\mathrm{\φ})$ 进行幅度调制，

为低频信号，经过幅度调制后 $\frac{1}{2}{S}^2\left(t\right)\cos 2(w_{c}t+\mathrm{\φ})$ 为高频信号，合成后(Y(t)-M)²既有低频信号又有高频信号，因此，原始信号减去直流分量的平方信号通过低通滤波和小波分解可以得到包络信号

这与求原始信号的包络信号S(t)等价，

原始信号Y(t)的包络信号S(t)，其实现步骤为：

(1)对原始采集序列CH2(n)各数据减去均值后分别求平方，得到新的数据序列；

(2)对新的数据序列进行FFT变换；

(3)进行低通滤波；

(4)进行IFFT变换；

(5)进行二进小波分解，提取包络信号

把原始信号进行变换，利用二进小波分解，得(Y(t)-M)2的包络信号

即求得原始信号Y(t)的包络信号S(t)后，进行搜索回波，搜索回波的步骤为：

(1)搜索回波峰值点位置，先确定通道1原始采集数据序列CH1(n)回波峰值点maxpos1，根据测量原理，通道2原始采集数据序列CH2(n)的峰值点必在在maxpos1点到2*maxpos1点之间，根据二进小波多级分解后的数据在maxpos1点到2*maxpos1点之间先下降后上升的规律，找到二进小波分解后的数据的峰值；

(2)精搜索回波峰值点位置，在通道2原始采集数据序列CH2(n)上，以找到二进小波分解后的数据的峰值为中点，向前后各移等长个采集点，求取最大值，即可精确确定回波峰值点位置；

计算两通道之间存在的时差：

在时差计算部分，首先对所选取的有效数据区进行线性插值，每两个采样点间线性插入99个点，可得到两组离散的时间幅值序列

X(0)、X(1)、X(2)、、、、X(N)

Y(0)、Y(1)、Y(2)、、、、Y(N)

对X(t)、Y(t)，求相关函数 $R_{\mathrm{XY}}\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}X\left(n\right)Y(n+m)$

相关函数R_XY(m)最大值所对应的m即反映了序列Y(n)相对于X(n)的时延长度，所以，回波-透射信号时间差为： $\mathrm{\Δt}=\frac{25}{100}\×m=0.25m\left(\mathrm{nS}\right)$

测得Δt＝t＝t₁-t₂；

根据 $c=\frac{d}{\mathrm{\Δt}}$

得到超声波在流体中的传播速度c：

压力P和声速C呈非线性函数关系，对标定数据采用最小二乘法统计处理，进行曲线拟合，可以得到多项式回归方程； $P=\underset{i=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{(C-C_0)}^i---\left(5\right)$ 式中：C₀-压力为零时对应的初始声速，系数A_i用最小二乘确定。

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