基于CNG地下儲(chǔ)氣井檢測用的自動(dòng)懸浮式超聲波探頭設(shè)計(jì)

0 引言

隨著國際原油價(jià)格的不斷飆升，車用天然氣量也猛增，由此帶動(dòng)CNG加氣站大量建設(shè)和運(yùn)營。我國目前建有700座CNG加氣站，擁有40多萬倆CNG汽車。CNG地下儲(chǔ)氣井建造成本低，占地面積小，安全性能高，現(xiàn)已成為國內(nèi)CNG加氣站首選儲(chǔ)氣方式。國外也有50多個(gè)國家使用天然氣汽車。儲(chǔ)氣井是埋地壓力容器，SY／T 6535-2002規(guī)定地下儲(chǔ)氣井使用壽命是25年。標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定儲(chǔ)氣井的全面檢測周期為6年，必須定期進(jìn)行井管的無損檢測和測厚檢測，但這方面尚無完善的檢測手段。由于天然氣中含有較多的硫，易形成對金屬有很強(qiáng)腐蝕能力的腐蝕液，且長期運(yùn)行于25 MPa的高壓下，在這種惡劣條件下儲(chǔ)氣井難免會(huì)出現(xiàn)安全問題。

國內(nèi)外比較成熟的油氣井檢測已發(fā)展到超聲波成像檢測，但這種檢測技術(shù)只能對井中有油，水或泥漿介質(zhì)的油氣井進(jìn)行檢測，而不能直接應(yīng)用于CNG地下儲(chǔ)氣井的檢測。這里設(shè)計(jì)的自動(dòng)懸浮式超聲波探頭系統(tǒng)可直接用于CNG地下儲(chǔ)氣井的超聲波探傷成像檢測。

1 探頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 探頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是探頭系統(tǒng)俯視圖，圖2是探頭系統(tǒng)側(cè)視圖。

1．2 探頭系統(tǒng)工作原理

由結(jié)構(gòu)知：超聲波探頭固定于徑向?qū)к壍木?xì)絲桿上(對稱的兩只)，圖中只畫出了一只。因前面有最大位置限制銷，只可沿導(dǎo)軌作徑向運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)受徑向電機(jī)控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)開始時(shí)，徑向電機(jī)將探頭送出。設(shè)超聲波接收探頭接收到的波形如圖3所示，t=t0時(shí)，發(fā)射超聲波；t=t1時(shí)是遇到管內(nèi)壁時(shí)，由于潤滑液與鋼管的波阻抗不同而形成的反射回波；t=t2時(shí)，遇到管外壁的反射回波，對徑向電機(jī)的控制信號是t=t1的反射回波。設(shè)超聲波在潤滑液中速度為v，潤滑液厚為e，則：

接收探頭將探頭離管壁距離信息送入單片機(jī)處理后，控制徑向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)探頭離管壁距離為e時(shí)(設(shè)計(jì)值)，徑向電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。只要探頭離管壁距離偏離設(shè)計(jì)值e，徑向電機(jī)都會(huì)運(yùn)動(dòng)，使探頭離管壁距離保持設(shè)計(jì)值e不變。

1. 3 供液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)探頭未旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力潤滑液開關(guān)中的滑塊受彈簧力F2作用，方向指向圓心，如圖4所示，離心力開關(guān)關(guān)斷，無潤滑液輸出。設(shè)滑塊質(zhì)量為m，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為R，當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，受慣性離心力F1作用(分析中忽略了滑塊所受摩擦力的影響)。

當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，彈簧被壓縮x，此時(shí)彈力F2為：

設(shè)計(jì)中使F1=F2時(shí)，離心力潤滑液開關(guān)被完全打開，有最多的潤滑液流入探頭與管壁之間形成厚為e的簿膜，起到潤滑和超聲波的有效傳遞作用。

2 自動(dòng)懸浮式超聲波探頭控制電路設(shè)計(jì)

2．1 控制系統(tǒng)硬件組成

2．1．1 系統(tǒng)硬件組成的方案

系統(tǒng)硬件組成的方案如圖5所示。

2．1．2 各功能塊作用

取樣信號：工作頻率為12．5 kHz的方波信號，控制電子開關(guān)的工作。
超聲波振蕩器：由單片機(jī)輸出的具有一定幅度的，頻率為O．5 MHz的超聲波等幅信號。
電子開關(guān)：在1／10周期內(nèi)關(guān)閉回波通道，而將超聲波振蕩信號送入超聲波探頭(進(jìn)入探頭的是超聲波脈沖)；當(dāng)超聲波振蕩信號通道關(guān)閉時(shí)，將超聲波回波通道接通，將回波信號送入回波放大電路。
超聲波探頭：電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換器件。
回波放大器：將反射回的微弱回波信號進(jìn)行放大，使其具有一定幅度。
單片機(jī)接口：將回波放大器放大的模擬信號進(jìn)行模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換，使其符合單片機(jī)輸入的要求。
單片機(jī)：對輸入的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計(jì)算、處理、控制等操作，輸出控制信號。
控制電路：對單片機(jī)輸出信號進(jìn)行處理。
步進(jìn)電機(jī)：帶動(dòng)渦輪渦桿使探頭與管壁保持恒定距離。

2．2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．2．1 超聲波傳感器發(fā)射接收電路

超聲波傳感器發(fā)射接收電路原理圖如圖6所示，單片機(jī)采用ATM89S51，超聲波脈沖由單片機(jī)ATM89S51的P11口輸出，74HC04對超聲波脈沖進(jìn)行功率放大后推動(dòng)超聲波傳感器發(fā)出脈沖超聲波。電子開關(guān)采用CD4066BE(是CMOS雙向模擬開關(guān))，脈沖超聲波遇到管壁產(chǎn)生的回波被超聲波傳感器接收轉(zhuǎn)換成電信號。這個(gè)很微弱的信號經(jīng)電子開關(guān)CD4066BE送到回波放大電路CX20106；CX20106是紅外接收專用集成電路，該集成電路有80 dB的增益。它包括前置放大器，ABLC，限幅放大器，帶通濾波器，檢波和比較器，積分器，施密特觸發(fā)器等。經(jīng)過CX20106放大處理后的脈沖信號由7腳送到單片機(jī)的INT1口輸入。

2．2．2 控制信號處理模塊

采用環(huán)形脈沖分配器L297和雙H橋功率集成電路L298的典型控制方式。單片機(jī)的P1．6，P1．7，P2．3分別接L297的CW，Clock，enable控制端，分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、時(shí)鐘信號及啟停。

2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制程序框圖主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)加電啟動(dòng)是由檢測筒底部碰觸開關(guān)執(zhí)行，當(dāng)檢測筒由牽引纜繩下放到井底，碰觸開關(guān)接通，系統(tǒng)檢測各組件正常，發(fā)出指令使?fàn)恳姍C(jī)勻速向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)主軸電機(jī)工作使探頭筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，徑向電機(jī)工作將探頭推出，供液閥門打開，耦合液向探頭噴出，這就是系統(tǒng)組件準(zhǔn)備完備。這時(shí)單片機(jī)發(fā)出指令檢測的數(shù)據(jù)和內(nèi)部存儲(chǔ)器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行比較，若相同，出口1和出口2都無信號輸出，徑向電機(jī)不動(dòng)作，保持原有間距e。又進(jìn)行第二輪的檢測。若標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)e0大于被檢測數(shù)據(jù)e，則出口1有控制信號通過控制信號處理模塊使徑向電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，增大間距e。又進(jìn)行檢測，若標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)e0小于被檢測數(shù)據(jù)e，則出口2有控制信號通過控制信號處理模塊使徑向電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，減小間距e。

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)方案利用單片計(jì)算機(jī)控制徑向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使探頭與被檢測筒壁有一層均勻厚度的耦合液，較好地解決了低速采樣的超聲波無損檢測成像中的超聲波回波有效傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。同時(shí)也使旋轉(zhuǎn)的探頭得到有效的保護(hù)。但只能用于超聲波頻率小于1 MHz的系統(tǒng)，對于超聲波頻率為2．5～5 MHz的系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)計(jì)工作于更高頻率的超聲波發(fā)射和接收電路及電子開關(guān)電路。