佘世剛， 李海峰， 陳 晟， 李 衡， 霍紅慶

(1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.江蘇省綠色過(guò)程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164)

0 引 言

超聲波流量計(jì)通過(guò)2只超聲波信號(hào)的時(shí)差法進(jìn)行流速流量的測(cè)量，但時(shí)差法的時(shí)間間隔測(cè)量精度需要達(dá)到ns級(jí)，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件而難以完成測(cè)量[1]。由此可見(jiàn)，精確的超聲波信號(hào)時(shí)間間隔測(cè)量是決定超聲波流量測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。

而管道泄漏檢測(cè)早在20世紀(jì)70年代歐美國(guó)家就有研究，德國(guó)學(xué)者Isermann R和Siebert H提出了將輸入輸出的流量和壓力信號(hào)通過(guò)一定的信號(hào)處理及互相關(guān)分析后來(lái)檢測(cè)泄漏狀況[2]。在泄漏檢測(cè)中，將著重于信號(hào)采集處理問(wèn)題的研究。

本文將針對(duì)流量測(cè)量中的時(shí)間測(cè)量精度和泄漏檢測(cè)中的信號(hào)采集處理問(wèn)題，設(shè)計(jì)合理的超聲波檢測(cè)頻率，并規(guī)劃硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用超聲波技術(shù)對(duì)天然氣管道進(jìn)行流量測(cè)量與泄漏檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)天然氣更高效、更安全利用的保障。

1 超聲波氣體流量測(cè)量與泄漏檢測(cè)原理

1.1 超聲波氣體流量測(cè)量原理

以時(shí)差法為例，對(duì)氣體流量測(cè)量的基本測(cè)量原理及系統(tǒng)檢測(cè)流程進(jìn)行介紹，其測(cè)量原理就是利用超聲波脈沖沿管道順、逆流兩個(gè)方向上聲傳播時(shí)間的不同來(lái)計(jì)算管道氣體流速及流量[3～6]，如圖1為氣體流量測(cè)量原理圖。

圖1 氣體流量測(cè)量原理圖

圖1中T1，T2為2只超聲波換能器，V為管道中氣體的流速，m/s；C為超聲波在管道氣體中傳播的聲速，m/s；D為管道直徑，m；L為聲程長(zhǎng)度，m；θ為超聲波換能器管道軸線的夾角。

根據(jù)超聲波在管道順逆流兩個(gè)方向上聲速與管道氣體介質(zhì)的流速的疊加與削減，可得超聲波在順流、逆流方向上的傳播時(shí)間t1，t2分別是

t1=L/(C+Vcosθ)，t2=L/(C-Vcosθ)

(1)

在計(jì)算出順逆流兩個(gè)方向上的傳播時(shí)間t1、t2后，即可推算出管道氣體流速V為

進(jìn)一步就可以根據(jù)管道氣體流速V計(jì)算出管道的流量,當(dāng)然上述情況是針對(duì)于管道流場(chǎng)理想狀況下的流速、流量計(jì)算。

管道流體流動(dòng)中根據(jù)雷諾數(shù)的大小可存在兩種狀態(tài)：層流和紊流，對(duì)應(yīng)的即為理想狀態(tài)和非理想狀態(tài)。而雷諾數(shù)Re的計(jì)算公式為

Re=VDρ/μ

(3)

式中V為管道中氣體的流速，D為管道直徑，ρ為管道流體密度，μ為管道流體粘度。

對(duì)于非理想狀況下的管道流場(chǎng)，根據(jù)流體力學(xué)理論，由于流體的雷諾數(shù)Re>2 320，管道流體屬于紊流狀態(tài)，此時(shí)需要根據(jù)管道的線平均流速V來(lái)求出管道的面平均流速Vm，而處于紊流下的流體，其線平均流速V與面平均流速Vm之間存在一定的修正系數(shù)K。

綜上所述，可得非理想狀態(tài)下管道流體的面平均流速Vm的計(jì)算公式為

Vm=v/k

(4)

進(jìn)一步得到管道流體的流量Q為

1.2 超聲波氣體泄漏檢測(cè)原理

通常情況下，當(dāng)管道存在泄漏孔時(shí)，根據(jù)管道容器的內(nèi)外壓差，氣體就會(huì)從泄漏孔處沖出，而在漏孔的孔徑較小時(shí)，沖出來(lái)的氣體就會(huì)形成湍流，這種湍流會(huì)在漏孔附近產(chǎn)生一定頻率的聲波，聲波振動(dòng)的頻率與孔徑的大小有關(guān)，而當(dāng)孔徑足夠小時(shí)，聲波頻率達(dá)到20 kHz以上，就形成了人耳所聽(tīng)不到的超聲波，氣體的泄漏就是利用泄漏所發(fā)出的聲波來(lái)檢測(cè)氣體的泄漏狀況[7,8]。

但是由于泄漏所產(chǎn)生的超聲波頻帶較寬，從15～100 kHz之間都有分布，不同的頻率點(diǎn)，超聲波的能量也不同。但針對(duì)某一泄漏孔的相同頻率點(diǎn)處，泄漏所產(chǎn)生的超聲波聲強(qiáng)會(huì)隨泄漏量的累積而增強(qiáng)，因此可對(duì)固定的某一頻率點(diǎn)的檢測(cè)來(lái)判斷泄漏。

2 超聲波傳感器的研究

2.1 傳感器頻率的研究

對(duì)于不同的用途，所選擇的超聲波傳感器也存在差異，運(yùn)用于天然氣管道氣體流量測(cè)量的超聲波傳感器不同于距離測(cè)量、探傷所用到的傳感器，不僅體現(xiàn)在所選的超聲波頻率上，同時(shí)還體現(xiàn)在超聲波氣體檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上[9,10]。

在管道天然氣的流量測(cè)量中，由于檢測(cè)背景噪音較大，導(dǎo)致采集到的有用信號(hào)容易被背景噪音所覆蓋。因此，采用超聲波流量計(jì)測(cè)量氣體流量時(shí)，為了提高信噪比，得到較為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果，所涉及到的超聲頻率數(shù)量級(jí)應(yīng)盡量選擇較高的工作頻率，高頻率段內(nèi)背景噪音所帶來(lái)的影響相對(duì)較小，本文采集的工作頻率在150～250 kHz之間。

此外，根據(jù)對(duì)泄漏的基礎(chǔ)理論分析并從以往的相關(guān)實(shí)驗(yàn)上證明[11,12]，在天然氣管道泄漏檢測(cè)中，根據(jù)泄漏聲發(fā)射寬帶特性，泄漏信號(hào)能量主要集中分布在20～50 kHz之間的頻段上，本文采集的工作頻率為40 kHz。

2.2 傳感器的選型

在超聲波傳感器的選擇上，為了實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)設(shè)備在流量測(cè)量和泄漏檢測(cè)上的一體化。因此，本文選用的超聲波傳感器，既有用于管道氣體流量測(cè)量的壓電超聲傳感器，也有用于管道氣體泄漏檢測(cè)的具有高靈敏度的靜電超聲傳感器。

壓電型傳感器的核心是其壓電晶片，壓電型超聲波換能器主要應(yīng)用于常溫下的檢測(cè)，在溫度超過(guò)150 ℃時(shí)，壓電晶片的壓電特性會(huì)顯著變劣，甚至出現(xiàn)損壞，一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，即使溫度重新下降之后也不能重新恢復(fù)原有的電聲轉(zhuǎn)換效率，因此必要時(shí)需要對(duì)溫度影響因素進(jìn)行修正，可選用具有溫度補(bǔ)償功能的超聲波傳感器。

靜電超聲傳感器適用于氣體介質(zhì)環(huán)境，由背電極和金屬薄膜組成，具有較寬的頻率響應(yīng)范圍(一般在20～80 kHz之間)，同時(shí)其機(jī)電耦合系數(shù)大，有較高的靈敏度及精確度。

3 超聲波檢測(cè)電路一體化

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波氣體流量測(cè)量與泄漏檢測(cè)一體化設(shè)計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)部分主要分為以下幾個(gè)部分：測(cè)量計(jì)時(shí)電路模塊，單片機(jī)控制電路模塊，信號(hào)采集處理模塊，電源供電模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，泄漏報(bào)警模塊等，得到硬件電路結(jié)構(gòu)流程圖如圖2所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)流程圖

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電路部分：

1)測(cè)量計(jì)時(shí)電路模塊：對(duì)于小管徑且采用單聲道時(shí)差法測(cè)量原理進(jìn)行氣體流量測(cè)量來(lái)說(shuō)，超聲波在管道順逆流方向上傳播的時(shí)間極其短，測(cè)得的順逆流時(shí)間差就更小，因此時(shí)間計(jì)時(shí)測(cè)量的精確程度會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)流量測(cè)量的結(jié)果造成重要影響，要求測(cè)量計(jì)時(shí)芯片的精度很高。而本文所選用的MAX35104屬于高精度時(shí)間測(cè)量芯片，時(shí)間測(cè)量精度可達(dá)700 ps，測(cè)量范圍高達(dá)400 μs，支持Pt1000和Pt500RTD傳感器以及溫度調(diào)節(jié)器，工作電壓2.3～3.6 V,工作溫度-40～+85 ℃。且MAX35104測(cè)量芯片中集成了PGM偏移比較器、算數(shù)邏輯單元ALU、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、高壓脈沖放大器、電壓調(diào)節(jié)器等電路，而MAX35104測(cè)量芯片通過(guò)4線SPI外部串行接口與單片機(jī)芯片SPI串行接口相連。因此，系統(tǒng)硬件外圍電路得到大大簡(jiǎn)化，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了測(cè)量精度，如圖3為MAX35104計(jì)時(shí)芯片外圍電路設(shè)計(jì)。

圖3 MAX35104計(jì)時(shí)芯片外圍電路設(shè)計(jì)

2)單片機(jī)控制電路模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片是整個(gè)流量測(cè)量與泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的核心，控制著超聲波信號(hào)的發(fā)射接收、采集信號(hào)的處理計(jì)算、數(shù)據(jù)的顯示以及泄漏信號(hào)的報(bào)警等。如圖4為STM32F103單片機(jī)芯片外圍電路設(shè)計(jì)，此芯片是一種嵌入式微控制的集成電路芯片，速度可達(dá)72 MHz，程序存儲(chǔ)器容量是256 KB，引腳多達(dá)64個(gè)，工作電壓2～3.6 V，工作溫度-40～+85 ℃，能夠很好的與計(jì)時(shí)芯片相匹配。

圖4 STM32F103單片機(jī)芯片外圍電路設(shè)計(jì)

3)信號(hào)采集處理模塊：信號(hào)接收處理問(wèn)題在整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)中起著至關(guān)重要的作用，合理有效的信號(hào)采集處理電路能大大提高測(cè)量工作效率，進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

通過(guò)傳感器信號(hào)采集電路將采集到的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大和帶通濾波處理后傳入到STM32F103單片機(jī)芯片的A/D輸入端口，由單片機(jī)芯片對(duì)傳輸進(jìn)來(lái)的信號(hào)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理，最終將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示。如圖5為泄漏檢測(cè)信號(hào)采集處理電路設(shè)計(jì)，其中LM324芯片是帶有差分輸入的四運(yùn)算放大器，內(nèi)部包含四組形式完全一樣的運(yùn)算放大器，且相互獨(dú)立，具有低功耗、短路保護(hù)輸出、內(nèi)部補(bǔ)償以及輸入端靜電保護(hù)等特點(diǎn)。

4)電源供電模塊:根據(jù)系統(tǒng)芯片工作電壓分析，采用USB接口外接供電，外接電壓經(jīng)過(guò)AMS1117—3.3低壓差線性穩(wěn)壓器將5 V電壓穩(wěn)定在3.3 V提供給系統(tǒng)芯片，確保輸入電壓的穩(wěn)定和整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

5)數(shù)據(jù)顯示模塊：數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)流量測(cè)量及泄漏檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，采用點(diǎn)陣式液晶顯示屏(liquid crystal dispiay,LCD)JLX—12564能很好的滿足系統(tǒng)參數(shù)顯示要求。

6)泄漏報(bào)警模塊：實(shí)現(xiàn)檢測(cè)管道氣體泄漏后的實(shí)時(shí)報(bào)警，以便工作人員更快發(fā)現(xiàn)泄漏情況，降低危險(xiǎn)事故發(fā)生。

圖5 泄漏檢測(cè)信號(hào)采集處理電路設(shè)計(jì)

3.2 硬件電路抗干擾設(shè)計(jì)

在管道流量測(cè)量與泄漏檢測(cè)過(guò)程中，信號(hào)在傳輸過(guò)程中極易受到外界環(huán)境和硬件電路自身的因素干擾，為了進(jìn)一步提高測(cè)量系統(tǒng)硬件部分的抗干擾能力，需采取相應(yīng)的措施。

對(duì)于外界環(huán)境干擾方面，為降低硬件系統(tǒng)對(duì)外界干擾源的敏感程度，可在硬件電路外部設(shè)計(jì)鋁制外殼以此來(lái)屏蔽干擾；對(duì)于硬件電路自身干擾方面，可通過(guò)對(duì)硬件電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局，接收信號(hào)線路選用信號(hào)屏蔽線，將其接地處理，防止電路線路相互影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)本文的超聲波氣體流量測(cè)量與泄漏檢測(cè)一體化中，使用MAX35104計(jì)時(shí)測(cè)量芯片，其具備的高集成度大大減少了系統(tǒng)芯片的外圍電路，從而更好的避免了由于外圍電路的復(fù)雜多樣所帶來(lái)的電路、電纜等線路上的電聲延時(shí)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

另一方面，在管道流量測(cè)量電路的基礎(chǔ)上整合管道泄漏檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量與泄漏檢測(cè)電路集成一體化，集成度高、測(cè)量方便高效，更好的將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給工作人員，使得系統(tǒng)測(cè)量環(huán)境更加安全可靠。在工業(yè)、民用等管道氣體流量測(cè)量或泄漏檢測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中可以得到廣泛的應(yīng)用，具有較為廣闊的應(yīng)用前景和重要的存在意義。