基于PC104的储罐罐底腐蚀声发射采集系统*

付铜玲，李一博，靳世久

（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072）

0 引言

近些年来，国内外石油储罐泄漏事件屡有发生，对国民经济造成重大损失的同时也严重污染了环境。在储罐泄漏事故中，储罐底板腐蚀穿孔发生频率最高［1］因此，对石油储罐罐底腐蚀情况进行检测与监控尤为重要。在众多检测方法中，基于声发射技术的罐底腐蚀和泄漏在线检测方法得到广泛应用［2～5］。传统声发射检测方法不能有效消除来自储罐内部的噪声干扰［6］，腐蚀信号中混有的大量噪声成为后续腐蚀区域准确定位的障碍。针对这一问题，对传统储罐罐底腐蚀声发射检测方法进行改进，提出一种储罐罐底腐蚀声发射内检测方法。

内检测方法打破了传统检测方式，搭载信号采集系统的内检测器在储罐油品内部近距离地对腐蚀区域进行腐蚀声发射检测，多途效应减弱，噪声干扰大大减少。内检测器数据采集要求高速、高精度，需要一个处理能力强的嵌入式平台，而PC104是一种优化的小型堆栈式结构的嵌入式控制系统，正好符合这一要求。本文设计一种基于PC104的储罐罐底腐蚀声发射信号的采集系统，实现内检测器对储罐罐底声发射信号的采集和存储。

1 系统硬件设计

基于PC104的声发射采集系统由四部分组成，声发射传感器、前处理电路、基于PC104的数据采集模块以及基于PC104的CPU模块，系统框图如图1所示。

图1 基于PC104的声发射采集系统框图Fig 1 Block diagram of acoustic emission acquisition system based on PC104

声发射传感器是腐蚀声发射检测的关键装置，是检测系统的首要环节。系统选用美国物理声学公司（PAC）的R3α型压电式声发射传感器，中心频率为30 kHz。

声发射信号经由声发射传感器接收进入前处理电路，前处理电路由电荷放大电路和比例放大电路组成。

在声发射波激励下，声发射传感器输出的电荷信号经电荷放大器转换为电压信号，电荷放大器实际等效电路如图2所示。图中Cs为声发射传感器等效的电容，其漏电阻为Rs，Cc是传感器的电缆电容，Ri和Ci分别为运算放大器的输入阻抗和输入电容。根据声发射信号频带情况，综合考虑声发射信号的下限频率、噪声和漂移，需要合理地选择R，C 值，本文选取 R=470 MΩ，C=510 pF。

图2 电荷放大电路的实际等效电路图Fig 2 Equivalent circuit of charge amplifier

电荷放大器输出的电压信号大小约为20dB，为有效地采集数据，需要增益为40 dB的放大器。单个AD820放大器的增益带宽积（GBP）为1．8 MHz，在放大40 dB情况下，带宽仅为18 kHz，不满足声发射信号带宽要求，因此，选用2个各自增益更低、带宽更宽的同相级级联在一起，当两级增益相等即分别为20 dB时带宽最宽，经计算此时带宽为64．3 kHz，满足集声发射信号带宽要求。2个同相放大器级联电路图如图3所示。

图3 同相放大器级联电路图Fig 3 In-phase amplifier cascaded circuit

基于PC104的数据采集模块和CPU模块是系统核心硬件设备，分别选择美国RTD公司的数据采集模块DM6420和CPU模块 CME137686LX。其中，DM6420模块具有 16个单端输入通道，12位分辨率，最高采样率500kHz，满足声发射信号采集要求。同时，CME137686LX模块在性能和速度上都很好地支撑数据采集模块完成信号采集。

此外，系统工作在一个相对非稳定的环境，内检测器在液体场运动时，不可避免地有晃动出现，对各器件的抗震性提出了较高要求，而硬盘是系统中抗震性最差的器件。因此，固态硬盘是唯一的选择。考虑到游弋式传感器机械体的空间限制，设计选用2．5 in（1 in=2．54 cm）宽温固态硬盘，容量为256 GB，满足了数据存储要求。

2 系统软件设计

主控系统软件程序的开发环境为LabWindows，PC104 CPU板卡的操作系统选用Windows XP Embedded。程序的总体流程分为:设备的初始化和数据的采集与存储。PC104CPU模块和PC104数据采集模块上电后，采集程序先对两模块进行初始化，对所需功能进行验证无误后开始数据的采集与存储。系统软件设计流程图如图4所示。

图4 系统软件设计流程图Fig 4 Flow chart of system software design

储罐罐底腐蚀产生的是典型的突发型声发射信号，但因为数据采集的连续性，采集的信号中2个声发射信号之间是大量无用的噪声信号。因此，需要对采集到的信号进行判断，确定为声发射信号后再存储。

如图5所示，突发型声发射信号有个明显的上升阶段，系统采用阈值法对采集到的信号进行判断。当采集到的信号中有过阈值的数据点即认为采集到的信号是声发射信号，本设计根据现场经验值将阈值设为60 dB。

图5 典型的突发型声发射信号的波形Fig 5 Waveform of a typical burst acoustic emission signal

为实现将完整的声发射信号记录下来，本文设计提出以下方案:

1）选择阈值方法对采集到的数据进行判断，一旦发现有过阈值的数据点才断定为所需信号，对其后的一定长度的数据进行存储。从声发射信号的波形图可以看出:过阈值点之前一定还存在一部分信号数据段，这样过阈值点之前的那部分信号的信息就会丢失。对于这一问题，本文设定一定长度的内存段专门用于存放当前采集点之前的N个数据点。在采集到过阈值的数据点后，将这N个数据点与过阈值其后一定长度的信号一并存储，这方面数据丢失问题即得到解决。

2）在数据传输过程中，有2种方式:非DMA传输方式和DMA传输方式。非DMA传输方式是采集卡采集到需要存储的大量数据通过芯片进入CPU，再由CPU传输到CPU板卡的内存空间。由于传输速度比较慢，占用CPU工作时间，这期间要有部分数据丢失。而系统采用的DMA传输方式可使大量数据不经过CPU直接通过芯片进入CPU板卡内存，这样不但极大提高了数据传输速度，减少数据丢失，同时还降低了CPU功耗与发热量。

3 实验结果

为了验证本文所设计的腐蚀声发射信号采集系统的采集效果，设计了一系列对比实验。使用标准的美国物理声学公司（PAC）公司生产的大型声发射仪和本文设计的基于PC104的声发射采集系统对相同断铅声发射信号进行采集与存储，并对二者的采集情况进行比对。

将2个R3α型声发射传感器耦合在事先准备的材质均匀钢板上，使用固定装置固定好，再分别将其接入PC104采集系统和PAC声发射仪。在传感器位置连线中点上进行断铅操作，两系统对同一断铅信号进行采集，实验布局示意图如图6所示。

图6 实验布局示意图Fig 6 Schematic diagram of experimental arrangement

实验分别对50组断铅信号进行采集，选取其中一组PAC声发射仪与基于PC104的声发射采集系统采集的断铅信号波形图，如图7所示。

图7 断铅信号波形对比图Fig 7 Waveform comparison digaram of broken lead signal

声发射标准规定的几个重要特征值分别为:振铃次数、幅值、持续时间、上升时间、初始频率、绝对能量值。为了进一步对比两系统的采集情况，对PAC声发射仪和基于PC104的声发射采集系统采集到的50组声发射信号进行标准特征值提取并取平均值。特征值提取后分别计算本系统相对PAC声发射仪各特征值的相对误差。各特征值的提取与误差情况如表1所示。

表1 各特征值的提取与误差Tab 1 Extraction of eigenvalues and their errors

实验数据表明:本文设计的基于PC104的声发射采集系统能够采集到所需的声发射信号，并与声发射仪采集到的信号进行了波形图和特征值的比对，误差最大约为1%，能够满足系统设计要求。

4 结束语

目前，在役的石油储罐数量逐渐增多，但传统的储罐罐底腐蚀声发射检测方法已不能满足现阶段的需要。该基于PC104的储罐罐底腐蚀声发射采集系统，嵌入式结构，采集信号准确，适合储罐内部检测，为储罐罐底腐蚀声发射内检测方法的实施创造了条件，具有广阔应用前景。

［1］ 过梦飞．储油罐罐底板全面腐蚀控制［J］．天然气与石油，2002，20（2）:53 －56，67．

［2］ Yuyama S，Yamada M，Sekine K，et al．Verification of acoustic emission testing of floor conditions in aboveground tanks by comparison of acoustic emission data and floor scan testing［J］．Materials Evaluation，2007，65（9）:929 －934．

［3］ 戴 光，李善春，李 伟．储罐的声发射在线检测技术与研究进展［J］．压力容器，2005，22（3）:33 －35．

［4］ Guang D，Wei L，Ying Z．An acoustic emission method for the in service detection of corrosion in vertical storage tanks［J］．Materials Evaluation，2002，60（8）:976 －978．

［5］ Ferrer F，Faure T，Goudiakas J，et al．Acoustic emission study of active passive transitions during carbon steel erosion corrosion in concentrated sulfuric acid［J］．Corrosion Science，2002，44:1529－1540．

［6］ 李一博，孙立瑛，靳世久，等．大型常压储罐底板的声发射在线检测［J］．天津大学学报，2008，41（1）:11 －16．