管道腐蚀检测系统设计

初振东，蒲小平

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.空军装备部，北京100843）

1 引 言

在石油化工行业，需要对油气输送管道进行定期的检测，以防止管道因外界电化学等作用而遭受腐蚀[1]。管道因腐蚀而产生破损，具有一定的危险性，轻则产生油气泄漏而污染环境，重则产生爆炸而危害人们的生命财产安全。

在针对管道腐蚀问题进行检测时，常用的方法有探针检测法、电化学检测法、PH 浓度检测法和厚度变化检测法等。其中，厚度检测法是较为常用的方法，在厚度检测法中，通常采用超声波技术对管道厚度进行定期检测，根据管道厚度的变化程度，判定管道的腐蚀程度[2]。超声波检测的方式具有检测速度快、精度高、操作简单方便等特点。利用超声波检测原理，通过现代化的电子技术，设计管道腐蚀检测系统，具有较好的实用价值。

2 管道腐蚀检测原理

通过定期检测管道重要部位的厚度值，可以监测管道受腐蚀的程度，主要通过超声波技术对管道厚度值进行监测。利用超声波技术进行厚度测量时，通常有反射式测厚法和对射式测厚法[3]。由于对射式测厚法需要在管道内壁安装超声波探头，在实际应用时具有一定的局限性，因此本次设计采用反射式测厚法。反射式测厚法，又有单探头测厚法和双探头测厚法，为了方便操作，提高检测效率，采用单探头法进行厚度测量。通过电子技术对超声回波信号进行接收和处理，会获得超声波回波信息，进而表征管道厚度的信息。

单探头测厚法的原理示意图如图1 所示。发射电路激励超声波探头，产生超声波信号，该信号通过耦合剂进入工件，经过工件的下表面后，会反射出超声回波信号，接收电路可以对超声回波信号进行处理，控制电路根据接收到的超声回波信号，计算回波之间的时间差，进而计算工件的实际厚度。

图1 单探头超声测厚法原理示意图

3 硬件电路设计

3.1 电路整体方案

管道腐蚀检测系统的硬件电路框图如图2 所示，电路主要分为发射电路和接收电路。

图2 管道腐蚀检测系统硬件电路框图

通过高压模块为发射电路提供直流高压，控制器可以控制发射电路产生超声波探头所需的高压脉冲，进而激励超声波探头产生原始超声波[4]。通过超声波接收电路可以对超声波回波信号进行接收和处理，由于使用一体化超声波探头，超声波的发射和接收采用分时工作的方式。限幅放大电路由限幅电路和放大电路组成，为了避免超声波发射电路中的高压激励脉冲对接收电路产生影响，首先设计限幅电路，对接收回波信号进行限幅处理。超声回波信号通常为mV 级的信号，因此设计放大电路对小信号进行放大。超声回波信号的频率与超声波探头的中心频率一致，频率较高，不便于采集电路进行采集，因此设计检波电路，可以将超声回波信号转换为超声回波包络信号[5]。采集电路可以对检波后的超声回波包络信号进行采集，控制器根据采集到的数字量信息，计算两次超声回波之间的时间差值，进而计算管道壁厚。

3.2 发射电路设计

发射电路主要产生高压负脉冲信号，进而激励超声探头，高压负脉冲信号要求上升和下降时间短，从而提高超声波探头的声压转换效率。超声发射电路的原理图如图3 所示。

图3 超声发射电路图

选用TI 公司的UCC27524 芯片作为MOSFET驱动器，该芯片具有5A 的峰值驱动电流，典型上升时间为7ns，典型下降时间为6ns，可以快速驱动后级MOSFET 开启和关断。当UCC27524 输出低电平时，Q1 关断，此时高压电源对电容C1 进行充电，充电的回路为R1、C1、R2 和D5，充电结束后，电容C1两端的电压为VHigh。当UCC27524 输出高电平时，Q1 开启，电容 C1 通过 Q1、L1、D3 形成高压负脉冲，该高压负脉冲通过D1 和D2 后，加在超声波探头上，进而激励超声波探头产生固有震荡频率的超声信号[6]。

3.3 接收电路设计

3.3.1 放大滤波电路

由于采用单探头模式进行超声波的收发，为保证接收电路不受发射电路的高压干扰，首先通过二极管网络搭建限幅电路。超声回波信号通常为mV级信号，为确保后级信号可以有效地处理超声回波信号，需设计超声回波放大电路。超声回波放大电路采用ADI 公司的ADA4895 高速低噪声放大器为核心芯片，采用两级放大的方式，将超声回波信号放大100 倍。ADA4849 为轨到轨运算放大器，-3dB 带宽为236MHz，同时，也具有低噪声和较低功耗的特点。ADA4849 的DIS 引脚为芯片的使能引脚，通过控制DIS 引脚状态，可以控制运算放大器在回波接收时工作，进而降低整个系统的功耗。在两级放大电路的中间级，设计C3 和C6 电容，可以保证波形不失真，提高放大电路的稳定性[7]。限幅放大电路的电路图如图4 所示。

图4 限幅放大电路

本次设计所用的一体化超声探头的中心频率为5MHz，因此，在放大电路的后级，设计带通滤波器，保证以5MHz 为中心的频率可以有效传输。采用5 阶无源切比雪夫I 型滤波器的拓扑结构，完成本次滤波器设计。切比雪夫I 型滤波器，在过渡带衰减较快，可以有效滤除无用信号，通带设计时，充分考虑通带波动，以保证有用信号有效传输[8]。5 阶滤波器可以有效地保证滤波器通带的平坦，以及过渡带的迅速衰减，所设计的滤波器中心频率为5MHz，通带宽度为1MHz。滤波器的电路图如图5 所示，滤波器的幅频特性曲线如图6 所示, 经过放大滤波后的实测超声回波信号如图7 所示。

图5 带通滤波电路

图6 滤波器幅频特性曲线

图7 放大滤波后超声回波信号

3.3.2 回波检波电路

超声回波信号的频率与超声探头的中心频率一致，即为5MHz，频率较高。经过放大滤波后的超声波回波信号，需要进行检波处理，检波的主要作用是获得每组超声波回波的包络信号，以便后续采集电路进行采集[9]。在进行板材厚度测量时，需要计算两组超声回波峰值间的时间差，针对超声包络信号进行采集和处理，准确率较高，同时处理较为方便。

超声回波检波电路如图8 所示，采用ADI 公司AD8138 作为检波电路的放大器，AD8138 的-3dB带宽为320MHz，可以满足5MHz 的超声回波信号处理要求。同时，该芯片具有较低的失调电压、较低的输入电压噪声、较快的压摆率等特点，适合超声信号处理电路使用。由检波二极管D9 和D10、电阻R16、电容C15，构成检波电路网络，经过差分放大器后的超声回波信号，再经检波电路网络，可以得到超声回波的包络信号。当检波二极管D9 和D10 正向导通时，信号为电容C15 充电，当检波二极管D9 和D10截止时，电容C15 通过电阻R16 进行放电，在电路设计时，选取合适的电阻值和电容值，使充电时间匹配超声回波信号，而放电时间大于充电时间，最终OUT_DET 信号即为超声回波信号的包络。

图8 超声回波检波电路

经过检波电路后的超声回波信号如图9 所示，由图可以看出，经检波后的超声回波信号，包络较为完整，适合后续采集电路进行采集和处理。

图9 检波后的超声回波信号

3.3.3 数据采集电路

数据采集部分选用TI 公司的ADC14C105 模数转换器作为核心器件，对前级的超声波包络信号进行数字化采集。ADC14C105 为14 位的ADC，最大采样率为105MHz，满足超声波回波采集需要。可以通过单电源3.3V 为该ADC 进行供电，兼容整个系统的电压等级。

数据采集部分的电路如图10 所示。经过检波处理后的超声波包络信号通过ADC14C105 的VIN+引脚进行输入，ADC14C105 对超声波包络信号进行数字化采集，通过D0-D13 引脚进行并行输出，D0-D14 引脚外部接有阻值较小的电阻，以减小高速数字传输的噪声。ADC14C105 并行输出的数据传送至FPGA 进行处理，FPGA 可以根据采样值的大小，计算两次超声回波波峰之间的时间差，进而计算待测处的厚度值。在数据采集电路设计时，模拟电源和数字电源分开布局，并在单点进行短接，以减少干扰[10]。

图10 数据采集电路

4 系统测试

在石油化工行业，通常选用钢材质的板材作为管道材质，因此通过设计的腐蚀检测系统，对标准厚度的钢材质板材进行实验，以模拟实际应用环境。本次实验选择四种厚度的标准钢板，以充分验证不同厚度下，腐蚀检测系统的检测效果。在实际现场情况下，随着使用年限的增加，钢板的厚度会发生变化，在管道的重要位置安装超声波传感器，通过本次设计的管道腐蚀检测系统，可以及时监控管道的腐蚀情况。在钢板中，超声波的理论速度值为5900m/s，可以根据以下公式计算钢板的厚度值：

式中，V 是速度值，T 是两次超声波回波之间的时间间隔，L 是板材的厚度值。实际测得结果如表1所示，在现场使用情况下，要求测量的偏差5%以内，而设计的超声波腐蚀检测系统，检测偏差可以达到3%以内，可以满足使用要求。

5 结束语

在石油化工行业，需要对油气输送管道进行定期的检测，以防止管道因外界电化学等作用遭受腐蚀。通过超声波检测原理，设计管道腐蚀检测系统。管道腐蚀检测系统的电路分为超声波发射电路和超声波接收电路，电路的实测波形良好。根据现场使用情况，对标准工件进行测量，测量的准确度较高，偏差值较小，满足实际使用要求。

表1 测试结果