油气管道在线应力超声测量装置的制作方法

本发明属于油气管道应力检测领域，具体地，涉及管线钢金属在线应力超声测量装置，该装置以声弹性理论为基础，能够通过测量超声临界折射纵波(LCR波)在金属内表层的飞行时间，进而计算出金属内部的应力大小。该测量装置精巧，可实现无损检测，并且测量精度高，测量速度快。

技术背景

随着国内外对石油、天然气的需求不断提高，油气管道向着大口径、高压力、高强度和高设计系数的方向发展，但是随着使用年限的逐年增长，管道缺陷也随之增多，油气管道进入一个事故多发阶段。在所有的油气管道设备中，金属承受载荷十分大。这些管道内部应力的大小及其变化是衡量其可靠性的主要参考指标。管道金属内部应力的大小变化除了与其受力情况有关外，还与其加工过程，形变及周围的温度有关。为了维护、检查和延长管道的使用寿命，长期以来人们很关注管道应力的检测。应力的测量方法有很多，如x射线法、磁力法、应变片法、超声方法等。传统的测量方法，如x射线法、磁力法等需要的设备体积庞大，价格昂贵，不适宜室外大规模测量。而超声波所固有的特性，如穿透能力强、仪器设备简单、测量速度快、低成本等，因此利用超声波无损检测金属材料表面和内部的应力状况具有极大的潜力。

然而传统的超声测量应力装置相对较大，不可手持，测量方式一般为对信号采样测量，其低采样频率决定了其测量精度低，其采样频率很难做到1GHz以上，故其时间测量精度往往只能达到10^-8-10^-9S。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种体积小，可手持，精度高的独立超声应力测量系统，能够通过测量数据准确地绘制出金属管道的应力分布情况。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

油气管道在线应力超声测量装置，包括：低功耗处理器、超声发射模块、超声接收模块、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块、电源管理模块；其中：超声发射模块发射高电压脉冲，超声接收模块用于接收信号的波形放大及整形；时间测量电路模块测量超声发射起始信号和截止信号的时间间隔；液晶显示及交互模块用于系统管理及测量结果显示；电源管理模块用于为低功耗处理器、超声发射模块、超声接收模块、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块供电。低功耗处理器用于系统管理、电源控制、采集测量结果、处理测量结果并控制将结果显示出来。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、时间测量采用区别于传统的采样方式，以门延迟替代采样，时间测量精度为55ps，最终系统的时间测量精度为100ps，对应的测距精度达到了1um以内，相当于使用20GHz的采样速率所获取的采样精度，而传统方案的采样速率很难做到1GHz以上，故而大大提高了检测的精度。

2、发射部分电源采用光电倍增压升压，输出电压稳定、集成化、模块小巧安全、封装完整。

3、发射和接收隔离设计，很大程度上降低了发射波形对接收波形的干扰，从电路上来说，发射部分和接收部分的地相隔离；从结构设计上来说，采用金属屏蔽罩将发射部分完全罩住屏蔽，防止电磁干扰。

4、采用各种低功耗的传感器和微处理器芯片，大大降低了系统的功耗；采用锂电池充放电电路，为系统提供稳定的电源，使得系统可以连续、长期、稳定地在野外工作。

5、温度测量和超声飞行时间测量集成在同一个模块内，降低了硬件设计上分立元件的复杂程度，减小了整体设备的尺寸。温度测量采用PT1000传感器，单独给出一个接口给温度传感器，拆卸组装方便灵活，贴合实际使用场景。

6、基于前期大量的测量数据以及相关研究，在此基础之上嵌入各种智能算法并集成在单片机内，如噪声滤波算法，使测量结果更加精确。

7、所有线路信号传输均采用同轴线缆，相关接口采用SMA屏蔽接口，隔绝外界干扰，最终的测量结果将更加真实可靠。

8、信号前端整形集成化设计，对接收波形进行可编程控制，确保每次收到的信号均是真实信号，极大程度上降低了噪声的干扰。

附图说明

图1是油气管道在线应力超声测量装置的结构示意图；

图2是油气管道在线应力超声测量装置核心信号示意图；

图3是油气管道在线应力超声测量装置的部分发射模块电路图；

图4是油气管道在线应力超声测量装置接收模块(含温度测量)电路图；

图5是油气管道在线应力超声测量装置接收信号处理示意图；

图6是油气管道在线应力超声测量装置的时间测量电路模块图；

图7是油气管道在线应力超声测量装置的电源模块示意图；

图中，1、低功耗处理器，2、超声发射模块，3、超声接收模块，4、时间测量电路模块，5、液晶显示模块，6、电源管理模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，油气管道在线应力超声测量装置，包括：低功耗处理器1、超声发射模块2、超声接收模块3、时间测量电路模块4、液晶显示及交互模块5、电源管理模块6；其中：超声发射模块用于发射高电压脉冲；超声接收模块主要用于接收信号的波形放大及整形；时间测量电路模块用于测量超声发射起始信号(START信号)和截止信号(STOP信号)的时间间隔；液晶显示及交互模块用于系统管理及测量结果显示；电源管理模块用于为低功耗处理器1、超声发射模块2、超声接收模块3、时间测量电路模块4、液晶显示及交互模块5供电。低功耗处理器1作为系统的心脏，用于系统管理、电源控制、采集测量结果、处理测量结果并控制将结果显示出来。本发明管道应力超声测量系统采用集成化设计，收发隔离设计，模拟时间测量方式(区别于采样测量)，并对测量结果进行大量统计得出有效的数据滤波方法，实现了高效、高精度的测量。

低功耗处理器1作为主控中心，控制超声发射模块2、超声接收模块3、时间测量电路模块4、液晶显示及交互模块5的芯片的初始化，控制超声发射的频率，控制超声接收电路的波形整形以及增益、读取测量时间结果、控制发射电源的开启和关闭、控制液晶显示屏的显示界面以及读取操作。

超声发射模块2作用是将发射信号转换为一个100V以上的脉冲信号发送到超声探头，经过压电晶片转换为5MHz的超声波经由油气管道壁发送到接收探头；如图3所示，C37和C38为蓄电电容，L2为电感，隔离发射信号对前级的影响，R39是C35的充电限流电阻，Q1为高压大电流开关MOS管。D4与D5高压肖特基二极管，R27是阻尼电阻，抑制震荡，J1为发射SMA端子。

超声接收模块3用于接收信号的放大和整形，将接收的信号经过一系列的可编程控制处理之后作门槛鉴定和过零点判别，最终得到STOP数字信号。超声接收模块如图4所示，为双通道逻辑信号发射和超声信号接收，超声信号通过RX脚(1，2脚)接收，然后经过一级低噪声固定增益的放大LNA(可编程屏蔽放大)，放大的信号由LNAOUT(4脚)接收，经过C27电容高通滤波之后，进入可编程增益放大器PGA，由PGAOUT(6脚)输出，后经过滤波网络由COMPIN(7脚)进入比较单元，通过一系列的可编程信号处理，产生接收数字信号(STOP信号)。同时，该模块集成了温度测量功能，由RTD脚(8、9脚)接入PT1000温度传感器，经由可编程控制单元，可测得传感器实时温度。

具体的信号处理可参照图5所示，信号经过放大滤波后由VCOM脚进入比较器单元，其中COMPIN所指示的信号为接收实际信号波形的示意图，当信号的低峰值低于VTHLD时，比较器开始起作用，进行过零点比较产生STOP数字信号。STOP信号脉冲的个数由发射信号脉冲个数决定。

时间测量电路模块4用于测量飞行时间，当收到START信号后开始使用门延迟计时，接收到STOP信号后停止计时，并将结果存储在寄存器中。时间测量电路模块电路图如图6所示，具体的工作原理为，通过SPI接口写入命令，触发一次测量之后，由trigger脚(2脚)产生trigger信号，促使发射模块发射信号，然后将发射的START信号返回给该模块(3脚)，之后得到的STOP信号亦返还给该模块(4脚)，当模块收到START信号后便开始进行门延迟计时，当STOP信号产生后，统计总共有多少个门被经过即可测得最终的时间波形飞行时间，并将结果存储在寄存器中待低功耗处理器取得结果。

液晶显示及交互模块5主要是用作结果显示以及系统相关信息的显示，通过触控切换不同的功能以及调出不同的界面。

电源管理模块6主要用于系统供电。电源管理模块如图7所示，系统电源由12V的锂电池供电，并配置充电管理单元。由锂电池的12V通过DCDC降压为4.2V，然后由此电压采用LDO转换为3.3V的数字供电和3.6V的模拟供电，原因是DCDC电源效率高，如果用LDO直接转换则会导致效率非常低，而后面采用LDO是因为LDO的供电稳定，电源纹波小。而对于发射部分，先采用DCDC隔离的方式获取到隔离的12V电压作为隔离驱动电路输出电平的供电，然后通过光电倍增压的方式升压到200V为发射模块持续而稳定的电压，采用隔离方式是为了防止发射模块的高压脉冲对超声接收地的干扰。

油气管道在线应力超声测量装置的工作原理如下：工作流程可参考图2的信号流程图，首先低功耗处理器1接收到外部的控制信号开始测量，开启超声发射模块2的电压，然后开启定时器，定期发送测量信号到时间测量电路模块4。该模块产生TRIGGER信号发送到超声发射模块2，超声发射模块2进行时间对齐后开始发射信号，同时产生一路START信号返还给时间测量电路模块4并开始计时，超声发射模块2在发射信号的作用下产生100V以上的脉冲波形经由屏蔽线传输给发送探头的压电晶片差生超声波，超声波经过耦合剂斜射入金属产生LCR波，该超声波沿着金属表面传播经过接收探头收到信号，该信号经过压电转换为电信号经过屏蔽线传送给超声接收模块3，超声接收模块3经过一系列的可编程控制，整形之后产生相应的接收数字信号(STOP信号)，并将该信号传达给时间测量电路模块4，停止计时，并将计时结果通过SPI接口返回给低功耗处理器1，低功耗处理器1对多次测量结果进行滤波处理得到准确时间(100ps精度)，并通过前期的大量实验拟合的时间应力曲线计算得出金属表面的应力。