0 引言

隨著國(guó)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(yíng)。我國(guó)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(guó)內(nèi)CNG加氣站首選儲(chǔ)氣方式。國(guó)外也有50多個(gè)國(guó)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(cè)周期為6年，必須定期進(jìn)行井管的無損檢測(cè)和測(cè)厚檢測(cè)，但這方面尚無完善的檢測(cè)手段。由于天然氣中含有較多的硫，易形成對(duì)金屬有很強(qiáng)腐蝕能力的腐蝕液，且長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外比較成熟的油氣井檢測(cè)已發(fā)展到超聲波成像檢測(cè)，但這種檢測(cè)技術(shù)只能對(duì)井中有油，水或泥漿介質(zhì)的油氣井進(jìn)行檢測(cè)，而不能直接應(yīng)用于CNG地下儲(chǔ)氣井的檢測(cè)。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(cè)。

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(duì)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(rùn)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(duì)徑向電機(jī)的控制信號(hào)是t=t1的反射回波。設(shè)超聲波在潤(rùn)滑液中速度為v，潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑液開關(guān)被完全打開，有最多的潤(rùn)滑液流入探頭與管壁之間形成厚為e的簿膜，起到潤(rùn)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(hào)：工作頻率為12．5 kHz的方波信號(hào)，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(hào)。
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(hào)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(hào)通道關(guān)閉時(shí)，將超聲波回波通道接通，將回波信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計(jì)算、處理、控制等操作，輸出控制信號(hào)。
控制電路：對(duì)單片機(jī)輸出信號(hào)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(duì)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(hào)。這個(gè)很微弱的信號(hào)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(hào)由7腳送到單片機(jī)的INT1口輸入。

2．2．2 控制信號(hào)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(hào)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(cè)筒底部碰觸開關(guān)執(zhí)行，當(dāng)檢測(cè)筒由牽引纜繩下放到井底，碰觸開關(guān)接通，系統(tǒng)檢測(cè)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(cè)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(hào)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(cè)。若標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)e0大于被檢測(cè)數(shù)據(jù)e，則出口1有控制信號(hào)通過控制信號(hào)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(cè)，若標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)e0小于被檢測(cè)數(shù)據(jù)e，則出口2有控制信號(hào)通過控制信號(hào)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(cè)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(cè)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(duì)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。