基于PC104的儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射采集系統(tǒng)*

付銅玲，李一博，靳世久

（天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

0 引言

近些年來，國內(nèi)外石油儲罐泄漏事件屢有發(fā)生，對國民經(jīng)濟造成重大損失的同時也嚴重污染了環(huán)境。在儲罐泄漏事故中，儲罐底板腐蝕穿孔發(fā)生頻率最高［1］因此，對石油儲罐罐底腐蝕情況進行檢測與監(jiān)控尤為重要。在眾多檢測方法中，基于聲發(fā)射技術的罐底腐蝕和泄漏在線檢測方法得到廣泛應用［2～5］。傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測方法不能有效消除來自儲罐內(nèi)部的噪聲干擾［6］，腐蝕信號中混有的大量噪聲成為后續(xù)腐蝕區(qū)域準確定位的障礙。針對這一問題，對傳統(tǒng)儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射檢測方法進行改進，提出一種儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射內(nèi)檢測方法。

內(nèi)檢測方法打破了傳統(tǒng)檢測方式，搭載信號采集系統(tǒng)的內(nèi)檢測器在儲罐油品內(nèi)部近距離地對腐蝕區(qū)域進行腐蝕聲發(fā)射檢測，多途效應減弱，噪聲干擾大大減少。內(nèi)檢測器數(shù)據(jù)采集要求高速、高精度，需要一個處理能力強的嵌入式平臺，而PC104是一種優(yōu)化的小型堆棧式結構的嵌入式控制系統(tǒng)，正好符合這一要求。本文設計一種基于PC104的儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射信號的采集系統(tǒng)，實現(xiàn)內(nèi)檢測器對儲罐罐底聲發(fā)射信號的采集和存儲。

1 系統(tǒng)硬件設計

基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)由四部分組成，聲發(fā)射傳感器、前處理電路、基于PC104的數(shù)據(jù)采集模塊以及基于PC104的CPU模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of acoustic emission acquisition system based on PC104

聲發(fā)射傳感器是腐蝕聲發(fā)射檢測的關鍵裝置，是檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)選用美國物理聲學公司（PAC）的R3α型壓電式聲發(fā)射傳感器，中心頻率為30 kHz。

聲發(fā)射信號經(jīng)由聲發(fā)射傳感器接收進入前處理電路，前處理電路由電荷放大電路和比例放大電路組成。

在聲發(fā)射波激勵下，聲發(fā)射傳感器輸出的電荷信號經(jīng)電荷放大器轉換為電壓信號，電荷放大器實際等效電路如圖2所示。圖中Cs為聲發(fā)射傳感器等效的電容，其漏電阻為Rs，Cc是傳感器的電纜電容，Ri和Ci分別為運算放大器的輸入阻抗和輸入電容。根據(jù)聲發(fā)射信號頻帶情況，綜合考慮聲發(fā)射信號的下限頻率、噪聲和漂移，需要合理地選擇R，C 值，本文選取 R=470 MΩ，C=510 pF。

圖2 電荷放大電路的實際等效電路圖Fig 2 Equivalent circuit of charge amplifier

電荷放大器輸出的電壓信號大小約為20dB，為有效地采集數(shù)據(jù)，需要增益為40 dB的放大器。單個AD820放大器的增益帶寬積（GBP）為1．8 MHz，在放大40 dB情況下，帶寬僅為18 kHz，不滿足聲發(fā)射信號帶寬要求，因此，選用2個各自增益更低、帶寬更寬的同相級級聯(lián)在一起，當兩級增益相等即分別為20 dB時帶寬最寬，經(jīng)計算此時帶寬為64．3 kHz，滿足集聲發(fā)射信號帶寬要求。2個同相放大器級聯(lián)電路圖如圖3所示。

圖3 同相放大器級聯(lián)電路圖Fig 3 In-phase amplifier cascaded circuit

基于PC104的數(shù)據(jù)采集模塊和CPU模塊是系統(tǒng)核心硬件設備，分別選擇美國RTD公司的數(shù)據(jù)采集模塊DM6420和CPU模塊 CME137686LX。其中，DM6420模塊具有 16個單端輸入通道，12位分辨率，最高采樣率500kHz，滿足聲發(fā)射信號采集要求。同時，CME137686LX模塊在性能和速度上都很好地支撐數(shù)據(jù)采集模塊完成信號采集。

此外，系統(tǒng)工作在一個相對非穩(wěn)定的環(huán)境，內(nèi)檢測器在液體場運動時，不可避免地有晃動出現(xiàn)，對各器件的抗震性提出了較高要求，而硬盤是系統(tǒng)中抗震性最差的器件。因此，固態(tài)硬盤是唯一的選擇。考慮到游弋式傳感器機械體的空間限制，設計選用2．5 in（1 in=2．54 cm）寬溫固態(tài)硬盤，容量為256 GB，滿足了數(shù)據(jù)存儲要求。

2 系統(tǒng)軟件設計

主控系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)環(huán)境為LabWindows，PC104 CPU板卡的操作系統(tǒng)選用Windows XP Embedded。程序的總體流程分為:設備的初始化和數(shù)據(jù)的采集與存儲。PC104CPU模塊和PC104數(shù)據(jù)采集模塊上電后，采集程序先對兩模塊進行初始化，對所需功能進行驗證無誤后開始數(shù)據(jù)的采集與存儲。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設計流程圖Fig 4 Flow chart of system software design

儲罐罐底腐蝕產(chǎn)生的是典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號，但因為數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，采集的信號中2個聲發(fā)射信號之間是大量無用的噪聲信號。因此，需要對采集到的信號進行判斷，確定為聲發(fā)射信號后再存儲。

如圖5所示，突發(fā)型聲發(fā)射信號有個明顯的上升階段，系統(tǒng)采用閾值法對采集到的信號進行判斷。當采集到的信號中有過閾值的數(shù)據(jù)點即認為采集到的信號是聲發(fā)射信號，本設計根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗值將閾值設為60 dB。

圖5 典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號的波形Fig 5 Waveform of a typical burst acoustic emission signal

為實現(xiàn)將完整的聲發(fā)射信號記錄下來，本文設計提出以下方案:

1）選擇閾值方法對采集到的數(shù)據(jù)進行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)有過閾值的數(shù)據(jù)點才斷定為所需信號，對其后的一定長度的數(shù)據(jù)進行存儲。從聲發(fā)射信號的波形圖可以看出:過閾值點之前一定還存在一部分信號數(shù)據(jù)段，這樣過閾值點之前的那部分信號的信息就會丟失。對于這一問題，本文設定一定長度的內(nèi)存段專門用于存放當前采集點之前的N個數(shù)據(jù)點。在采集到過閾值的數(shù)據(jù)點后，將這N個數(shù)據(jù)點與過閾值其后一定長度的信號一并存儲，這方面數(shù)據(jù)丟失問題即得到解決。

2）在數(shù)據(jù)傳輸過程中，有2種方式:非DMA傳輸方式和DMA傳輸方式。非DMA傳輸方式是采集卡采集到需要存儲的大量數(shù)據(jù)通過芯片進入CPU，再由CPU傳輸?shù)紺PU板卡的內(nèi)存空間。由于傳輸速度比較慢，占用CPU工作時間，這期間要有部分數(shù)據(jù)丟失。而系統(tǒng)采用的DMA傳輸方式可使大量數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU直接通過芯片進入CPU板卡內(nèi)存，這樣不但極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，減少數(shù)據(jù)丟失，同時還降低了CPU功耗與發(fā)熱量。

3 實驗結果

為了驗證本文所設計的腐蝕聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)的采集效果，設計了一系列對比實驗。使用標準的美國物理聲學公司（PAC）公司生產(chǎn)的大型聲發(fā)射儀和本文設計的基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)對相同斷鉛聲發(fā)射信號進行采集與存儲，并對二者的采集情況進行比對。

將2個R3α型聲發(fā)射傳感器耦合在事先準備的材質均勻鋼板上，使用固定裝置固定好，再分別將其接入PC104采集系統(tǒng)和PAC聲發(fā)射儀。在傳感器位置連線中點上進行斷鉛操作，兩系統(tǒng)對同一斷鉛信號進行采集，實驗布局示意圖如圖6所示。

圖6 實驗布局示意圖Fig 6 Schematic diagram of experimental arrangement

實驗分別對50組斷鉛信號進行采集，選取其中一組PAC聲發(fā)射儀與基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集的斷鉛信號波形圖，如圖7所示。

圖7 斷鉛信號波形對比圖Fig 7 Waveform comparison digaram of broken lead signal

聲發(fā)射標準規(guī)定的幾個重要特征值分別為:振鈴次數(shù)、幅值、持續(xù)時間、上升時間、初始頻率、絕對能量值。為了進一步對比兩系統(tǒng)的采集情況，對PAC聲發(fā)射儀和基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集到的50組聲發(fā)射信號進行標準特征值提取并取平均值。特征值提取后分別計算本系統(tǒng)相對PAC聲發(fā)射儀各特征值的相對誤差。各特征值的提取與誤差情況如表1所示。

表1 各特征值的提取與誤差Tab 1 Extraction of eigenvalues and their errors

實驗數(shù)據(jù)表明:本文設計的基于PC104的聲發(fā)射采集系統(tǒng)能夠采集到所需的聲發(fā)射信號，并與聲發(fā)射儀采集到的信號進行了波形圖和特征值的比對，誤差最大約為1%，能夠滿足系統(tǒng)設計要求。

4 結束語

目前，在役的石油儲罐數(shù)量逐漸增多，但傳統(tǒng)的儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射檢測方法已不能滿足現(xiàn)階段的需要。該基于PC104的儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射采集系統(tǒng)，嵌入式結構，采集信號準確，適合儲罐內(nèi)部檢測，為儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射內(nèi)檢測方法的實施創(chuàng)造了條件，具有廣闊應用前景。

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