基于TDC-GP21芯片的超聲波管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)

楊理踐，高 飛，高松巍

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

在工業(yè)化工企業(yè)中，管道腐蝕問題對企業(yè)的安全運行起到了至關(guān)重要的作用。由于化工管道長期工作在高溫、高壓的作業(yè)環(huán)境內(nèi)，并且管道載流的工業(yè)原料具有強(qiáng)腐蝕性，使得輸運管道有著高溫操作、易腐蝕、運行風(fēng)險高等特點[1-2]。為了確保生產(chǎn)作業(yè)的安全連續(xù)性，防止事故的發(fā)生，研究有效、高精度的管道腐蝕技術(shù)變得越來越重要。

目前，對腐蝕檢測的方法主要有掛片檢測法、超聲波檢測法、線性極化法、電阻電極法、檢測法等多種檢測法[3]。對于在役管道的在線監(jiān)測主要以超聲測厚、電阻電極和射線檢測方法為主[4]。超聲波檢測技術(shù)由于其測量準(zhǔn)確、使用方便、聲波的方向性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。由于管道內(nèi)壁長期受到載流體的沖刷和摩擦，使得管道壁出現(xiàn)了腐蝕減薄現(xiàn)象。系統(tǒng)采用的超聲波定點測厚法是腐蝕監(jiān)測的重要方法之一，通過對管道壁厚進(jìn)行定期的在線測量來實現(xiàn)腐蝕的監(jiān)測，防止腐蝕導(dǎo)致的工業(yè)事故的發(fā)生[5]。為了能夠準(zhǔn)確獲得管道腐蝕變化的信息，提高監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度，降低成本，主要研究基于高精度時間轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21的超聲波腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計。通過實驗，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-1對腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了精度校驗。

1 超聲波管道腐蝕監(jiān)測原理

1．1 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

由于化工原材料的高腐蝕、高污染特性，加上流體運動的特征，使得液體原料經(jīng)過管道彎頭、三通等部位時對其進(jìn)行了高速的沖刷，這些重點部位腐蝕程度大幅上升。對于這些特殊位置，選用超聲波脈沖定點測厚方法來進(jìn)行腐蝕在線監(jiān)測，管道腐蝕監(jiān)測工作原理如圖1所示。

圖1 管道腐蝕監(jiān)測工作原理

1．2 超聲波測厚原理

管道腐蝕后產(chǎn)生壁厚減薄現(xiàn)象，這些問題將導(dǎo)致管道破損失效，通過對壁厚的監(jiān)測，將防止安全事故的發(fā)生。超聲波測厚法將有效監(jiān)測管道腐蝕，超聲腐蝕監(jiān)測原理如圖2所示。

圖2 超聲腐蝕監(jiān)測原理

超聲波測厚主要有脈沖反射法、共振式法以及蘭姆波法等幾種方式，對于光潔度不高、表面比較粗糙的化工管道來說，超聲波脈沖反射法更適合用來進(jìn)行在線腐蝕監(jiān)測。脈沖反射法測厚原理是通過激勵壓電換能器來產(chǎn)生固定頻率的聲波信號穿過被測材料，在不同介質(zhì)交界面反射回波信號，通過測量回波信號的幅度和信號間的傳播時間，來測量壁厚，監(jiān)測腐蝕情況，超聲波脈沖反射法測厚原理如圖3所示。

圖3 超聲波脈沖反射法測厚原理

超聲波脈沖反射法測厚計算公式為[6]：

L=ct/2

(1)

式中：c為超聲波在工件中的傳播速度；t為超聲波往返于工件上、下表面的傳播時間；L為被測工件厚度。

只要測得t，即可由式(1)計算厚度，得到厚度測量值。

2 超聲波管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

2．1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路(限幅電路、放大濾波電路、檢波電路、電壓比較電路、時間測量電路)、控制電路、顯示電路、通信接口電路等電路組成[7]，監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在壓電式超聲波檢測中，在壓電超聲探頭兩端加載高壓脈沖信號，信號的幅度越大，激發(fā)出的超聲波的能量就越大，一般高壓脈沖信號幅度達(dá)到幾百V.系統(tǒng)采用高壓模塊DW-P6012C7A提供600 V高壓，以單片機(jī)為核心的控制電路，發(fā)射脈沖控制信號，觸發(fā)場效應(yīng)管驅(qū)動芯片，驅(qū)動發(fā)射電路工作，最終產(chǎn)生高壓脈沖信號激勵探頭工作，完成超聲波的發(fā)射。由于超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，超聲波入射到被測工件內(nèi)，在工件的上、下表面產(chǎn)生對應(yīng)的反射回波信號，經(jīng)探頭接收后，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號，由超聲波接收電路接收處理。超聲波探傷或測厚回波信號的幅值比較小(幾百μV～幾十mV)，為了避免特殊情況下，信號過大(幾十V或更大)，影響后續(xù)電路的正常工作，甚至燒毀元件，故采用限幅電路，回波信號經(jīng)限幅電路后可以鉗定在±2 V內(nèi)。由于回波信號幅度小，受外界噪聲干擾較大，為獲取有效信號，信號限幅后將經(jīng)過放大、濾波電路。放大電路采用程控放大電路實現(xiàn)，實現(xiàn)對超聲波能量衰減的補(bǔ)償，將回波信號放大到后續(xù)電路的工作電壓范圍內(nèi)。

系統(tǒng)選用的超聲探頭中心頻率為2．5 MHz，為了獲得更好的濾波效果，設(shè)計了中心頻率為2．5 MHz帶通濾波電路，當(dāng)探頭與帶通濾波器的中心頻率相同時，降噪的效果最好。檢波電路將拾取高頻回波信號的包絡(luò)信息，降低信號的頻率，便于后續(xù)電路的處理。當(dāng)回波信號經(jīng)檢波電路處理后，由電壓比較電路和TDC-GP21為核心的時間測量電路，在單片機(jī)的控制下完成對腐蝕的監(jiān)測。

2．2 檢波電路

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)工作時發(fā)射頻率為2．5 MHz的超聲波，測量回波信號頻率高，給信號的采集與處理帶了一定的難度，為滿足后續(xù)電路的測量要求，采用檢波電路，將放大濾波后的回波信號進(jìn)行峰值包絡(luò)檢波，檢波電路如圖5所示。

圖5 檢波電路

檢波電路依據(jù)二極管峰值包絡(luò)檢波原理，由檢波二極管1N60、高頻濾波電容C1、負(fù)載電阻R3組成。系統(tǒng)通過對厚度為2．5 cm的鋼板進(jìn)行實驗，得到的測量回波原始信號和經(jīng)檢波電路處理的回波信號分別如圖6、圖7所示。

S—上表面回波；B1—下表面一次回波；B2—下表面二次回波；B3—下表面三次回波圖6 測量回波原始信號

由圖6可見，當(dāng)超聲波在鋼板中傳播時，聲波遇到介質(zhì)變化時，有反射回波產(chǎn)生。如圖6所示，每個回波脈沖信號間的時間間隔為等距離的，即超聲波返于鋼板上、下表面的時間，通常將S與B1間的時間間隔作為被測時間。通過測量S與B1之間的時間間隔，即可得到工件厚度。

圖7 經(jīng)檢波電路處理的回波信號

由圖7可見，回波原始信號經(jīng)檢波后，得到理想的峰值包絡(luò)信號，信號比較光滑，噪聲干擾小，為后續(xù)處理電路提供了有效的信號。

2．3 比較電路

AD8611是單路電壓比較器，具有4 ns快速傳播延遲性能，較低的電源電流和較寬的共模輸入范圍，額定溫度范圍為-40～85 ℃.以AD8611芯片為核心的電壓比較電路見圖8。

圖8 電壓比較電路

由于單限比較器受外界干擾影響嚴(yán)重，容易在閾值附近產(chǎn)生邊沿抖動現(xiàn)象，對信號上升、下降沿判斷有誤，影響測量結(jié)果的精度。滯回比較電路抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高。為了使后續(xù)的時間測量電路能精確地捕捉到回波信號，得到高精度的測量結(jié)果，采用高速電壓比較器AD8611構(gòu)成滯回比較電路，輸出上升沿陡峭的方波信號，這樣時間測量電路將更精確的測量出超聲波往返于管壁的時間。在電壓比較電路中，通過調(diào)整R4的阻值，可以實現(xiàn)對比較器閾值的調(diào)節(jié)，最終確定理想的閾值，使電壓比較電路輸出的信號更精確。在上述實驗過程中，經(jīng)電壓比較電路處理的回波信號如圖9所示。

圖9 經(jīng)電壓比較電路處理的回波信號

圖9中，信號經(jīng)比較電路處理后，輸出矩形脈沖信號，信號上升沿陡峭、噪聲小，為后續(xù)時間測量電路提供了精確信號。

2．4 TDC-GP21時間測量電路

時間測量的精度是決定管道腐蝕監(jiān)測是否高效的關(guān)鍵因素。TDC-GP21是高分辨率的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，由于超低的功耗，多模式的測量方式，集成度高，成為脈沖式超聲波測厚時差測量的理想選擇。因此，腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)采用電壓比較器AD8611與時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21構(gòu)成數(shù)據(jù)處理單元，由單片機(jī)控制，實現(xiàn)腐蝕的監(jiān)測。TDC-GP21是通過計算信號在芯片內(nèi)部傳播，經(jīng)過門電路的延遲時間，來實現(xiàn)高精度時間間隔測量，以TDC-GP21為核心的時間測量電路如圖10所示。

圖10 時間測量電路

TDC-GP21單次測量分辨率至少90 ps，內(nèi)部設(shè)計置2個測量范圍。測量范圍1，時間測量范圍從3．5 ns～2．4 μs，雙通道典型測量精度為90 ps，單通道典型精度為45 ps，通過對寄存器的設(shè)置，可以測量任意2個脈沖之間的時間間隔。測量范圍2只有單通測量，典型的分辨率為22 ps、45 ps、90 ps，時間測量范圍為500 ns～4 ms.將2個時間測量范圍換算為厚度測量范圍是：0．010 3～7．375 mm(測量范圍1)；1．475 mm～11．8 m(測量范圍2)。為了使腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍適用于更廣的測量要求，選擇測量范圍2來進(jìn)行測量。

在測量范圍2模式下，TDC-GP21芯片通過測量start引腳輸入脈沖信號的時間間隔，在2次精密測量之間，TDC測量單元記下基準(zhǔn)時鐘的周期數(shù)。測量范圍2中，需要進(jìn)行測量校準(zhǔn)，因此選用4 MHz、32．768 kHz 2個振蕩器，4 MHz為校準(zhǔn)時鐘，32．768 kHz為芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)時鐘，控制高速時鐘啟振和時鐘校準(zhǔn)[8]。TDC-GP21芯片的工作流程如圖11所示。

圖11 TDC-GP21芯片的工作流程圖

在系統(tǒng)初始化之前，需要對TDC-GP21內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。通過單片機(jī)對其寄存器進(jìn)行設(shè)置，選擇測量范圍2、選擇參考時鐘、設(shè)置所需的脈沖數(shù)和選擇校準(zhǔn)方式。初始化之后TDC測量單元接收到Start通道上的第1個脈沖后開始工作，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)置的采樣數(shù)，測量溢出后停止工作。測量結(jié)果經(jīng)校準(zhǔn)后得到測量值，由芯片內(nèi)部的算術(shù)邏輯單元精確計算出傳播時間。每完成1次時間測量，將產(chǎn)生1個中斷信號，告知單片機(jī)讀取測量結(jié)果，并將結(jié)果送顯示。單片機(jī)發(fā)送周期控制信號，實現(xiàn)時間測量電路的周期自動測量。

系統(tǒng)采用的單片機(jī)為STC89C52，在單片機(jī)接收到測量結(jié)果后，將通過I/O接口送給LCD12864進(jìn)行實時顯示，LCD顯示器上顯示的為時間測量值，顯示分辨率為0．000 1 μs.再由單片機(jī)發(fā)送控制信號初始化TDC，使其初始化繼續(xù)工作。為了實現(xiàn)管道腐蝕的在線監(jiān)測，通信接口電路采用RS-485通信協(xié)議，RS-485通信能實現(xiàn)多路監(jiān)測的通信，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbit/s，最大的通信距離約為1.2 km，可以滿足化工管道腐蝕數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。應(yīng)用Visual Basic 6．0軟件編寫通信界面，界面實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示，串口調(diào)試，數(shù)據(jù)保存等功能。在監(jiān)測過程中，工作人員可以在操作室內(nèi)掌握管道的腐蝕狀況。

3 實驗與結(jié)果分析

3．1 實驗

在實驗室內(nèi)搭建了測試平臺，校驗超聲波管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度及工作性能。為了標(biāo)定腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度，選擇試塊CSK-1作為校驗工件，CSK-1試塊是標(biāo)準(zhǔn)檢測試塊。通過測試平臺對工件進(jìn)行測量，測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)比對后，可以準(zhǔn)確地評價及檢驗系統(tǒng)的測量精度與性能。

實驗過程中，將腐蝕檢測系統(tǒng)連接超聲波探頭，探頭選用P2．5直探頭。由于壓電式超聲波檢測時，需要耦合劑，使超聲波更好地耦合入射到被測工件內(nèi)部。測量時，將標(biāo)準(zhǔn)試件CSK-1被測點與探頭均涂抹上洗滌劑作為耦合劑，將探頭緊密地接觸到被測點處。系統(tǒng)上電后，開始測量，通過顯示屏可以顯示出時間測量量。分別對CSK-1試件的厚度方向和長度方向上進(jìn)行厚度測量，對同一被測點進(jìn)行3次測量，并對試塊的不同測量點進(jìn)行監(jiān)測，通過測量厚度與真實值進(jìn)行誤差分析，為了模擬超聲波腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在實際環(huán)境下的測量，對內(nèi)直徑19 cm，外直徑21 cm，管壁厚為1 cm，長為5 m的鋼管的管壁進(jìn)行了厚度測量。

3．2 結(jié)果分析

超聲腐蝕系統(tǒng)實驗測量結(jié)果如表1所示，已知超聲波在鋼板中的傳播速度為5.9 km/s，依據(jù)式(1)，將測量時間量t代入公式計算得到檢測位置的工件厚度。將每組3次的測量值取平均，并與真實值進(jìn)行誤差分析，得到測量誤差小于1%。4組不同測量點厚度差距較大，范圍從10～100 mm，測量差均小于1%，可以觀察到超聲波腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)對不同的厚度的工件均可以進(jìn)行測量。

表1 超聲腐蝕系統(tǒng)實驗測量結(jié)果

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)役化工管道腐蝕減薄的問題，基于超聲波脈沖反射法原理，采用超聲波定點測厚技術(shù)，研究了管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，通過對化工管道彎頭、三通等重點部位進(jìn)行腐蝕監(jiān)測，防止安全事故的發(fā)生。在電路設(shè)計上，數(shù)據(jù)處理單元由高速電壓比較器AD8611與高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21組成，在單片機(jī)控制下，時間測量結(jié)果由LCD液晶屏顯示，分辨率為0．000 1 μs.采用RS-485通信協(xié)議，應(yīng)用Visual Basic 6．0軟件可以實現(xiàn)腐蝕的在線監(jiān)測。通過實驗得到，監(jiān)測系統(tǒng)的多次測量的平均誤差小于1%，測量精度滿足管道腐蝕監(jiān)測的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁守寶，葉宇峰，夏立，等．高溫管道腐蝕狀況在線監(jiān)測．無損檢測，2011，33(11)：46-51．

[2] YASSEN Y，ISMAIL M P，JEMAIN A A，et al．Reliability of ultrasonic measurement of thickness loss caused by corrosion．Corrosion Monitor- ring，2011，53(12)：659-663．

[3] 朱曉恒，高曉蓉，王黎，等．超聲探傷技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，21(2)：112-116．

[4] 張敏，黃紅軍，李志廣，等．金屬腐蝕監(jiān)測技術(shù)．腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2007，19(5)：354-357．

[5] SHARMA S，MUKHERJEE A．Monitoring corrosion in xide and chlor- ide environments using ultrasonic guided waves．Journal of Materials in Civil Engineering．2011，23(2)：207-211．

[6] HONARVAR F，SALEHI F，SAFAVI V，et al．Ulrasonic monitoring of erosion/corrosion thinning ratesin industrial piping systems．Ultrasonics．2013，53(7)：1251-1257．

[7] 李福進(jìn)，費冬妹．基于脈沖反射式的超聲測厚系統(tǒng)的設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2013(4)：50-52；55．

[8] 金松日，唐禎安，陳毅．TDC-GP21在超聲波傳播時間測量中的應(yīng)用．儀表技術(shù)與傳感器，2013(6)：98-101．