基于STM32的石油管材測厚系統(tǒng)設計

王 朗， 王軍民,2， 李方旭

(1.長江大學 地球物理與石油資源學院， 武漢430100； 2.油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室， 武漢 430100)

目前油田物資檢驗部門普遍采用傳統(tǒng)到貨檢驗模式主要以人工檢驗為主，市場上主流的測厚儀器以手持測厚儀為主，而傳統(tǒng)石油管壁的檢驗方法存在著諸多問題，諸如檢驗方式落后，檢驗效率和檢驗結(jié)果有效性不夠理想，精度較低等。

國內(nèi)有關(guān)石油管材內(nèi)在線檢測與分析厚度的控制系統(tǒng)在國內(nèi)還是空白。本文結(jié)合實際檢驗中的痛點和難點，將市面流行的石油管壁外涂抹耦合劑，手動定點測量厚度的方式，升級為在石油管道內(nèi)自動爬行測量的方式，相比之下，該系統(tǒng)更加安全效率更高、誤操作率大大降低，實現(xiàn)了實時測量管壁厚度與遠程監(jiān)測，為質(zhì)檢工作提供了新的思路和解決方案[1]。

1 系統(tǒng)總體框架

本文研制的石油管材測厚控制系統(tǒng)偏向于實際生產(chǎn)應用，以STM32單片機為主控芯片，設計了測厚數(shù)據(jù)采集模塊、運動狀態(tài)控制模塊、推靠電路模塊、耦合劑噴液控制模塊，以及移動終端APP等。在終端安裝對應APP應用程序后，通過無線模塊在用戶(Client)和服務器(Server)之間建立通信，就可對該系統(tǒng)進行操作控制，實現(xiàn)管道內(nèi)的爬行運行以及管壁厚度、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集和在終端的實時反饋等功能[2-4]。本系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件整體設計單元主要包括STM32F103，作為系統(tǒng)總控制單元，實時檢測各工作單元的狀態(tài)，以便做出相關(guān)的調(diào)整[5-6]；管壁厚度與溫濕度采集模塊，用來采集壁厚、溫濕度數(shù)據(jù)；運動與推靠電路模塊，負責為麥克納姆輪和機械結(jié)構(gòu)提供動力；無線傳輸模塊，實現(xiàn)移動終端與本系統(tǒng)的通訊；耦合劑噴液模塊，是為了讓超聲波探頭與管壁緊密貼合；系統(tǒng)狀態(tài)檢測模塊，負責監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，提高在復雜電磁環(huán)境中的穩(wěn)定性與抗干擾性；還有電源保護模塊等。

2.1 管壁厚度測量算法

測厚數(shù)據(jù)采集部分是由STM32f103單片機、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22、10Mhz微晶探頭組成。ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP22芯片，因為其功耗較低，所需外圍電路元件較少，在測厚儀、流量表、熱量表等中使用廣泛。TDC-GP22的典型工作電壓為3.3 V，采用SPI總線結(jié)構(gòu)，在本文的設計中，應用其中一種測量模式，它的測量范圍在500 ns到4 ms之間，單通道典型90 ps分辨率，多道測量脈沖的數(shù)據(jù)處理和讀出能力滿足管壁厚度的測量需求[7-8]。

首先需要將測試芯片與STM32成功通信，芯片對時鐘進行校準，采用時差法測量原理，驅(qū)動10 Mhz微晶探頭發(fā)出超聲波，通過固定的Offset作為Start信號和Stop信號時，得到的偏移量，可以得到兩個信號的上升沿的時間間隔Δt，再根據(jù)所通過的介質(zhì)不同波速v不同，由公式(1)得出厚度值d。

d=vΔt/2

(1)

式中：v——介質(zhì)波速；

Δt——時間間隔。

相比TDC-GP2x系列，最新一代的GP22芯片增加了一項首波脈沖寬度測量功能，使得測量的誤差進一步減少，首波測量功能如圖2所示。

由于不同介質(zhì)和耦合劑影響，脈沖的幅度值隨之不穩(wěn)定，使得整個To趨于不穩(wěn)定， GP22可以設置寄存器4中的第8-12位來確定-20 mV到+20 mV之間的比較電壓Offset，然后根據(jù)公式(2)測量第n+1個脈沖與start脈沖的時間間隔，從而測得時間差Tof。

圖2 首波測量示意圖

Tof=Tof+nTc

(2)

式中：Tof——飛行時間；

n——返回脈沖的時鐘周期；

Tc——脈沖周期。

2.2 溫濕度采集模塊

本系統(tǒng)所使用的數(shù)字式溫濕度傳感器DHT12，與其前代產(chǎn)品DHT11參數(shù)對比如表1所示。包括在相同濕度和相同溫度下，兩個型號的傳感器性能和電氣特性的對比，在25 ℃下，測量時功耗只有800 μA，采樣周期2 s左右，溫漂小于±0.1%/Yr，具有穩(wěn)定且成本低廉等優(yōu)點。值得注意的是，DHT12器件作為從機使用，具有唯一地址0xB8，如果設置不對，可能會導致通訊失敗。

表1 傳感器參數(shù)對比

2.3 運動與推靠模塊

運動與推靠模塊包括運動部分和推靠部分，硬件電路設計相同，但是結(jié)構(gòu)設計不相同，因而所完成的功能不同。

運動部分采用兩相四線型42步進電機和全向輪方式，由于普通輪子在石油管內(nèi)無法保持其穩(wěn)定性，導致系統(tǒng)整體在行進過程中會有傾覆的可能，因此采用三組全向輪分布在系統(tǒng)的前、中、后段，保證了系統(tǒng)在管內(nèi)的平穩(wěn)行進。運動部分的典型工作順序是，首先移動終端發(fā)出前進或后退命令，運動部分從機進入待命狀態(tài)，接收到命令，驅(qū)動步進電機行進某距離，最后完成向上位機反饋的工作命令。

推靠部分的機械結(jié)構(gòu)簡化示意圖如圖3所示，探頭支撐架和螺紋支撐桿起到固定作用，電機的中心旋轉(zhuǎn)軸可以上下旋轉(zhuǎn)，單片機和驅(qū)動電路實現(xiàn)步進電機的定時定點旋轉(zhuǎn)，使微晶探頭接觸到管壁，并利用彈簧的張力將探頭壓到管壁上，從而得到測厚數(shù)據(jù)。推靠部分的典型工作順序是，首先移動終端發(fā)出測厚指令，推靠部分從機進入待命狀態(tài)，管壁測厚部分待命，噴液部分待命，然后噴液部分開始噴液，推靠從機部分上升，頂?shù)焦鼙诤?，管壁測厚部分測量數(shù)據(jù)，推靠從機部分下降，各部分重新進入待命狀態(tài)，直到接收到新的命令。

圖3 推靠部分機械結(jié)構(gòu)圖

2.4 無線傳輸電路

本系統(tǒng)采用HLK-RM04無線通信模塊，該模塊基于通用串行接口，能夠?qū)崿F(xiàn)串口、無線網(wǎng)接口之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)與終端之間的通訊，該模塊工作頻率在2.4～2.483 5 Ghz之間，最高傳輸速率可達150 Mbps，能夠滿足石油管內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰Ｔ趯嶒炦^程中，由于試驗場地擺放了較多石油管材，屏蔽性較強，另一方面由于電磁干擾等問題的存在，模塊的傳輸距離由空曠條件下的500～800 M，縮短到了只有100 m左右，整體系統(tǒng)的控制距離大大縮減，成為制約本系統(tǒng)的一大問題。

2.5 運動狀態(tài)檢測電路

運動狀態(tài)檢測電路是通過光敏傳感器來檢測本系統(tǒng)的狀態(tài)，采集端光強信號通過比較器輸出的狀態(tài)寫給單片機，只有當光敏傳感器輸出為允許時，整個系統(tǒng)才開始工作。

光敏傳感器模塊的工作原理是，利用光敏元件受到光照強度而引起的阻值變化，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后這個電信號傳遞到電壓比較器，通過比較通向輸入端和反相輸入端的數(shù)值差異，從而得到輸出為允許和禁止的結(jié)果。從輸出的結(jié)果判斷本系統(tǒng)所處的位置。

3 測厚系統(tǒng)的終端設計

本系統(tǒng)的上位機軟件采用QT開發(fā)，并基于2.4 Ghz的HLK-RM04無線透傳模塊實現(xiàn)與下位機硬件部分的數(shù)據(jù)通訊，從而對下位機進行控制并將數(shù)據(jù)回傳，對數(shù)據(jù)進一步分析和處理[9-10]。上位機軟件的邏輯流程圖如圖4所示。

圖4 上位機邏輯流程圖

每一個產(chǎn)品使用者可以注冊一個自己的賬戶，每次測量后數(shù)據(jù)都會記錄在自己的數(shù)據(jù)庫里。待通信連接正常后，系統(tǒng)接收命令進行工作，用戶可以通過自定義的命令對待測目標進行相關(guān)的測量，同時所得數(shù)據(jù)可以保存，便于處理分析。

4 系統(tǒng)實物與實驗效果

通過對各個模塊的功能進行整合，結(jié)合機械結(jié)構(gòu)和軟件的編寫，設計出如圖5所示管材測厚系統(tǒng)。機械結(jié)構(gòu)通過Solidworks完成，包括內(nèi)部各個零件的設計與整個的裝配，再經(jīng)3D打印機將每個部分打印出來，形成整個系統(tǒng)的模型，共計有十八個結(jié)構(gòu)。不同模塊分裝在小車的不同箱體中，各個部分有條不紊，相互配合，共同完成管材測厚任務。

圖5 石油管材測厚系統(tǒng)

在實驗場地進行試驗時，由于待測管壁內(nèi)部含有鐵屑、塵土等，使剛進入管子內(nèi)部時被卡住，這里可以采用功率更大的運動控制驅(qū)動板來提供動力。

從圖6終端軟件測量數(shù)據(jù)可得，在室溫9 ℃左右，濕度基本在70%的環(huán)境下，該測量段鋼管的平均厚度為8.9 mm，最薄的剖面厚度是7.8 mm，最厚為10.5 mm。符合實際情況，該系統(tǒng)的測量結(jié)果基本正確，測量精度較高，相關(guān)功能能夠滿足目前石油管材測厚的需求[11-12]。

圖6 移動終端軟件界面

5 結(jié)論

本文結(jié)合手工測厚過程的繁瑣和效率低下等實際問題，研制了一種石油管材的在線控制測厚系統(tǒng)。首先對該系統(tǒng)的總體方案作了介紹，將大數(shù)據(jù)處理技術(shù)運用到對管材厚度的在線實時檢測與數(shù)據(jù)處理，然后利用STM32單片機實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)同工作，利用QT寫成的應用軟件實現(xiàn)對整個測厚控制系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)試驗檢測結(jié)果可知，本系統(tǒng)能夠準確完成遠程測厚與數(shù)據(jù)處理與保存的功能，達到了設計目的。