基于CNG地下储气井检测用的自动悬浮式超声波探头设计

0 引言

　　随着国际原油价格的不断飙升，车用天然气量也猛增，由此带动CNG加气站大量建设和运营。我国目前建有700座CNG加气站，拥有40多万俩CNG汽车。CNG地下储气井建造成本低，占地面积小，安全性能高，现已成为国内CNG加气站首选储气方式。国外也有50多个国家使用天然气汽车。储气井是埋地压力容器，SY／T 6535-2002规定地下储气井使用寿命是25年。标准也规定储气井的全面检测周期为6年，必须定期进行井管的无损检测和测厚检测，但这方面尚无完善的检测手段。由于天然气中含有较多的硫，易形成对金属有很强腐蚀能力的腐蚀液，且长期运行于25 MPa的高压下，在这种恶劣条件下储气井难免会出现安全问题。

　　国内外比较成熟的油气井检测已发展到超声波成像检测，但这种检测技术只能对井中有油，水或泥浆介质的油气井进行检测，而不能直接应用于CNG地下储气井的检测。这里设计的自动悬浮式超声波探头系统可直接用于CNG地下储气井的超声波探伤成像检测。

　　1 探头系统结构及工作原理

　　1．1 探头系统结构

　　图1是探头系统俯视图，图2是探头系统侧视图。

　　1．2 探头系统工作原理

　　由结构知：超声波探头固定于径向导轨的精细丝杆上(对称的两只)，图中只画出了一只。因前面有最大位置限制销，只可沿导轨作径向运动。其运动受径向电机控制，当旋转开始时，径向电机将探头送出。设超声波接收探头接收到的波形如图3所示，t=t0时，发射超声波；t=t1时是遇到管内壁时，由于润滑液与钢管的波阻抗不同而形成的反射回波；t=t2时，遇到管外壁的反射回波，对径向电机的控制信号是t=t1的反射回波。设超声波在润滑液中速度为v，润滑液厚为e，则：

　　接收探头将探头离管壁距离信息送入单片机处理后，控制径向电机的运动，当探头离管壁距离为e时(设计值)，径向电机停止转动。只要探头离管壁距离偏离设计值e，径向电机都会运动，使探头离管壁距离保持设计值e不变。

　　1. 3 供液系统结构及工作原理

　　当探头未旋转时，离心力润滑液开关中的滑块受弹簧力F2作用，方向指向圆心，如图4所示，离心力开关关断，无润滑液输出。设滑块质量为m，转动半径为R，当探头旋转时，受惯性离心力F1作用(分析中忽略了滑块所受摩擦力的影响)。

　　当达到额定转速时，弹簧被压缩x，此时弹力F2为：

　　设计中使F1=F2时，离心力润滑液开关被完全打开，有最多的润滑液流入探头与管壁之间形成厚为e的簿膜，起到润滑和超声波的有效传递作用。

　　2 自动悬浮式超声波探头控制电路设计

　　2．1 控制系统硬件组成

　　2．1．1 系统硬件组成的方案

　　系统硬件组成的方案如图5所示。

　　2．1．2 各功能块作用

　　取样信号：工作频率为12．5 kHz的方波信号，控制电子开关的工作。
　　超声波振荡器：由单片机输出的具有一定幅度的，频率为O．5 MHz的超声波等幅信号。
　　电子开关：在1／10周期内关闭回波通道，而将超声波振荡信号送入超声波探头(进入探头的是超声波脉冲)；当超声波振荡信号通道关闭时，将超声波回波通道接通，将回波信号送入回波放大电路。
　　超声波探头：电声转换和声电转换器件。
　　回波放大器：将反射回的微弱回波信号进行放大，使其具有一定幅度。
　　单片机接口：将回波放大器放大的模拟信号进行模拟一数字转换，使其符合单片机输入的要求。
　　单片机：对输入的信号进行转换、计算、处理、控制等操作，输出控制信号。
　　控制电路：对单片机输出信号进行处理。
　　步进电机：带动涡轮涡杆使探头与管壁保持恒定距离。

2．2 控制系统硬件设计

　　2．2．1 超声波传感器发射接收电路

　　超声波传感器发射接收电路原理图如图6所示，单片机采用ATM89S51，超声波脉冲由单片机ATM89S51的P11口输出，74HC04对超声波脉冲进行功率放大后推动超声波传感器发出脉冲超声波。电子开关采用CD4066BE(是CMOS双向模拟开关)，脉冲超声波遇到管壁产生的回波被超声波传感器接收转换成电信号。这个很微弱的信号经电子开关CD4066BE送到回波放大电路CX20106；CX20106是红外接收专用集成电路，该集成电路有80 dB的增益。它包括前置放大器，ABLC，限幅放大器，带通滤波器，检波和比较器，积分器，施密特触发器等。经过CX20106放大处理后的脉冲信号由7脚送到单片机的INT1口输入。

　　2．2．2 控制信号处理模块

　　采用环形脉冲分配器L297和双H桥功率集成电路L298的典型控制方式。单片机的P1．6，P1．7，P2．3分别接L297的CW，Clock，enable控制端，分别控制电机的正反转、时钟信号及启停。

　　2．3 系统软件设计

单片机控制程序框图主程序流程图如图7所示。系统加电启动是