基于CNG地下储气井检测用的自动悬浮式超声波探头设计

摘要：提出一种CNG地下储气井检测成像用的自动悬浮式超声波探头系统，该系统利用闭环反馈控制方法，能自动保持超声波探头与管壁之间为较小的恒定距离，使转动的探头与壁之间有恒定厚度的一层耦合液，解决了空气与钢管的声阻抗相差太大，超声波不能进入钢管内部的难题，并保证旋转探头不被磨损。设计一种惯性离心力开关，能自动地提供所需的耦合液。这种自动悬浮式超声波探头系统在采样频率不太高时，能较准确地保持探头与壁之间有均匀的耦合液。使CNG地下储气井超声波检测成像的基本问题得到较好的解决。
关键词：CNG地下储气井；超声波；悬浮式；反馈控制

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。系统加电启动是由检测筒底部碰触开关执行，当检测筒由牵引缆绳下放到井底，碰触开关接通，系统检测各组件正常，发出指令使牵引电机匀速向上运动，同时主轴电机工作使探头筒匀速转动，径向电机工作将探头推出，供液阀门打开，耦合液向探头喷出，这就是系统组件准备完备。这时单片机发出指令检测的数据和内部存储器的标准数据输入进行比较，若相同，出口1和出口2都无信号输出，径向电机不动作，保持原有间距e。又进行第二轮的检测。若标准数据e0大于被检测数据e，则出口1有控制信号通过控制信号处理模块使径向电机反向转动，增大间距e。又进行检测，若标准数据e0小于被检测数据e，则出口2有控制信号通过控制信号处理模块使径向电机正向转动，减小间距e。

3 结语
    该设计方案利用单片计算机控制径向电机的运动，使探头与被检测筒壁有一层均匀厚度的耦合液，较好地解决了低速采样的超声波无损检测成像中的超声波回波有效传输的关键问题。同时也使旋转的探头得到有效的保护。但只能用于超声波频率小于1 MHz的系统，对于超声波频率为2．5～5 MHz的系统，应设计工作于更高频率的超声波发射和接收电路及电子开关电路。