油气管道导波检测仪激励信号源研制.pdf

第 3 8卷第 2 期 2 0 0 9年 3月 石油化工设备 P ETRO- CHE MI CAL E QUI PMENT Vo1 ． 38 NO． 2 M a r ． 2 009 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 9 0 2 0 0 1 2 0 3 油气管道导波检测仪激励信号源研 制 谭磊 ，樊建春 中国石油大学 北京机 电工程学院 ，北京 1 0 2 2 4 9 摘要 介 绍了导波检测技术的原理及优点 ， 分析 了管道导波检测仪激励信号源的技 术参数。在直 接数字频率合成 D D s 技术的基础上， 论述了如何应用 D Ds芯片AD9 8 5 0 、 单片机 以及高性能运算 放 大器设计导波检测仪激励信号源。试验结果表 明， 据此设计的管道导波检测仪信 号源完全达到 设计要求， 具有 良好的频率特性和相位特性 ， 可作为高精度激励信号源并应用于实践 。 关键词 管道；缺陷；无损检测；导波；激励信号源；直接数字频率合成 中 图分 类 号 TE 9 7 3 ． 6 文献 标志 码 A De v e l o p me n t o f I n c e n t i v e S o u r c e o f Gu i d e d W a v e De t e c t o r f o r Te s t i ng Oi l a n d Ga s Pi p e l i ne TAN Le i ， FAN Ji a n c h u n Co l l e ge o f M e c h a ni c a l a nd El e c t r o n i c Eng i ne e r i n g， Chi n a Uni ve r s i t y o f Pe t r o l e u m B e i j i n g ，Be i j i n g 1 0 2 2 4 9，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p r i n c i p l e a n d a d v a n t a g e o f g u i d e d wa v e t e s t i n g t e c h n o l o g y we r e i n t r o d u c e d ． S o me a na l y s i s f o r p a r a me t e r s of i n c e nt i ve s o ur c e h a s ma de ， whi c h wa s us e d i n pi p e l i ne g ui de d wa v e de ． t e c t o r ． On t h e b a s i s o f d i r e c t d i g i t a l f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r DDS ， i t f o c u s e d o n t h e u s e o f DDS c hi p AD9 8 5 0， mi c r o c o nt r o l l e r a nd hi g h pe r f or ma nc e o pe r a t i o na l a mp l i f i e r t o de s i g n a n i nc e nt i v e s o ur c e f o r gui de d wa v e d e t e c t or ． Re s u l t s h owe d t ha t t h e de s i gn c o m p l e t e l y me t t h e r e qu i r e me n t s ， a n d h ad e xc e l l e n t f r e q ue nc y a n d ph a s e o ut p ut ． I t c o ul d b e us e d f o r hi g h a c c ur a t e i n c e nt i ve s ou r c e i n p r a c t i c e ． Ke y wo r d s p i p e l i n e ；d e f i c i e n c i e s ；n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ；g u i d e d wa v e ；i n c e n t i v e s o u r c e ；d i r e c t d i gi t a l f r e q ue nc y s y n t he s i z e r 管道运输作为一种经济、 高效 而安全 的物料输 送手段 ， 在石油化工及天然气等产业 中具有不可替 代 的作用 。但 铁磁 性油 气输送 管道 在长期 使 用 中会 产 生 由于腐蚀 、 磨 损 以及 应 力 或 意外 的机 械 损 伤等 原因形成的机械裂纹和腐蚀穿孑 L 等缺陷 ， 这些缺陷 如不及时发现并处理 ， 将最终导致输送效率降低、 输 送介质泄漏等恶性事故。统计资料表明 ， 目前世界 上总管网的 5 O 已经使用了 3 0 a甚至更长时间， 由 于腐蚀 、 意外损坏等原 因， 管道事故发生 的概率增 大， 泄漏事故 时有发生 ， 而且 日趋严重_ 1 ] 。因此 ， 实 用的管道缺陷无损检测技术成为人们的研究重点 。 目前 ， 用 于 管 道缺 陷 检 测 的无 损 检测 技术 大 致 有漏 磁场检 测 、 超声 波 检 测 、 涡 流 检 测 、 射 线检 测 和 磁粉 检测 。这些 常 规 检 测 技术 的缺 点 是逐 点 扫 描 、 检测 范 围 比较 小 以及 检测 速度 比较 慢 。文 中介 绍一 种新 的导 波 Gu i d e d Wa v e 检测 技 术 以及 据 此研 制 导波检测仪信号源的情况。 1 导波无损检测技术 近年来发展起来 的导波检测技术是一种快速、 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 - 1 4 作者简介 谭磊 1 9 8 2 一 ， 男 ， 北京人 ， 在读硕士研究 生 ， 主要研究方向为智能监测与故障诊断 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 谭 磊 ， 等 油气管道导波检测仪激励信 号源研制 长距离、 大范围、 相对低成本的无损检测技术 。其原 理是 声波 在 介 质 中 的 不 连 续 交 界 面 问 产 生 多 次 反 射 ， 并进一 步产 生 复杂 的 干涉 和 几 何 弥 散 而形 成 导 波。在管道中传播的导波， 由于本身特性 ， 沿传播路 径衰 减很小 ， 可 以克服 逐 点 扫 描 法 的 缺 点进 行 长 距 离 、 大范 围的缺 陷 检测 ， 导 波 也 可 以在 充 液 、 带 包 覆 层的管道中传播 ， 使得其检测工业管道的费用大幅 降低 。导波 检测 技术 的这 些特 点也 可应 用 在油气 管 道检测 中 ， 导波 检测 仪 就 是 据 此研 制 的具 有 实 用 价 值 的 油气管 道缺 陷检 测设 备 。 2 导 波检 测仪激 励信号源 2 ． 1 激励信号源概述 应用导波检测仪对不同材质油气管道进行检测 时 ， 需要根据被测试件的情况来选择激励信号的波 形 和频率 ， 既 要保 证 接 收信 号 中 出现 的模 态 数 量 尽 可能少 ， 又要保证被激励 的信号在传播过程中频 散 尽可能低 ， 从而达到大范围高精度检测 的目的。 对 于宏 观 缺 陷 ， 常 用 频 率 为 2 0 1 O 。 ～ 5 1 0 。 Hz 的短 脉冲 波 以反 射 法 进行 检 测 。波 形选 用 交 流 正弦波和方 波_ 2 ] 。这就需要一种精确度高、 输 出频 率范围大 、 控制调节方便 、 体积小 、 功耗低并且成本 低廉的信号源作为激励。 直接数 字频 率 合 成 d i r e c t d i g i t a l f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r ， D D S 技术 是 近年 来 发展 较 快 的一 种 新 型频 率合成技术。D D S具有很宽的频率输出范围、 极高的 频率分辨率和输出精度以及较低的相位噪声 ， 并具有 可 编程控制 的优 点 。因此 ， 直接 数字频 率合 成器 成为 当今电子系统及设备中信号源的首选器件。 2 ． 2 D DS技术的基本原理 D DS是对高速存储器查 表产生 的数字信 号经 过数字／ 模拟转换器 D Ac 转换成 为模拟信号输出 的一种技 术 。其 基 本 原 理 是 利 用 奈 奎 斯 特 采 样 定 理 ， 通过查表法产生波形 。正弦波信号是 DD S中比 较常用的形式 ， 许多生产 D D S芯片的公司也大多将 芯 片设计 成正 弦波 输 出 。 D D S的基 本原 理见 图 1 。其 中主要 包括 相 位 累 加器 、 波形 存储 器 、 数 字／ 模 拟 转 换 器 DAC 和低 通 滤波 器 。 ’ 相位累加器类似于一个计数器 ， 它 由多个加法 器和寄存器组成 ， 在每一个参考时钟脉冲输人时 ， 它 的输出就增加一个步长的相位增量值 。相位增量 的 大小随外部频率控制字的不 同而不 同， 一旦给定 了 相 位增量 ， 输 出频 率 也 就 确 定 了。波 形 存 储 器 里 储 存着一张正弦函数查询表， 对应不同的瞬时相位码 输 出不 同 的幅 度 编码 。当 用 相位 增 量 寻 址 时 ， 正 弦 函数查询表就把存储在相位累加器中的抽样数字值 转换成近似正弦波幅度的数 字量 函数 。数字／ 模拟 转换 器把 数字 量 转换 成模 拟量 。低 通滤 波器 进一 步 平滑近似正弦波信号， 最后输出所需要频率 的模拟 信号 。如果把输出的正弦波信号与比较器的门限电 压进 行 比较 ， 可得 到方 波输 出信 号 。 图 1 DDS信 号 转 换 基 本 J泉理 输出波形的频率可表示为 f o 一 A P n f c ／ 2 1 最小频率分辨率为 △厂一 ／ 2 2 最小相位分辨率为 △ 一2 r r ／ 2 M 3 式 1 ～式 3 中， △ P 为频率控制字 ； f 0 为参考时 钟频率 ； N为频率寄存器位数 ； M 为相位偏 移寄存 器 的位数 。 3 系统设计 3 ． 1 系统原理 激 励 信 号 源 由 AT 8 9 C 5 2单 片 机 、 D D S 芯 片 AD9 8 5 0 、 交 流信 号变 换 部 分 、 键 盘 和 液 晶显 示 模 块 组成。设计框 图见图 2 。单片机用于控制 AD 9 8 5 0 芯片 ， 键盘用于设置输出频率和相位 ， 并通过液晶模 块 显 示 出来 ， AD9 8 5 0产 生 的单 极 性 正 弦波 送 人 交 流信号变换部分 ， 转换为交流正弦波和方波。 P 1 D 卜 D 7 交 I C 【 丌 流 信 单片机 号 A D 98 5 0 变 换 P2 ． 0 ■ W e LK P 2 ． 1 F Q - U D 输 出 图 2 激励信号源 系统框 图 3 ． 2 硬件设计 选用 An a l o g De v i c e公 司 的高性 能 D DS , 芯 片 频率控制字 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 9 年第 3 8 卷 AD9 8 5 0 ， 单 5 V 供 电， 参 考 时钟 频率 最 高可 达 1 2 5 MHz 。 本设计采用 5 0 MHz 参考时钟频率， 其频 率分辨率为 0 ． 0 1 2 Hz 。为获得理想的输出效果 ， 输 出频率控制在1 6 ． 7 MHz 参考时钟频率的 1 ／ 3 以下。 A D9 8 5 0的控制采 用 4 O位 控制 字 ， 其 中 3 2位 频率 控 制字 ， 5 位相位 控制字 ， 3位 电源控制字 。 4 O位 控制 字 并 行 方 式 传 输 ， 单 片 机 的 P 1 ． 0 ～ P 1 ． 7端 口连 接 D D S芯 片 的 D O D7 ， 用 于 传送 控 制 字 。P 2 ． 0和 P 2 ． 1端 口分 别 连 接 DD S芯 片 的 w C L K和 F Q _ UD， 用于控制数据传送和频率更新[ 3 ] 。 单片机外接键盘和液晶显示模块 ， 以实现人机 交互功能。键盘用于设置输出频率和相位。液晶模 块显示设置界面和当前 的输出参数。液晶模块根据 需要， 选用字符型液晶即可。本设计采用 HD 4 4 7 8 0 字符型液晶模块 。 由于 D D S芯片 只 能 输 出单极 性 正 弦波 ， 因此 ， 交流正弦波采用 由运算放大器构成减法器 的方案 。 D DS芯 片输 出单极 性正 弦 波 形 ， 把该 信 号 送入 减 法 器 与参 考 电压 作减 法 ， 合理设 置参 考 电压 的大小 ， 即 可 得到 相应 的交 流正 弦波信 号 。交流方 波信 号采 用 由运算放大器构成 比较器 的方案。对 于得 到的信 号 ， 再 经过 一 级 电压 放 大 ， 即 可 得 到 理 想 的输 出 信 号_ 4 ] 。由于输出信号频率很高， 所 以要选择工作频 率高、 延迟时间短 以及阶跃响应好 的运算放大器 ， 才 能满足信号处理的要求 。 3 ． 3 软件设计 软件设计 以单片机为核心。由单片机读入键盘 设 置并 在液 晶模块 上显 示 出来 ， 同时 向 DD S芯片 写 入对应的控制 字。D D S芯片按控制字工作并输出 波形 。波形经过交流信号变换电路处理得到需要的 ，波形。 在编写程序 时， 预先在单 片机 的 R OM 中存储 一 个初始 的频率 和相位控 制 字， 作 为缺 省工作 状 态 [ 5 ] 。软 件工 作 流程见 图 3 。 4 试 验结果 对 按 照前文 所 述设 计 的 系统 进行 运 行 试 验 ， 通 过 D A T A Q 数据采集器 D L 7 1 0观察输出波形。结果 表明， 激励信号源完全达到设计要求， 具有 良好的频 率特性和相位特性 ， 可输出交流正弦波和方波 ， 频率 范围 1 0 0 Hz --1 6 MHz ， 频率分辨率达No ． 0 1 2 Hz ， 覆 盖了整个激励信号范围。 交流正弦波输出信号见图 4 ， 其频率 1 0 0 k Hz ， 相位 差 0 。 。 图 3软件流程图 ／V 八 入 八 八 入 入 O V V V V V 图 4交 流 正 弦 披 输 出 图形 1 0 0 k HZ ， 相 位 差 0 5 结 语 采用 D D S芯片来设计导波检测仪激励信 号源 能大幅缩小设备体积。相对于传统的模拟信号产生 方式， 具有输出频率和相位调节方便、 控制过程可视 化、 输出精确度和灵敏度高 以及运行可靠等优点。 从试验结果可以看 出， 本设计具有 良好 的频率特性 和相位特性 ， 可作为高精度激励信号源应用于实践 。 参考文献 [ 1 ] 王镛根． 长输 管线泄漏检测方法综述[ J ] ． 信息与控制 ， 1 9 9 3 ， 2 2 2 1 0 5 1 1 0 ． [ 2 ] 刘镇清． 超 声无损 检测 中的导波技 术 E J 3 ． 无 损检测 ， 1 9 9 9 ， 2 1 8 3 67 3 6 9 ． E 3 3 张迎新． 单 片机 初级 教程． 北京 北 京航 空航 天大 学 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 华成英 ， 童诗 白． 模拟电子技 术基础 第 三版 [ M] ． 北 京 高等 教育 出版社 ， 2 0 0 1 ． E 5 3 赵亮 ， 候国锐． 单片机 C语 言编程与实例 [ M] ． 北京 人民邮 电出版社 ， 2 0 0 3 ． ‘ 杜 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m