摘  要： 壓力是反映油氣管道系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)之一，壓力測(cè)量對(duì)油氣管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的壓力檢測(cè)方法大部分是介入式壓力測(cè)量，介入式破壞了管道的完整性，在高壓情況下還存在安全隱患。針對(duì)介入式壓力測(cè)量裝置的弊端，設(shè)計(jì)了一種利用超聲波測(cè)量管道壓力的裝置。詳細(xì)闡述了超聲波測(cè)壓裝置的原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)。超聲波壓力測(cè)量裝置具有使用方便、操作安全、靈活性強(qiáng)、不破壞管道系統(tǒng)整體特性的完整性等優(yōu)點(diǎn)，并且能準(zhǔn)確測(cè)量管道壓力。

　　關(guān)鍵詞： 管道系統(tǒng)；壓力測(cè)量；非介入式；超聲波

0 引言

　　由于油田的開(kāi)發(fā)和西氣東輸工程的進(jìn)行，管道運(yùn)輸將在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。壓力是油氣管道系統(tǒng)中的重要參數(shù)之一，油氣管道系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷通常要檢測(cè)出管道內(nèi)部各個(gè)部位的壓力[1-2]。傳統(tǒng)的壓力測(cè)量方法種類(lèi)繁多，但大多數(shù)采用的是介入式壓力測(cè)量[3-4]，例如機(jī)械壓力表、壓阻式、振弦式、應(yīng)變式等壓力測(cè)量方法。介入式壓力測(cè)量需要預(yù)留壓力測(cè)量接口，破壞了管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性，在高壓情況下還存在安全隱患。因此，設(shè)計(jì)一種超聲波壓力測(cè)量裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

　　隨著社會(huì)發(fā)展，人們追求簡(jiǎn)單、方便、安全的測(cè)壓裝置。人們?cè)诟纳七@種工具方面進(jìn)行了大量的探索和研究，也生產(chǎn)出了許多新型的產(chǎn)品。目前，有的超聲波壓力測(cè)量裝置不能消除超聲波在管壁和聲楔等介質(zhì)中因傳遞時(shí)間而產(chǎn)生的誤差，從而影響測(cè)量精度[5]；有的超聲波測(cè)壓裝置的超聲波換能器采用單晶探頭，超聲波接收和發(fā)射采用一個(gè)換能器，這樣提高了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，也使壓力計(jì)算繁瑣[3]；有的超聲波測(cè)壓裝置數(shù)據(jù)處理芯片采用單片機(jī)，但其處理速度不夠，對(duì)較小管道的壓力不能準(zhǔn)確測(cè)量。

　　針對(duì)傳統(tǒng)壓力測(cè)量裝置和現(xiàn)有超聲波壓力測(cè)量裝置的不足，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的超聲波壓力測(cè)量裝置。該裝置包括超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、DSP及外圍控制電路、鍵盤(pán)及顯示單元。超聲波壓力測(cè)量裝置以DSP為核心，DSP特別適合信號(hào)處理運(yùn)算，具有數(shù)據(jù)處理速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。超聲波換能器采用雙晶直探頭，降低了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。超聲波壓力測(cè)量原理采用時(shí)差法，原理簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)運(yùn)算的復(fù)雜度。超聲波傳送時(shí)間采用平均值，提高了系統(tǒng)精度和壓力值的準(zhǔn)確度。超聲波壓力測(cè)量裝置從軟硬件兩個(gè)方面綜合考慮了系統(tǒng)的抗干擾因素，提高了超聲波測(cè)壓裝置的精度。

1 超聲波測(cè)壓原理

　　石油屬于烴類(lèi)物質(zhì)，其聲學(xué)特性符合Kneser液體的規(guī)律。根據(jù)比卡爾的研究成果和《聲學(xué)手冊(cè)》提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在一定溫度下，Kneser液體中液壓與聲速具有近似一次線性關(guān)系，尤其在壓力較高且溫度波動(dòng)范圍不大的條件下，線性關(guān)系比較穩(wěn)定，其關(guān)系如式（1）所示[7-9]。

　　其中，C為液體中聲速，單位為m/s；C0為常溫、一個(gè)大氣壓下液體中聲速，單位為m/s；P為液體壓力，單位為Pa；K為比例系數(shù)。其中C0、K為常數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者查表可以求得。由式（1）可以看出，測(cè)量超聲波在管道中的聲速就能得到管道的壓力值。

　　超聲波換能器采用雙晶直探頭，換能器用夾具對(duì)稱(chēng)地接觸在管道兩側(cè)，其方式如圖1所示。

　　設(shè)管道的內(nèi)徑為d0，管壁厚度為d1，超聲波傳送時(shí)間為t0，在管壁的傳送時(shí)間為t1，由此可得超聲波在介質(zhì)中的速度為：

　　超聲波在不同管道材料中的速度為已知，由此可以得到超聲波在管道壁之間傳送的時(shí)間t1如式（3）所示，其中超聲波在管道壁之間的傳送速度為V，單位為m/s。

　　由式（1）、（2）、（3）可知管道中的壓力為：

　　由式（4）可知，壓力值P與超聲波傳送時(shí)間t0存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要測(cè)得超聲波傳送時(shí)間t0，就能得出管道中的壓力值，由此可知超聲波壓力測(cè)量裝置的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)超聲波在管道中的傳送時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。

2 超聲波測(cè)壓裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　超聲波壓力測(cè)量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)包括DSP及外圍電路、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊。

　　數(shù)據(jù)處理模塊采用TMS320F2812最小系統(tǒng)，TMS320F2812是目前性?xún)r(jià)比最高的DSP芯片之一，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，特別是應(yīng)用在對(duì)處理速度、處理精度方面要求高的領(lǐng)域。TMS320F2812支持全新CCS環(huán)境的C Compiler，提供C語(yǔ)言中直接嵌入?yún)R編語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)界面，可以在C語(yǔ)言的環(huán)境中搭配匯編語(yǔ)言來(lái)撰寫(xiě)程序[10]。TMS320F2812采用C語(yǔ)言，編程簡(jiǎn)單，C語(yǔ)言中搭配匯編語(yǔ)言，可以提高程序的運(yùn)行效率。

　　換能器T1用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，換能器T2用于將檢測(cè)到的微弱聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。根據(jù)需求，換能器選擇用于穿透的壓電窄頻帶脈沖換能器。換能器選擇組合雙晶直探頭，一個(gè)探頭用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，另一個(gè)探頭用于將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。超聲波發(fā)射探頭采用脈沖方式激勵(lì)，超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電壓為9 V，中心頻率為1 MHz。

　　鍵盤(pán)和顯示模塊中，鍵盤(pán)用于設(shè)定管道壁厚d1、超聲波在管壁之間的傳送速度V、常溫下超聲波在介質(zhì)中的聲速C0、比例系數(shù)K以及管道的內(nèi)徑d0。顯示部分用于顯示被測(cè)管道內(nèi)的壓力值。通過(guò)鍵盤(pán)和顯示單元，使超聲波壓力測(cè)量裝置使用范圍更加廣泛，操作更加簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)讀取更加方便。

　　超聲波壓力測(cè)量裝置主要用于測(cè)量超聲波在管道中的傳送時(shí)間t0，其測(cè)量方法如下：?jiǎn)?dòng)壓力測(cè)量裝置，DSP啟動(dòng)定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)DSP的引腳GPIOA0發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)射模塊放大處理后，激發(fā)超聲波發(fā)射換能器，超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波透過(guò)管道送至接收換能器，接收換能器把接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理送至DSP，DSP接收信號(hào)過(guò)后停止定時(shí)器T0，得出時(shí)間t2；重復(fù)上述過(guò)程分別得到時(shí)間t3、t4，求三組數(shù)據(jù)的平均值得出超聲波在管道中的傳送時(shí)間t0。通過(guò)求平均值得到傳送時(shí)間t0，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度，減少了系統(tǒng)隨機(jī)誤差。

      2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

　　超聲波發(fā)射電路的作用是產(chǎn)生一個(gè)具有一定功率、一定脈沖寬度和一定頻率的脈沖信號(hào)去激勵(lì)發(fā)射換能器，發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)向外發(fā)射。超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電壓為9 V，DSP的GPIO口輸出電壓為3.3 V，不能直接驅(qū)動(dòng)換能器，因此需要將電壓進(jìn)行放大。LM324系列器件帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，由4個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器組成，可以工作在低到3.0 V或者高到32 V的電源下，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。信號(hào)發(fā)射電路如圖3所示。

　　由圖3可知，信號(hào)放大電路是用LM324構(gòu)成的同向放大電路，信號(hào)放大倍數(shù)為3，GPIOA0引腳輸出信號(hào)電壓約為3 V，經(jīng)過(guò)放大器后，輸出電壓為9 V，足以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作。

　　2.2 接收電路設(shè)計(jì)

　　超聲波接收換能器產(chǎn)生的信號(hào)微弱，信號(hào)要能被DSP準(zhǔn)確檢測(cè)到，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。OP37是一款高精度集成運(yùn)算放大器，共模抑制比高、運(yùn)放的失調(diào)、溫漂和噪聲很小，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。接收電路如圖4所示。

　　2.3 鍵盤(pán)及顯示單元設(shè)計(jì)

　　鍵盤(pán)和顯示單元如圖5、圖6所示。鍵盤(pán)包括參數(shù)選擇和參數(shù)加減兩部分，參數(shù)選擇是分別對(duì)管道中的參數(shù)d1、V、C0、K、d0進(jìn)行選擇，然后根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行加減，各個(gè)參數(shù)的初始值均為0，鍵盤(pán)與DSP的GPIOB0-GPIOB6連接，當(dāng)按鈕按下，GPIOBX引腳檢測(cè)到低電平，然后DSP通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇和參數(shù)的加減。顯示單元采用LCD1602，LCD1602是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。液晶顯示的控制引腳和數(shù)據(jù)傳輸引腳與DSP的GPIOA1-GPIOA10引腳連接。GPIOA1與LCD1602的第4腳連接，用于控制寄存器的選擇，GPIOA2與LCD1602的第6引腳連接，用于控制讀取信息或者執(zhí)行指令，GPIOA3-GPIOA10連接LCD1602的7～14腳，用于8位雙向數(shù)據(jù)傳輸。LCD1602主要用于顯示管道的參數(shù)及被測(cè)管道的壓力值。

3 超聲波測(cè)量裝置軟件設(shè)計(jì)

　　超聲波壓力測(cè)量裝置軟件部分包括DSP初始化、超聲波信號(hào)發(fā)射、超聲波信號(hào)接收、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互5部分。超聲波壓力測(cè)量裝置軟件流程圖如圖7所示。

　　圖7中，DSP初始化主要是系統(tǒng)上電后自動(dòng)調(diào)用初始化程序，初始化程序包括時(shí)鐘初始化、GPIO端口初始化、外設(shè)初始化以及管道參數(shù)設(shè)定等；初始化完成過(guò)后，DSP啟動(dòng)定時(shí)器T0并產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理過(guò)后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波；超聲波透過(guò)管道，超聲波接收換能器接收到聲波信號(hào)過(guò)后，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大處理后送至DSP，DSP接收到信號(hào)過(guò)后停止定時(shí)器T0，完成第一次時(shí)間的測(cè)量；系統(tǒng)完成第一次時(shí)間測(cè)量過(guò)后又產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成第二次時(shí)間測(cè)量，完成第二次時(shí)間測(cè)量過(guò)后，繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程，完成第三次時(shí)間測(cè)量；完成3次數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)后，求得時(shí)間平均值，然后計(jì)算壓力值，求得的壓力值通過(guò)液晶進(jìn)行顯示。

4 結(jié)論

　　針對(duì)傳統(tǒng)介入式壓力測(cè)量裝置的不足，設(shè)計(jì)了一種非介入式超聲波壓力測(cè)量裝置，該裝置采用時(shí)差法求得管道壓力值，其原理簡(jiǎn)單，超聲波傳送時(shí)間采用平均值，提高了系統(tǒng)的精度，克服了現(xiàn)有非介入式壓力測(cè)量裝置精度不高、計(jì)算繁瑣的弊端。同時(shí)，與傳統(tǒng)的介入式壓力測(cè)量裝置相比較，該裝置性能可靠，安全系數(shù)高，不破壞管道的完整性，同時(shí)能根據(jù)不同的管道材料、管道厚度及管道中的介質(zhì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，使該裝置使用范圍更加廣泛。

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