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(多图) 基于CNG地下储气井检测用的自动悬浮式超声波探头设计

现代电子技术 四川理工学院理学院 王明灼 王晶?? 2011年02月10日 ?? 收藏0

  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。

探头系统结构

  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:

公式

  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。

超声波接收探头接收到的波形

  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)。

滑块受力示意图

  当达到额定转速时,弹簧被压缩x,此时弹力F2为:

公式

  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。

系统硬件组成的方案

  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。


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CNG地下储气井检测? 超声波探头? ATM89S51?

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