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，壓力測量對油氣管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行和實(shí)時(shí)監(jiān)測具有十分重要的意義,。傳統(tǒng)的壓力檢測方法大部分是介入式壓力測量,，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,。針對介入式壓力測量裝置的弊端,，設(shè)計(jì)了一種利用超聲波測量管道壓力的裝置,。詳細(xì)闡述了超聲波測壓裝置的原理、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)確測量管道壓力。

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

0 引言

　　由于油田的開發(fā)和西氣東輸工程的進(jìn)行,，管道運(yùn)輸將在我國國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越重要的地位,。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)測和故障診斷通常要檢測出管道內(nèi)部各個(gè)部位的壓力[1-2],。傳統(tǒng)的壓力測量方法種類繁多,，但大多數(shù)采用的是介入式壓力測量[3-4]，例如機(jī)械壓力表,、壓阻式,、振弦式、應(yīng)變式等壓力測量方法,。介入式壓力測量需要預(yù)留壓力測量接口,，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,，人們追求簡單,、方便、安全的測壓裝置,。人們在改善這種工具方面進(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,，從而影響測量精度[5]；有的超聲波測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，對較小管道的壓力不能準(zhǔn)確測量,。

　　針對傳統(tǒng)壓力測量裝置和現(xiàn)有超聲波壓力測量裝置的不足,，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的超聲波壓力測量裝置。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,、鍵盤及顯示單元。超聲波壓力測量裝置以DSP為核心,，DSP特別適合信號處理運(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。超聲波壓力測量原理采用時(shí)差法,，原理簡單,，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，提高了超聲波測壓裝置的精度,。

1 超聲波測壓原理

　　石油屬于烴類物質(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》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),，通過實(shí)驗(yàn)或者查表可以求得,。由式（1）可以看出，測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,，換能器用夾具對稱地接觸在管道兩側(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存在唯一對應(yīng)關(guān)系,，只要測得超聲波傳送時(shí)間t0,，就能得出管道中的壓力值，由此可知超聲波壓力測量裝置的關(guān)鍵技術(shù)是對超聲波在管道中的傳送時(shí)間進(jìn)行測量,。

2 超聲波測壓裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　超聲波壓力測量裝置系統(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是目前性價(jià)比最高的DSP芯片之一,，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制,，特別是應(yīng)用在對處理速度,、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語言中直接嵌入?yún)R編語言的開發(fā)界面,，可以在C語言的環(huán)境中搭配匯編語言來撰寫程序[10]。TMS320F2812采用C語言，編程簡單,，C語言中搭配匯編語言,，可以提高程序的運(yùn)行效率。

　　換能器T1用于將電信號轉(zhuǎn)換為聲波信號,，換能器T2用于將檢測到的微弱聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。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)探頭用于將電信號轉(zhuǎn)換為聲波信號,，另一個(gè)探頭用于將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號,。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,。

　　鍵盤和顯示模塊中，鍵盤用于設(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管道內(nèi)的壓力值,。通過鍵盤和顯示單元，使超聲波壓力測量裝置使用范圍更加廣泛,，操作更加簡單,，數(shù)據(jù)讀取更加方便。

　　超聲波壓力測量裝置主要用于測量超聲波在管道中的傳送時(shí)間t0,，其測量方法如下：啟動(dòng)壓力測量裝置,，DSP啟動(dòng)定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)，同時(shí)DSP的引腳GPIOA0發(fā)出信號,，經(jīng)過超聲波發(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)生超聲波透過管道送至接收換能器,，接收換能器把接收到的信號經(jīng)過處理送至DSP,，DSP接收信號過后停止定時(shí)器T0，得出時(shí)間t2,；重復(fù)上述過程分別得到時(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,。通過求平均值得到傳送時(shí)間t0,，提高了系統(tǒng)測量精度，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去激勵(lì)發(fā)射換能器,，發(fā)射換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲波信號向外發(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，能滿足設(shè)計(jì)要求,。信號發(fā)射電路如圖3所示,。

　　由圖3可知，信號放大電路是用LM324構(gòu)成的同向放大電路,，信號放大倍數(shù)為3,，GPIOA0引腳輸出信號電壓約為3 V，經(jīng)過放大器后,，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)生的信號微弱,，信號要能被DSP準(zhǔn)確檢測到,，需要對信號進(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,，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。接收電路如圖4所示,。

　　2.3 鍵盤及顯示單元設(shè)計(jì)

　　鍵盤和顯示單元如圖5,、圖6所示。鍵盤包括參數(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，對參數(shù)進(jìn)行加減,，各個(gè)參數(shù)的初始值均為0,，鍵盤與DSP的GPIOB0-GPIOB6連接，當(dāng)按鈕按下,，GPIOBX引腳檢測到低電平,，然后DSP通過軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇和參數(shù)的加減。顯示單元采用LCD1602,，LCD1602是一種專門用來顯示字母,、數(shù)字、符號等的點(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)及被測管道的壓力值,。

3 超聲波測量裝置軟件設(shè)計(jì)

　　超聲波壓力測量裝置軟件部分包括DSP初始化,、超聲波信號發(fā)射、超聲波信號接收,、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互5部分,。超聲波壓力測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,；初始化完成過后，DSP啟動(dòng)定時(shí)器T0并產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號,，驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)過放大處理過后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波,；超聲波透過管道，超聲波接收換能器接收到聲波信號過后,，將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號,，電信號經(jīng)過濾波、放大處理后送至DSP,，DSP接收到信號過后停止定時(shí)器T0,，完成第一次時(shí)間的測量,；系統(tǒng)完成第一次時(shí)間測量過后又產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號，完成第二次時(shí)間測量,，完成第二次時(shí)間測量過后,，繼續(xù)重復(fù)上述過程，完成第三次時(shí)間測量,；完成3次數(shù)據(jù)測量過后,，求得時(shí)間平均值，然后計(jì)算壓力值,，求得的壓力值通過液晶進(jìn)行顯示,。

4 結(jié)論

　　針對傳統(tǒng)介入式壓力測量裝置的不足，設(shè)計(jì)了一種非介入式超聲波壓力測量裝置,，該裝置采用時(shí)差法求得管道壓力值,，其原理簡單，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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