[发明专利]油气管道在线应力超声测量装置

说明书

技术领域

本发明属于油气管道应力检测领域，具体地，涉及管线钢金属在线应力超声测量装置，该装置以声弹性理论为基础，能够通过测量超声临界折射纵波(LCR波)在金属内表层的飞行时间，进而计算出金属内部的应力大小。该测量装置精巧，可实现无损检测，并且测量精度高，测量速度快。

技术背景

随着国内外对石油、天然气的需求不断提高，油气管道向着大口径、高压力、高强度和高设计系数的方向发展，但是随着使用年限的逐年增长，管道缺陷也随之增多，油气管道进入一个事故多发阶段。在所有的油气管道设备中，金属承受载荷十分大。这些管道内部应力的大小及其变化是衡量其可靠性的主要参考指标。管道金属内部应力的大小变化除了与其受力情况有关外，还与其加工过程，形变及周围的温度有关。为了维护、检查和延长管道的使用寿命，长期以来人们很关注管道应力的检测。应力的测量方法有很多，如x射线法、磁力法、应变片法、超声方法等。传统的测量方法，如x射线法、磁力法等需要的设备体积庞大，价格昂贵，不适宜室外大规模测量。而超声波所固有的特性，如穿透能力强、仪器设备简单、测量速度快、低成本等，因此利用超声波无损检测金属材料表面和内部的应力状况具有极大的潜力。

然而传统的超声测量应力装置相对较大，不可手持，测量方式一般为对信号采样测量，其低采样频率决定了其测量精度低，其采样频率很难做到1GHz以上，故其时间测量精度往往只能达到10^-8-10^-9S。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种体积小，可手持，精度高的独立超声应力测量系统，能够通过测量数据准确地绘制出金属管道的应力分布情况。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

油气管道在线应力超声测量装置，包括：低功耗处理器、超声发射模块、超声接收模块、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块、电源管理模块；其中：超声发射模块发射高电压脉冲，超声接收模块用于接收信号的波形放大及整形；时间测量电路模块测量超声发射起始信号和截止信号的时间间隔；液晶显示及交互模块用于系统管理及测量结果显示；电源管理模块用于为低功耗处理器、超声发射模块、超声接收模块、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块供电。低功耗处理器用于系统管理、电源控制、采集测量结果、处理测量结果并控制将结果显示出来。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、时间测量采用区别于传统的采样方式，以门延迟替代采样，时间测量精度为55ps，最终系统的时间测量精度为100ps，对应的测距精度达到了1um以内，相当于使用20GHz的采样速率所获取的采样精度，而传统方案的采样速率很难做到1GHz以上，故而大大提高了检测的精度。

2、发射部分电源采用光电倍增压升压，输出电压稳定、集成化、模块小巧安全、封装完整。

3、发射和接收隔离设计，很大程度上降低了发射波形对接收波形的干扰，从电路上来说，发射部分和接收部分的地相隔离；从结构设计上来说，采用金属屏蔽罩将发射部分完全罩住屏蔽，防止电磁干扰。

4、采用各种低功耗的传感器和微处理器芯片，大大降低了系统的功耗；采用锂电池充放电电路，为系统提供稳定的电源，使得系统可以连续、长期、稳定地在野外工作。

5、温度测量和超声飞行时间测量集成在同一个模块内，降低了硬件设计上分立元件的复杂程度，减小了整体设备的尺寸。温度测量采用PT1000传感器，单独给出一个接口给温度传感器，拆卸组装方便灵活，贴合实际使用场景。

6、基于前期大量的测量数据以及相关研究，在此基础之上嵌入各种智能算法并集成在单片机内，如噪声滤波算法，使测量结果更加精确。

7、所有线路信号传输均采用同轴线缆，相关接口采用SMA屏蔽接口，隔绝外界干扰，最终的测量结果将更加真实可靠。

8、信号前端整形集成化设计，对接收波形进行可编程控制，确保每次收到的信号均是真实信号，极大程度上降低了噪声的干扰。

附图说明

图1是油气管道在线应力超声测量装置的结构示意图；

图2是油气管道在线应力超声测量装置核心信号示意图；

图3是油气管道在线应力超声测量装置的部分发射模块电路图；

图4是油气管道在线应力超声测量装置接收模块(含温度测量)电路图；

图5是油气管道在线应力超声测量装置接收信号处理示意图；

图6是油气管道在线应力超声测量装置的时间测量电路模块图；