一种管道腐蚀超声检测系统

技术领域

本发明涉及管道检测领域，特别涉及一种管道腐蚀超声检测系统。

背景技术

压电超声管道腐蚀检测利用压电超声波传感器的压电效应激励超声波对管道进行腐蚀检测和完整评价，其原理是：压电超声波传感器激励超声波沿管道径向传播过程中被管道内外壁反射，反射波又被该传感器接收，由于被检测介质和管壁内的声波传播速度是已知的，因此通过测量回波的反射时间可以得到提离值和管道壁厚值，进而得到剩余管壁厚度，从而达到腐蚀检测的目的。

现有技术提供了一种压电超声管道腐蚀检测系统，其包括：骨架及耐压舱体、分别设置于骨架及耐压舱体上的超低频声波发射机、里程信息采集单元、传感器模块、以及密封驱动皮碗。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：

现有技术提供的压电超声管道腐蚀检测系统的检测速度较低。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种管道腐蚀超声检测系统，可以达到更高的检测速度。

具体而言，包括以下的技术方案：

一种管道腐蚀超声检测系统，所述检测系统包括：载体、集成于所述载体上的超声发射模块、超声接收模块、超声信号采集及处理模块、高速数据记录模块；

所述超声信号采集及处理模块包括：模数转换模块和控制模块；

所述超声发射模块用于在所述控制模块的控制下以16路并行超声发射通道发射超声波；

所述超声接收模块用于在所述控制模块的控制下以16路并行超声接收通道接收所述超声波；

所述模数转换模块用于在所述控制模块的控制下采集接收到的超声波信号，并进行模数转换；

所述高速数据记录模块包括：64片NAND Flash芯片，用于在所述控制模块的控制下对模数转换后的超声波信号进行记录并存储；

其中，所述控制模块还用于将16路并行的超声发射及接收通道扩展为64个超声发射及接收通道。

在一种可能的实现方式中，所述超声发射模块包括：具有16路并行的超声发射电路的MAX14808芯片，利用所述MAX14808芯片实现超声激励脉冲产生。

在一种可能的实现方式中，所述超声接收模块包括：具有16路并行的超声接收电路的低噪声放大器OPA3355、具有所述程控放大电路的超低噪声可变增益放大器AD604；

所述低噪声放大器OPA3355用于对接收到的超声波信号进行初步调理和滤波处理；

所述超低噪声可变增益放大器AD604用于使处理后的超声波信号的增益在0-60dB范围内可调。

在一种可能的实现方式中，所述模数转换模块采用四通道模数转换器，用于对采集到的超声波信号进行数字量转化处理。

在一种可能的实现方式中，所述控制模块包括：Virtex-7 XC7VX485T FPGA芯片。

在一种可能的实现方式中，所述高速数据记录模块包括：32组高速缓存子模块和32个NAND Flash芯片控制子模块，其中，每个所述NAND Flash芯片控制子模块包括2片NANDFlash芯片。

在一种可能的实现方式中，所述管道腐蚀超声检测系统还包括：电池舱，用于对所述管道腐蚀超声检测系统的离线工作进行供电。

在一种可能的实现方式中，所述管道腐蚀超声检测系统还包括：与所述电池舱电性连接的高压电源转换模块和低压电源转换模块；

所述高压电源转换模块用于将电源转换成用于超声信号发射的高压电源；

所述低压电源转换模块用于将电源转换成用于超声信号接收、处理及记录的低压电源。

在一种可能的实现方式中，所述载体包括：上背板和下背板；

所述上背板用于实现高压电源对所述超声发射模块的供电，以及超声模拟通道向外部终端的转接；

所述下背板用于实现低压电源的供电，以及所述超声发射模块、所述超声接收模块、所述超声信号采集及处理模块、所述高速数据记录模块之间的互联。

在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：辅助通道模块；

所述辅助通道模块用于获取三轴加速度计、三轴陀螺仪、压力传感器、温度传感器、计数器和时钟源的数据，并传输至所述控制模块。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的管道腐蚀超声检测系统，通过使超声发射模块、超声接收模块、超声信号采集及处理模块、以及高速数据记录模块集成于一个载体上，使得该系统同时具有超声波激励、接收并行控制以及回波信号数据的采集以及实时存储功能。在检测结束后通过下载超声数据信息并对其进行处理分析，即可得到剩余管壁厚度，达到腐蚀检测的目的。由于超声发射模块和超声接收模块均以16路超声通道进行超声波的发射和接收，并且，控制模块可以将16个并行的超声通道扩展为64个超声通道，实现64路超声发射激励、回波信号的增益控制，同时实现64路回波信号的采集与实时信号处理。高速数据记录模块包括：64片NAND Flash芯片，可实现64路超声波信号的高速记录和存储，如此可有效提高检测速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的管道腐蚀超声检测系统的连接关系框图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种管道腐蚀超声检测系统，如附图1所示，该检测系统包括：载体、集成于载体上的超声发射模块、超声接收模块、超声信号采集及处理模块、高速数据记录模块；其中，超声信号采集及处理模块包括：模数转换模块和控制模块。

超声发射模块用于在控制模块的控制下以16路并行超声发射通道发射超声波；

超声接收模块用于在控制模块的控制下以16路并行超声接收通道接收超声波；

模数转换模块用于在控制模块的控制下采集接收到的超声波信号，并进行模数转换；

高速数据记录模块用于在控制模块的控制下对模数转换后的超声波信号进行记录并存储；

其中，控制模块还用于将16个并行的超声发射及接收通道扩展为64个超声发射及接收通道。

本发明实施例提供的管道腐蚀超声检测系统，通过使超声发射模块、超声接收模块、超声信号采集及处理模块、以及高速数据记录模块集成于一个载体上，使得该系统同时具有超声波激励、接收并行控制以及回波信号数据的采集以及实时存储功能。在检测结束后通过下载超声数据信息并对其进行处理分析，即可得到剩余管壁厚度，达到腐蚀检测的目的。由于超声发射模块和超声接收模块均以16路超声通道进行超声波的发射和接收，并且，控制模块可以将16个并行的超声通道扩展为64个超声通道，实现64路超声发射激励、回波信号的增益控制，同时实现64路回波信号的采集与实时信号处理。高速数据记录模块包括：64片NAND Flash芯片，可实现64路超声波信号的高速记录和存储，如此可有效提高检测速度。

以下针对上述各个模块分别进行阐述：

对于超声发射模块，其用来发射超声波，本发明实施例提供的超声发射模块包括具有16路并行的超声发射电路的MAX14808芯片，利用该MAX14808芯片实现超声激励脉冲产生，其中，控制模块用来实现将16个并行超声通道扩展为64个超声通道，该超声发射模块的发射中心频率、发射电压、发射控制时序等参数均可调。

本发明实施例采用的MAX14808芯片的工作特点如下：

(1)支持8通道的超声发射与接收(使用两片MAX14808芯片)，工作模式具有发射、接收、发射/接收、不工作四种；

(2)带有集成的T/R开关；

(3)采用DirectDrive架构，来减小外部的高压电容；

(4)低功耗至5.7mW/ch；

(5)可编程的电流输出能力；

本发明实施例采用上述MAX14808芯片来作为超声发射模块具有以下优点：

(1)触发方式：支持内部触发/外部编码器触发；

(2)脉冲重复频率：最大支持20KHz；

(3)发射波形：双极性单周期方波，发射周期可选；

(4)发射脉冲宽度可调；

(5)发射延时可调；

(6)通道间串扰：小于-50dB；

(7)可靠性设计：具有短路保护功能。

对于超声接收模块，其用来在控制模块的控制下，实现64通道超声回波信号接收预处理以及可变增益放大，并将接收到的回波信号连接至模数转换模块。

其中，针对超声接收模块的接收电路来说，其包括前置放大电路和后置可变放大电路两个部分。其中，前置放大电路用来实现信号的初步调理，当回波较为微弱时，选择20dB前置放大电路，当回波信号较强时，选择-3dB前置衰减电路。信号经过复用器后，再通过0-60dB可调的程控放大电路来实现信号的后级放大，便于进行模数转换(ADC)采集。

本发明实施例中，超声接收模块包括：具有16路并行的超声接收电路的低噪声放大器OPA3355(提供前置放大电路)、具有程控放大电路的超低噪声可变增益放大器AD604(即提供0-60dB程控放大电路)。其中，低噪声放大器OPA3355用于对接收到的超声波信号进行初步调理和滤波处理；超低噪声可变增益放大器AD604用于使处理后的超声波信号的增益在0-60dB范围内可调。

低噪声放大器OPA3355用于对接收到的超声波信号进行初步调理和滤波处理，当回波较为微弱时，选择20dB前置放大电路，当回波信号较强时，选择-3dB前置衰减电路。

上超声波信号经处理后，通过超低噪声可变增益放大器AD604使处理后的超声波信号的增益在0-60dB范围内可调。其中，超低噪声可变增益放大器AD604至少具有以下作用：

(1)拥有2个独立的增益通道，每个增益通道可进行独立控制。当前置放大增益为14dB时，增益调整范围为0-48dB；而当前置放大增益为20dB时，增益调整范围为6-54dB，且增益值与增益控制电压成正比，可以有效减小送入A/D转换器的信号动态范围；

(2)带宽为40MHz，具有超低的输入噪声谱密度；

(3)内部电路分为前置放大、差分衰减和固定增益三级；

(4)可进行单端单极性增益控制，并可直接驱动模数转换器。

对于超声信号采集及处理模块，其包括：模数转换模块和控制模块，用来实现64通道超声发射延时、发射电压、开关阵切换、接收工作时序、接收增益参数的控制，超声回波信号的A/D转换，并将采集到的回波数据、辅助通道的数据以及里程与时间等信息打包后发送给高速数据记录模块。

其中，模数转换模块采用四通道模数转换器，用于对所接收的超声波信号进行数字量转化处理。

针对管道超声腐蚀检测的实际需求，采样频率一般设计为探头中心频率的10-20倍。采样频率越高，采集到的超声波形越光滑，对管道剩余壁厚的测量越准确。由于采样频率越高，电子系统的功耗越大。综合以上，本发明实施例选用四通道模数转换器来实现对接收的超声波信号的数字量转化，采样频率为100MSPS。由于本发明实施例提供的检测系统需要实现16路超声回波信号的模数转换，所以共需4片该四通道模数转换器。

本发明实施例中，控制模块包括可编程开关阵列模块Virtex-7 VX485T FPGA芯片，进一步地，控制模块还包括：Spartan6芯片。

本发明实施例提供的检测系统中，要实现10ns精度的超声发射控制，需要采用Virtex-7 VX485T FPGA芯片根据发射电路的时序要求产生低压控制逻辑驱动超声发射模块的MAX14808芯片，所产生的高频、高压双极性脉冲用于驱动压电传感器产生超声波。MAX14808芯片可以作为八通道三级或四通道五级电平脉冲发生器使用。本发明实施例中使用八通道三级电平脉冲发生器，每个通道发射的高压脉冲由Virtex-7 VX485T FPGA芯片的两路逻辑输出DINN_和DINP_的状态进行控制。根据FPGA的控制时序，MAX14808能够发射从0V到VPP，VPP到VNN，VNN再到VPP的高压双极性脉冲来激励超声波传感器产生超声波。

对超声接收模块的控制分为前置增益控制部分和0-60dB增益控制部分，其中，前置增益主要由Spartan-6FPGA芯片来实现，0-60dB增益控制部分主要由数模转换(DAC)芯片TLV5638来实现。

前置增益的控制是由Virtex-7 VX485T FPGA芯片输出的01电平，经过Spartan-6芯片进行电平转换，并通过模拟多路复用器CD74HC4053PW控制低噪声放大器OPA3355来实现对所接收到的超声信号的调理和滤波，去除杂波干扰。0-60dB增益控制部分主要由Virtex-7 VX485T FPGA芯片通过SPI接口来控制DAC芯片TLV5638产生0-3.3V电压来实现。

本发明实施例提供的检测系统，要实现64通道超声波激励控制以及回波信号的AD采集，并且要将结果实时处理，这需要功能强大的控制与处理单元来实现整个系统中的多路信号实时处理和高精度控制。

FPGA器件能够以高速、实时、低成本、高灵活性的优点应用于数字信号处理领域，以其硬件的实现方式和灵活的可编程性使数字信号的全并行处理得以灵活实现。本发明实施例中，FPGA选用功能强大的Xilinx Virtex7系列的XC7VX485T芯片。它的主要特点如下：

(1)采用基于6输入LUT技术的高性能FPGA逻辑，可用作分布存储器；

(2)带有内置FIFO逻辑的36Kb块存储器；

(3)采用高性能的Select IO技术来支持DDR3 SDRAM接口；

(4)带有多个Gbit收发器的高速串行互联，互联速度可以达到6.6Gb/s，提供低功耗模式和优化的芯片与芯片之间的接口；

(5)一个用户可以配置的模拟接口，内部有带有两个1MSPS 12bits的ADC，用来测试FPGA芯片的温度；

(6)带有25X18乘法器和48bits加法器的DSPSlices，用来实现高性能的滤波运算；

(7)带有丰富的时钟管理资源(CMT)，采用PLL和MMCM来实现高精度和低抖动；

(8)内部集成的PCIE模块可以支持X8的Gen3节点和根端口设计。

XC7VX485T带有丰富的逻辑资源CLB，自带大量的BRAM用来实现数据的缓存，单个芯片带有700个单端IO，带有PCIE Gen2的硬核2个；带有56个速度高达12.5Gbps的GTX收发器，带有2800个DSP48E硬核可以满足各种复杂逻辑控制、数据缓存、数字信号处理运算和高速通信的场合。

在本发明实施例中，XC7V485T FPGA芯片主要用来完成RS422串口通讯、超声发射接收参数的配置功能以及发射开始和结束控制、里程轮接口控制、同步脉冲产生、开关阵切换、发射控制、前置增益和0-60dB增益控制、ADC接口、原始数据抽取、数据上传窗口截取、IO接口以及SRIO接口模块等功能。

综上可知，本发明实施例提供的检测系统，根据系统的可扩展性和可重构性的原则，以64个检测通道为一个模块，可以实现64路超声发射激励、回波信号的增益控制、接收闸门等相关参数的控制，并实现64路回波信号的采集与实时信号处理，有效提高了检测速度。

在超声管道检测数据采集与控制系统设计中，多通道超声检测数据的快速实时存储是系统设计的另一关键技术。高速数据实时记录模块用来实现超声回波采集数据或者是处理结果和辅助通道信息数据的高速实时记录，其主要技术要求如下：

(1)该模块采用工业级SLC Flash存储芯片来构成并行流水芯片存储阵列，存储容量可达2TB；

(2)高速串行通信接口：支持X8 SRIO高速串行接口，最高峰值速率可达20Gbps；

(3)记录速度：最高记录速度可达12.8Gbps；

(4)存储容量：单板容量为2TB；

(5)支持数据的以太网数据导出；

(6)单个模块可支持16个超声模块同时进行数据记录；

(7)工作温度：-20℃-85℃。

对于高速数据记录模块，为了确保其实现超声回波采集数据或者是处理结果和辅助通道信息数据的高速实时记录，其包含32组高速缓存子模块和32个NAND Flash芯片控制子模块。其中，32组高速缓存模块主要用来实现SRIO数据汇聚模块输出的256bits位宽数据分为32个8bits来进行数据缓存，每组高速缓存模块对应着一个NAND Flash芯片控制子模块。在外围电路接口方面，每个NAND Flash芯片控制子模块都对应4组NAND Flash芯片接口(每个NAND Flash芯片上有两组NAND Flash芯片接口)，也就是说，每个NAND Flash芯片控制子模块都对应包括2片NAND Flash芯片，(例如，MT29F256G08AUCAB)。即，上述32个NANDFlash芯片控制子模块可以理解为是由64片NAND Flash芯片构成的存储器阵列，其中，NandFlash单片容量大，适用于大数据量存储，Nand Flash又分为SLC和MLC两种架构。其中，SLCFlash稳定性好(不容易出坏块)，速度快，使用寿命长，因此，本发明实施例使用SLC Flash。

考虑到单片存储容量等问题，本发明实施例选用SLC Flash为Micron公司的MT29F256G08，该芯片的单片容量为256Gb。

综上，本发明实施例提供的高速数据记录模块，主要特点如下所示：

(1)该模块采用工业级SLC Flash存储芯片来构成并行流水芯片存储阵列，存储容量可达2TB；

(2)高速串行通信接口：支持X8 SRIO高速串行接口，最高峰值速率可达20Gbps；

(3)记录速度：最高记录速度可达12.8Gbps；

(4)存储容量：单板容量为2TB；

(5)支持数据的以太网数据导出；

(6)单个模块可支持16个超声模块同时进行数据记录；

(7)工作温度：-20℃-85℃。

对于由64片NAND Flash存储器构成的存储器阵列，每片Nand Flash形成两级指令流水线结构，2片Nand Flash形成一个四级指令流水组结构，单个流水组的实时记录速度可达400Mbps，然后通过32个四级流水组并行工作来获得12.8Gbps的实时记录速度。

在高速实时记录模块中，FPGA芯片主要完成以下功能：

(1)RS422串口接口功能；

(2)RS422对板内寄存器的配置；

(3)对Flash阵列的上电复位操作；

(4)对NOR Flash的读写控制；

(5)X8 SRIO接口控制器；

(6)超声数据上传控制；

(7)超声数据写入Nand Flash阵列控制；

(8)Nand Flash的流水控制；

(9)Nand Flash阵列控制器；

(10)千兆以太网接口；

(11)通过千兆以太网接口读取Nand Flash，并实现主机接口。

本发明实施例提供的管道腐蚀超声检测系统还包括：电池舱，用于对管道腐蚀超声检测系统的离线工作进行供电。电池舱可以包括端盖、拉杆、3层间隔板、电池顶部电路板、电池底部电路板以及电池筒，电池舱最多可以容纳10节电池，它可以通过选择不同的电池顶部和底部电路板实现不同的输出电压，在连接8节电池时可以提供31.2V的电源输出，在连接10节电池时可以提供15.6V的电源输出。

进一步地，本发明实施例提供的管道腐蚀超声检测系统还包括：与电池舱电性连接的高压电源转换模块和低压电源转换模块。

其中，高压电源转换模块用于将电源转换成用于超声信号发射的高压电源；

低压电源转换模块用于将电源转换成用于超声信号接收、处理及记录的低压电源。

本发明实施例中，载体包括：上背板和下背板。其中，上背板用于实现高压电源对超声发射模块的供电，以及超声模拟通道向外部终端的转接；下背板用于实现低压电源的供电，以及超声发射模块、超声接收模块、超声信号采集及处理模块、高速数据记录模块之间的互联。

本发明实施例提供的检测系统还包括：辅助通道模块，其中，该辅助通道模块用于获取三轴加速度计、三轴陀螺仪、压力传感器、温度传感器、计数器和时钟源的数据，并传输至控制模块

该辅助通道模块包括单片机，其可选用ST公司的STM32F103C8T6芯片，该芯片具有以下功能：

(1)自带32位Cortex-M3 CPU，主频可以高达72MHz；

(2)带有32KB-128KB的Flash存储器，用来实现程序存储；

(3)带有6-20KB的SRAM；

(4)时钟复位和电源管理；

(5)低功耗；

(6)带有2个12bits的片上ADC，可以实现0-3.6V模拟信号的采集。

三轴加速度计和陀螺仪采用ADI公司的ADIS16334来实现。ADIS16334为完整的惯性系统，内置一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计，集MEMS技术与信号调理功能于一体，可以实现腐蚀检测系统在管道中的周向位置检测和管道走向测量。温度传感器采用PT100，通过单片机内部ADC来实现温度数据的转换；压力传感器输出为模拟量，也通过单片机内部的ADC来实现压力信息的获取；MAX1672用来实现系统计数，它可以利用备用电池来供电，可以在系统掉电的情况下实现系统的稳定计数。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。