基于射頻法的管道內金屬形態(tài)檢測研究

趙潛

（1.中煤科工集團沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧沈陽(yáng)，110016；
2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,遼寧撫順，113122）

在當今科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，諸如石油、天然氣開(kāi)采以及冶金等國家重工業(yè)的研究和發(fā)展上都有多相流參數測量與分析的問(wèn)題需要解決，因此在工業(yè)生產(chǎn)中多相流的相關(guān)研究逐漸變成新熱點(diǎn)。在諸多科研基金與國家項目的支撐條件下，兩相流及多相流的介質(zhì)分布重建及流動(dòng)過(guò)程參數測量相關(guān)的研究與分析課題越來(lái)越多。研究水平上升提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，提升經(jīng)濟效益，對人們的日常生活中慢慢起著(zhù)不可或缺的作用。

在工業(yè)生產(chǎn)研究領(lǐng)域中相對常見(jiàn)的兩相流現象通常是以氣/固/液三種形態(tài)中的兩種組合形式出現，如高爐鍋爐燃燒灰吹技術(shù)就是在冶金生產(chǎn)中大量廣泛使用的氣/固兩相流技術(shù)經(jīng)典實(shí)例[1]。循環(huán)流化床技術(shù)在化工行業(yè)的應用也是兩相流的典型范例。其他還有在石油和天然氣的開(kāi)采過(guò)程中[2]，當開(kāi)發(fā)礦區的油氣田開(kāi)采到一定的階段時(shí)，為了維持地下油層壓力的相對平衡，即保證油氣田注入的水和采出的油一直處于較為平衡穩定狀態(tài)，同時(shí)要移動(dòng)原油到油井周?chē)?，這樣才可以保證石油開(kāi)采系統維持正常狀態(tài)運轉工作[3～4]。因此需要在運輸過(guò)程中實(shí)時(shí)監控管道內兩相流的參數數據。傳統的檢測技術(shù)精確性和實(shí)時(shí)性較差，所以發(fā)展具有高、精、快特點(diǎn)檢測技術(shù)的研究對未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)提高效率有十分重大的意義。

參照目前的調研，兩相流與多相流在國家工業(yè)生產(chǎn)與制造業(yè)中較為常見(jiàn)[5～6]，且多相流的組成及多相流的相關(guān)參數檢測手段匱乏，像兩相流的介質(zhì)分布、各相濃度、流速以及流量測量等，能夠看出多相流基本特征變化不定且情況復雜，難于測量，同樣就當下的多相流測量傳統技術(shù)來(lái)說(shuō)，還達不到工業(yè)生產(chǎn)可以滿(mǎn)足的高要求，也可以說(shuō)這種測量技術(shù)還需強化深入研究和發(fā)展。隨著(zhù)時(shí)間的推移現代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展漸趨高精度，因此各個(gè)企業(yè)對多相流流動(dòng)過(guò)程的參數測量的精準度有很?chē)栏竦臉藴室?，相關(guān)研究的開(kāi)展也要向更深層次方向發(fā)展。

對管道內金屬液體結構形態(tài)可視化的相關(guān)研究是從上個(gè)世紀80 年代興起的[7]，經(jīng)過(guò)30 多年的不斷發(fā)展，現在慢慢形成了以超聲波（Acpustic）技術(shù)、X 射線(xiàn)技術(shù)、紅外技術(shù)等為主要探測方法來(lái)實(shí)現管道內介質(zhì)分布檢測[8-9]，許多以新型技術(shù)為基礎的檢測系統也已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段：如Analysis 公司推出的 Cougar EVO 檢測系統，采用了微焦點(diǎn)X 射線(xiàn)成像技術(shù)，實(shí)現了對常見(jiàn)工業(yè)管道檢測的高精度成像檢測[10]；
美國 DAKOTA ULTRASONIC 公司的管道內檢測技術(shù)采用了超聲波檢測技術(shù)，使得精密管道探傷檢測工程得以實(shí)現[11]。下面我們對這兩種適用范圍較廣的管道成像檢測技術(shù)進(jìn)行介紹和分析。

在上個(gè)世紀初超聲波成像技術(shù)開(kāi)始被科研人員所研究，蘇聯(lián)科研專(zhuān)家S.J.Sokolov 最早對該領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究實(shí)驗[12]，其他科學(xué)家隨后也開(kāi)始涉足這一領(lǐng)域。直到 70 年代超聲成像領(lǐng)域已經(jīng)形成了幾種成熟的方法，在工業(yè)材料超聲檢測中逐漸得到應用。由于聲波可以穿透很多不透明的介質(zhì)，因此可以參照超聲檢測的相關(guān)理論重建出不透明管道內的介質(zhì)分布情況。超聲波成像就是利用超聲波在介質(zhì)中傳播的聲阻抗特性、聲衰減特性和多普勒特性來(lái)檢測出管道內介質(zhì)分布，從而重建圖像。

X 射線(xiàn)層析成像是DR 成像的一種應用，屬于工業(yè)無(wú)損檢測技術(shù)。X 射線(xiàn)因其特性具備很強的透射能力。此外，因為不同介質(zhì)的密度和介質(zhì)層的厚度不相同。穿過(guò)物體的X射線(xiàn)強度分布攜帶被穿透物體的內部信息，由此可以通過(guò)射線(xiàn)強度信息采集來(lái)進(jìn)行圖像重建。但值得注意的是，超聲波成像，X 射線(xiàn)成像等技術(shù)由于其各自的局限性，對一些復雜的工況如管道內的金屬形態(tài)探測應用效果不夠理想。因此，本文設計一種基于射頻技術(shù)的管道內液態(tài)金屬形態(tài)可視化系統，來(lái)解決這一不足。

本文所研究的射頻法金屬形態(tài)可視化技術(shù)，相對于其他測量技術(shù)，射頻法更加針對復雜的工況環(huán)境。射頻法可以應用于金屬液體、管道、空氣、雜質(zhì)等復雜成分環(huán)境之中，其工作原理主要是以介電常數的不同，達到測量金屬形態(tài)的目的，屬于非接觸式測量中可靠性安全性較高，便捷性更強的測量方法，相對于傳統的密度法不需要提前知道液態(tài)金屬的流速及其他介質(zhì)的密度；
相對于電容法、電導法其對機械結構的適應性更強，不存在內外電極的維護問(wèn)題。

系統硬件結構包括 MCU 控制電路、射頻激勵電路、射頻功率檢測電路、信號調理電路、SD 卡存儲電路、通信電路和液晶顯示電路。

利用射頻傳感器硬件總體設計思路是：由 MCU 主控芯片控制射頻信號發(fā)生電路（DDS）產(chǎn)生固定頻率的射頻信號，經(jīng)射頻天線(xiàn)發(fā)射信號，當信號接觸金屬管道內的流體，管道內介質(zhì)的分布產(chǎn)生信號變化，最終引起系統的一系列變化，通過(guò)射頻功率檢測電路對檢測電阻兩端的電壓信號峰值檢測，再經(jīng)由放大信號電路和信號調理電路處理，最終由數模轉換電路傳輸至主控芯片，連接上位機顯示屏顯示數據。

射頻激勵電路的準確設計是其能夠產(chǎn)生高精度、強穩定性，且工作頻率穩固射頻激勵信號的前提要求。所以要分不同功能模塊來(lái)設計電路，如果信號發(fā)生電路搭建的模塊有沖突或錯誤，電路中不穩定的信號波形會(huì )發(fā)生頻率失控且易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。

圖1 系統各模塊工作框圖

圖2 AD9850 內部結構圖

本文檢測系統使用了射頻信號發(fā)生電路 的 AD9850 芯片作為系統射頻信號激勵源，目標頻率波形的輸出可由芯片控制頻率變化實(shí)現。

射頻功率檢波電路的主要功能是將檢測電阻檢測得到的電壓模擬量轉化為數字信號，經(jīng)通信電路處理最后由上位機存儲顯示，本文系統選用內部帶有溫度補償的肖特基峰值檢波器LTC5507 作為射頻功率檢波電路芯片。射頻功率檢波電路原理圖如圖3 所示。

圖3 射頻功率檢波電路原理圖

圖4 系統工作原理圖

管道內反射的檢測信號經(jīng)過(guò)射頻功率檢波電路后,還需通過(guò) MCU 內部自帶的數/模轉換電路將模擬信號轉化為數字信號，最后通過(guò)控制電路實(shí)現測量數據的存儲成像。本文的控制電路選用微控制器 VYYR2401 芯片，在整個(gè)檢測系統中主要負責邏輯控制，包括對激勵源 VYYR2401 的參數設置控制和成像系統以及通信控制。

在探射管道成像中，為了獲得管道里檢測目標的波形回彈信號，要求所發(fā)射的探測信號要包含穿透管道的性能。通常來(lái)講，發(fā)射信號頻率越低，其穿越障礙物的能力越強，但其成像的分辨率也較低；
信號頻率越高，其成像分辨率越高，但其穿越障礙物的能力則越弱。針對這一特點(diǎn)，本文設計選用了芯片 VYYR2401，其原理為: 3GHz 的較低頻段的信號可以穿越金屬管道，而高頻段的信號可以探測流體細微的移動(dòng)和角分辨率，通過(guò)頻率掃描 24 組接收天線(xiàn)能夠檢測到信號遭遇介質(zhì)反射后的強弱變化，由于不同材料對不同頻率的信號會(huì )有不同的吸收和反射率，從而計算得到探測目標的材料和距離。這款芯片能夠支持超高的帶寬，因此通過(guò)算法可得高分辨率圖像。

■2.1 系統工作原理

當射頻激勵信號通過(guò)天線(xiàn)傳輸到主要由金屬組成的介質(zhì)負載時(shí)，由于金屬和空氣對激勵信號的阻抗特性非常不同，負載阻抗將隨著(zhù)輸出液體中液態(tài)金屬的比例而變化。負載阻抗的變化將改變整個(gè)系統的系統阻抗。因為系統的傳輸電壓是恒定的，即恒壓勵磁，因此，當系統的總阻抗發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統的系統電流也會(huì )隨之變化。此時(shí)，電流互感器可以收集變化的電流信號，或者可以在硬件電路中設計檢測電阻?？梢酝ㄟ^(guò)測量檢測電阻兩端的電壓值來(lái)獲得歸一化的液態(tài)金屬測量值，然后可以通過(guò)對測量的電壓值的一系列擬合來(lái)可視化金屬形狀。系統工作原理如圖 4 所示。

將系統連接電源后，需要將射頻激勵單元、存儲單元、通信模塊、系統ADC、上位機顯示等模塊初始化。系統的工作模式有兩種：一是在現場(chǎng)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)直連將檢測數據連接到本地網(wǎng)絡(luò )的通信模式下數據傳輸；
另一種是檢測模式，用于完成管道中流體的實(shí)時(shí)數據測量，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對數據進(jìn)行成像。

系統開(kāi)機上電以后通過(guò)控制芯片VYYR2401 的 SPI 模塊對射頻激勵信號源DDS 進(jìn)行初始化設置，并通過(guò)配置頻率寄存器和相位寄存器，產(chǎn)生射頻激勵信號。射頻天線(xiàn)發(fā)出的射頻信號接觸管道內金屬介質(zhì)以后，系統中射頻功率轉換模塊將介質(zhì)反射信號值轉化為直流電平,接著(zhù)系統調用A/D 轉換模塊，最后通過(guò)上位機圖像重建顯示算法，完成數據存儲并顯示圖形。其初始化流程圖如圖5 所示。

圖5 VYYR2401 初始化流程圖

■2.2 線(xiàn)性陣列成像概率函數

線(xiàn)性陣列的工作原理為，假設有n 條天線(xiàn)，設定其中一個(gè)天線(xiàn)為激勵發(fā)射信號源，其余n-1 條天線(xiàn)作為檢測接收單元。系統將檢測接收單元的信號數據進(jìn)行初步處理，并將其存儲用于成像處理。對于四元線(xiàn)性陣列天線(xiàn)，有4×3=12種獨立的接收/發(fā)射天線(xiàn)位置用作焦點(diǎn)坐標，依據選用的射頻成像方法在圖像重建區域繪制等距橢圓曲線(xiàn)（因為要考慮信號接觸管道后會(huì )產(chǎn)生折射效應，所以將準橢圓曲線(xiàn)作為等距線(xiàn)）。理論上，以這種方式處理n＊(n-1)組，即12 組接收數據后，會(huì )獲得6 條位置不同的準橢圓曲線(xiàn)等距線(xiàn)。在計算中，假設陣列天線(xiàn)靠近管道放置?？梢杂嬎愕贸?，在目標位置將疊加12 條等距線(xiàn)，目標位置所在的圖像重建單個(gè)像素單元成像數據幅值最大，而非目標像素單元中的數據幅值較小或約等于零。依據上述判別計算方法，可以準確得出目標點(diǎn)位置圖像。

硬件連接完成之后，將程序下載至主控芯片中，測量被檢測區域不充滿(mǎn)任何物體和充滿(mǎn)鋼珠情況下的數據，然后將銅棒隨機在檢測物場(chǎng)中擺放，如圖6 所示。然后給主控芯片上電，通過(guò)串口配置上位機和基于主控芯片下位機串口號、波特率等，然后將測量數據通過(guò)串口上傳至上位機，將所有數據上傳至上位機中，通過(guò)計算機調用重建算法程序進(jìn)行圖像重建，并將成像的結果顯示在上位機界面，如圖6 中成像結果所示，成像結果中能夠看出被測物體的位置及大致形狀。

圖6 圖像重建結果1

為了驗證不同位置情況下圖像重建準確性，將銅棒的位置如圖7 中實(shí)物圖所示放置在檢驗區域中，通過(guò)圖像重建，成像的結果最終如圖7所示。

圖7 圖像重建結果2

為了驗證不同材料情況下圖像重建的準確性，將一個(gè)鐵棒放置于物場(chǎng)中，如圖8 中實(shí)物圖所示，按照同樣的測量方式將鐵尺進(jìn)行測量，最終的成像結果如圖8 中成像結果所示。

圖8 圖像重建結果3

通過(guò)實(shí)驗證明當銅棒處在不同位置時(shí)本系統均可重建出物體的位置，在放置鐵尺情況下的圖像重建結果清晰可見(jiàn)，當變換不同材料及位置等情況的圖像重建結果依然準確，可以得出本文所設計的系統圖像重建符合預期的結果，驗證了本文利用射頻傳感器對管道內的金屬液體可視化研究具有可行性和可靠性。

射頻方法可以檢測不同介電常數的物質(zhì)在物場(chǎng)中的分布，其具有非接觸、高可靠等特點(diǎn)。得益其性質(zhì)，基于射頻傳感器對管道內金屬形態(tài)進(jìn)行的可視化研究可實(shí)現實(shí)時(shí)在線(xiàn)對管道內流體形態(tài)的檢測。對系統的硬件電路及軟件程序同時(shí)進(jìn)行了設計。本文主要完成的研究?jì)热萑缦拢?/p>

（1）通過(guò)查閱大量有關(guān)文獻資料，總結了現有成像方法的研究現狀，在對各種方法進(jìn)行分析和研究的基礎上，結合射頻方法的特點(diǎn)，提出了基于射頻傳感器的管道內液態(tài)金屬形態(tài)可視化系統的總體設計方案，并進(jìn)行了軟硬件設計。

（2）基于射頻法的管道內金屬形態(tài)檢測研究的硬件設計的主要內容有：首先利用射頻激勵電路產(chǎn)生固定頻率的射頻激勵信號，再通過(guò)檢波電路模塊將測得的電壓值信號轉化為直流電平信號，經(jīng)最后的信號處理模塊將電壓信號A/D轉化，最后交由上位機存儲顯示也可以進(jìn)一步用濾波算法處理。

（3）基于射頻傳感器的管道內金屬形態(tài)可視化系統軟件設計的內容包括:通過(guò)芯片 VYYR2401 編寫(xiě)程序，實(shí)現對芯片各個(gè)模塊的系統設計及實(shí)時(shí)控制,再根據回波信號中包含目標的反射信息求出其特征值，利用圖像算法將回波信號處理最后生成圖像，以實(shí)現目標的成像檢測。

（4）通過(guò)數據采集及線(xiàn)性陣列成像概率函數算法，最終成功得到了重建的圖像，實(shí)驗結果表明，本文提出的基于射頻傳感器的管道內液態(tài)金屬形態(tài)的可視化研究效果很好。