基于射頻法的管道內(nèi)金屬形態(tài)檢測(cè)研究

趙潛

（1.中煤科工集團(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧撫順，113122）

0 引言

在當(dāng)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(guó)家重工業(yè)的研究和發(fā)展上都有多相流參數(shù)測(cè)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(guó)家項(xiàng)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(shù)測(cè)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(jì)效益，對(duì)人們的日常生活中慢慢起著不可或缺的作用。

在工業(yè)生產(chǎn)研究領(lǐng)域中相對(duì)常見(jiàn)的兩相流現(xiàn)象通常是以氣/固/液三種形態(tài)中的兩種組合形式出現(xiàn)，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(yīng)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(dāng)開(kāi)發(fā)礦區(qū)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(duì)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(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)要移動(dòng)原油到油井周?chē)@樣才可以保證石油開(kāi)采系統(tǒng)維持正常狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)工作[3～4]。因此需要在運(yùn)輸過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控管道內(nèi)兩相流的參數(shù)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的檢測(cè)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(cè)技術(shù)的研究對(duì)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(diào)研，兩相流與多相流在國(guó)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(shù)檢測(cè)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(cè)量等，能夠看出多相流基本特征變化不定且情況復(fù)雜，難于測(cè)量，同樣就當(dāng)下的多相流測(cè)量傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)說(shuō)，還達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)可以滿足的高要求，也可以說(shuō)這種測(cè)量技術(shù)還需強(qiáng)化深入研究和發(fā)展。隨著時(shí)間的推移現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展?jié)u趨高精度，因此各個(gè)企業(yè)對(duì)多相流流動(dòng)過(guò)程的參數(shù)測(cè)量的精準(zhǔn)度有很?chē)?yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)研究的開(kāi)展也要向更深層次方向發(fā)展。

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

在上個(gè)世紀(jì)初超聲波成像技術(shù)開(kāi)始被科研人員所研究，蘇聯(lián)科研專家S.J.Sokolov 最早對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)[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(cè)中逐漸得到應(yīng)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(cè)的相關(guān)理論重建出不透明管道內(nèi)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(cè)出管道內(nèi)介質(zhì)分布，從而重建圖像。

X 射線層析成像是DR 成像的一種應(yīng)用，屬于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。X 射線因其特性具備很強(qiáng)的透射能力。此外，因?yàn)椴煌橘|(zhì)的密度和介質(zhì)層的厚度不相同。穿過(guò)物體的X射線強(qiáng)度分布攜帶被穿透物體的內(nèi)部信息，由此可以通過(guò)射線強(qiáng)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 射線成像等技術(shù)由于其各自的局限性，對(duì)一些復(fù)雜的工況如管道內(nèi)的金屬形態(tài)探測(cè)應(yīng)用效果不夠理想。因此，本文設(shè)計(jì)一種基于射頻技術(shù)的管道內(nèi)液態(tài)金屬形態(tài)可視化系統(tǒng)，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(duì)于其他測(cè)量技術(shù)，射頻法更加針對(duì)復(fù)雜的工況環(huán)境。射頻法可以應(yīng)用于金屬液體、管道、空氣、雜質(zhì)等復(fù)雜成分環(huán)境之中，其工作原理主要是以介電常數(shù)的不同，達(dá)到測(cè)量金屬形態(tài)的目的，屬于非接觸式測(cè)量中可靠性安全性較高，便捷性更強(qiáng)的測(cè)量方法，相對(duì)于傳統(tǒng)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(duì)于電容法、電導(dǎo)法其對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性更強(qiáng)，不存在內(nèi)外電極的維護(hù)問(wèn)題。

1 射頻檢波模塊工作原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括 MCU 控制電路、射頻激勵(lì)電路、射頻功率檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、SD 卡存儲(chǔ)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(shè)計(jì)思路是：由 MCU 主控芯片控制射頻信號(hào)發(fā)生電路（DDS）產(chǎn)生固定頻率的射頻信號(hào)，經(jīng)射頻天線發(fā)射信號(hào)，當(dāng)信號(hào)接觸金屬管道內(nèi)的流體，管道內(nèi)介質(zhì)的分布產(chǎn)生信號(hào)變化，最終引起系統(tǒng)的一系列變化，通過(guò)射頻功率檢測(cè)電路對(duì)檢測(cè)電阻兩端的電壓信號(hào)峰值檢測(cè)，再經(jīng)由放大信號(hào)電路和信號(hào)調(diào)理電路處理，最終由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路傳輸至主控芯片，連接上位機(jī)顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

射頻激勵(lì)電路的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)是其能夠產(chǎn)生高精度、強(qiáng)穩(wěn)定性，且工作頻率穩(wěn)固射頻激勵(lì)信號(hào)的前提要求。所以要分不同功能模塊來(lái)設(shè)計(jì)電路，如果信號(hào)發(fā)生電路搭建的模塊有沖突或錯(cuò)誤，電路中不穩(wěn)定的信號(hào)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(tǒng)各模塊工作框圖

圖2 AD9850 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

本文檢測(cè)系統(tǒng)使用了射頻信號(hào)發(fā)生電路 的 AD9850 芯片作為系統(tǒng)射頻信號(hào)激勵(lì)源，目標(biāo)頻率波形的輸出可由芯片控制頻率變化實(shí)現(xiàn)。

射頻功率檢波電路的主要功能是將檢測(cè)電阻檢測(cè)得到的電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)通信電路處理最后由上位機(jī)存儲(chǔ)顯示，本文系統(tǒng)選用內(nèi)部帶有溫度補(bǔ)償?shù)男ぬ鼗逯禉z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(tǒng)工作原理圖

管道內(nèi)反射的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻功率檢波電路后,還需通過(guò) MCU 內(nèi)部自帶的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)成像。本文的控制電路選用微控制器 VYYR2401 芯片，在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)邏輯控制，包括對(duì)激勵(lì)源 VYYR2401 的參數(shù)設(shè)置控制和成像系統(tǒng)以及通信控制。

在探射管道成像中，為了獲得管道里檢測(cè)目標(biāo)的波形回彈信號(hào)，要求所發(fā)射的探測(cè)信號(hào)要包含穿透管道的性能。通常來(lái)講，發(fā)射信號(hào)頻率越低，其穿越障礙物的能力越強(qiáng)，但其成像的分辨率也較低；信號(hào)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(duì)這一特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)選用了芯片 VYYR2401，其原理為: 3GHz 的較低頻段的信號(hào)可以穿越金屬管道，而高頻段的信號(hào)可以探測(cè)流體細(xì)微的移動(dòng)和角分辨率，通過(guò)頻率掃描 24 組接收天線能夠檢測(cè)到信號(hào)遭遇介質(zhì)反射后的強(qiáng)弱變化，由于不同材料對(duì)不同頻率的信號(hào)會(huì)有不同的吸收和反射率，從而計(jì)算得到探測(cè)目標(biāo)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 基于射頻傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)射頻激勵(lì)信號(hào)通過(guò)天線傳輸?shù)街饕山饘俳M成的介質(zhì)負(fù)載時(shí)，由于金屬和空氣對(duì)激勵(lì)信號(hào)的阻抗特性非常不同，負(fù)載阻抗將隨著輸出液體中液態(tài)金屬的比例而變化。負(fù)載阻抗的變化將改變整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗。因?yàn)橄到y(tǒng)的傳輸電壓是恒定的，即恒壓勵(lì)磁，因此，當(dāng)系統(tǒng)的總阻抗發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)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(hào)，或者可以在硬件電路中設(shè)計(jì)檢測(cè)電阻?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量檢測(cè)電阻兩端的電壓值來(lái)獲得歸一化的液態(tài)金屬測(cè)量值，然后可以通過(guò)對(duì)測(cè)量的電壓值的一系列擬合來(lái)可視化金屬形狀。系統(tǒng)工作原理如圖 4 所示。

將系統(tǒng)連接電源后，需要將射頻激勵(lì)單元、存儲(chǔ)單元、通信模塊、系統(tǒng)ADC、上位機(jī)顯示等模塊初始化。系統(tǒng)的工作模式有兩種：一是在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)網(wǎng)線直連將檢測(cè)數(shù)據(jù)連接到本地網(wǎng)絡(luò)的通信模式下數(shù)據(jù)傳輸；另一種是檢測(cè)模式，用于完成管道中流體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電以后通過(guò)控制芯片VYYR2401 的 SPI 模塊對(duì)射頻激勵(lì)信號(hào)源DDS 進(jìn)行初始化設(shè)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(lì)信號(hào)。射頻天線發(fā)出的射頻信號(hào)接觸管道內(nèi)金屬介質(zhì)以后，系統(tǒng)中射頻功率轉(zhuǎn)換模塊將介質(zhì)反射信號(hào)值轉(zhuǎn)化為直流電平,接著系統(tǒng)調(diào)用A/D 轉(zhuǎn)換模塊，最后通過(guò)上位機(jī)圖像重建顯示算法，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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 線性陣列成像概率函數(shù)

線性陣列的工作原理為，假設(shè)有n 條天線，設(shè)定其中一個(gè)天線為激勵(lì)發(fā)射信號(hào)源，其余n-1 條天線作為檢測(cè)接收單元。系統(tǒng)將檢測(cè)接收單元的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并將其存儲(chǔ)用于成像處理。對(duì)于四元線性陣列天線，有4×3=12種獨(dú)立的接收/發(fā)射天線位置用作焦點(diǎn)坐標(biāo)，依據(jù)選用的射頻成像方法在圖像重建區(qū)域繪制等距橢圓曲線（因?yàn)橐紤]信號(hào)接觸管道后會(huì)產(chǎn)生折射效應(yīng)，所以將準(zhǔn)橢圓曲線作為等距線）。理論上，以這種方式處理n＊(n-1)組，即12 組接收數(shù)據(jù)后，會(huì)獲得6 條位置不同的準(zhǔn)橢圓曲線等距線。在計(jì)算中，假設(shè)陣列天線靠近管道放置。可以計(jì)算得出，在目標(biāo)位置將疊加12 條等距線，目標(biāo)位置所在的圖像重建單個(gè)像素單元成像數(shù)據(jù)幅值最大，而非目標(biāo)像素單元中的數(shù)據(jù)幅值較小或約等于零。依據(jù)上述判別計(jì)算方法，可以準(zhǔn)確得出目標(biāo)點(diǎn)位置圖像。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硬件連接完成之后，將程序下載至主控芯片中，測(cè)量被檢測(cè)區(qū)域不充滿任何物體和充滿鋼珠情況下的數(shù)據(jù)，然后將銅棒隨機(jī)在檢測(cè)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(jī)和基于主控芯片下位機(jī)串口號(hào)、波特率等，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳至上位機(jī)，將所有數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)用重建算法程序進(jìn)行圖像重建，并將成像的結(jié)果顯示在上位機(jī)界面，如圖6 中成像結(jié)果所示，成像結(jié)果中能夠看出被測(cè)物體的位置及大致形狀。

圖6 圖像重建結(jié)果1

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

圖7 圖像重建結(jié)果2

為了驗(yàn)證不同材料情況下圖像重建的準(zhǔn)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(cè)量方式將鐵尺進(jìn)行測(cè)量，最終的成像結(jié)果如圖8 中成像結(jié)果所示。

圖8 圖像重建結(jié)果3

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)銅棒處在不同位置時(shí)本系統(tǒng)均可重建出物體的位置，在放置鐵尺情況下的圖像重建結(jié)果清晰可見(jiàn)，當(dāng)變換不同材料及位置等情況的圖像重建結(jié)果依然準(zhǔn)確，可以得出本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖像重建符合預(yù)期的結(jié)果，驗(yàn)證了本文利用射頻傳感器對(duì)管道內(nèi)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(cè)不同介電常數(shù)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(duì)管道內(nèi)金屬形態(tài)進(jìn)行的可視化研究可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線對(duì)管道內(nèi)流體形態(tài)的檢測(cè)。對(duì)系統(tǒng)的硬件電路及軟件程序同時(shí)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文主要完成的研究?jī)?nèi)容如下：

（1）通過(guò)查閱大量有關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)了現(xiàn)有成像方法的研究現(xiàn)狀，在對(duì)各種方法進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合射頻方法的特點(diǎn)，提出了基于射頻傳感器的管道內(nèi)液態(tài)金屬形態(tài)可視化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。

（2）基于射頻法的管道內(nèi)金屬形態(tài)檢測(cè)研究的硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：首先利用射頻激勵(lì)電路產(chǎn)生固定頻率的射頻激勵(lì)信號(hào)，再通過(guò)檢波電路模塊將測(cè)得的電壓值信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電平信號(hào)，經(jīng)最后的信號(hào)處理模塊將電壓信號(hào)A/D轉(zhuǎn)化，最后交由上位機(jī)存儲(chǔ)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(nèi)金屬形態(tài)可視化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括:通過(guò)芯片 VYYR2401 編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片各個(gè)模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)控制,再根據(jù)回波信號(hào)中包含目標(biāo)的反射信息求出其特征值，利用圖像算法將回波信號(hào)處理最后生成圖像，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的成像檢測(cè)。

（4）通過(guò)數(shù)據(jù)采集及線性陣列成像概率函數(shù)算法，最終成功得到了重建的圖像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于射頻傳感器的管道內(nèi)液態(tài)金屬形態(tài)的可視化研究效果很好。