超聲波石油管道壓力測量及應(yīng)用

1、超聲波石油管道壓力測量及應(yīng)用第25卷第l0期2006年10月國外電子測量技術(shù)ForeignElectronicMeasurementTechnologyOct.,2006超聲波石油管道壓力測量及應(yīng)用宋利黃釘勁阮照軍(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院西安710032)摘要:本文在充分調(diào)研國內(nèi)外管道壓力檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出新的管道壓力檢測方法基于非插入式超聲波管外測量方法.該方法克服管道壁厚影響,而且有效地消除系統(tǒng)誤差,達(dá)到了較高的精度.根據(jù)聲學(xué)方面和流體力學(xué)的相關(guān)知識,利用液壓系統(tǒng)壓力變化引起油液聲速變化這一物理特性,提出通過測量超聲波在油液中的傳播速度實(shí)現(xiàn)壓力測量的新方法,具有重要的實(shí)用價值.關(guān)鍵詞

2、:壓力超聲波石油管道檢測系統(tǒng)聲速M(fèi)easurementandapplicationofpressurebasedonultrasonicwavebesidepetroleumpipingSongLiHuangDingjingRuanZhaojun(SchoolofOptoelectronicalEngineering,Xi'anTechnologicalUniversity,Xi'an710032)Abstract:Anewmethodofpipelinepressuredetectionbasedonnon-intrusiveultrasonicwavepresoryonac

3、ousticsandfluidisprofoundlyanalyzed,Thepressureisafunctionofthemeasuredultrahydraulicsystems.Keywords:pressure,ultrasonicwave,petroleumpiping,measuringsystem,ultrasonicvelocity0引言通常的壓力測量方法是在被測點(diǎn)安裝壓力傳感器,由感壓元件直接與被測介質(zhì)相接觸,把壓力值轉(zhuǎn)換成電信號并以與現(xiàn)場相適應(yīng)的方式向外傳這種方法進(jìn)行測量的時候必須在被測點(diǎn)做壓力傳的另外一個缺點(diǎn)是使管道內(nèi)流體流場會受到干擾.石油生產(chǎn)中需要測量輸送油氣石油管

4、道的內(nèi)不現(xiàn)實(shí)的,其次油管的完整性不允許破壞,不允許在上面打孔來安裝測量設(shè)備.本文介紹的方法是在管道外壁夾裝超聲波換實(shí)現(xiàn)管道壓力的無損測量,不破壞流體流場,無壓力損失,測量能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),而且可制作成便攜式設(shè)備.1檢測原理超聲波在氣體和液體這樣的流體介質(zhì)中是以縱波的形式傳播的,其傳播速度為:一(1)式中:K介質(zhì)的彈性模量;介質(zhì)的密度由式(1)可知,超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān).當(dāng)流體介質(zhì)受到的壓力增高時,其密度增加,同時彈性模量也增加.這樣,當(dāng)壓力變化時會引起介質(zhì)的兩個物理特性發(fā)生變化,它們都會對通過其作者簡介:宋利(1979一),男,碩士研究生,主要從事精密儀器的研究和設(shè)計(jì)

5、工作.2006年第1O期宋利,等:超聲波石油管道壓力測量及應(yīng)用外界溫度.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)比卡爾的研究成果及聲學(xué)手冊提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有以下幾個結(jié)論:(1)在一定溫度下,聲速隨壓力的增高而線性地增加.LC.=p?K(2)式中:液體中聲速;C0常溫一個大氣壓下液體中聲速;P液體壓力;K比例系數(shù).(2)在一定壓力下,聲速隨溫度的增高而線性減小.(3)壓力越高,溫度影響越弱,在壓力波動范圍不大的情況下,溫度影響可以忽略.(4)不同液體其聲速值不同.測量原理如圖1所示:圖1檢測原理示意圖在圖1中,探頭1工作于脈沖方式,產(chǎn)生工作所需要的超聲波,探頭2用于接收穿透管

6、壁和液體介質(zhì)后到達(dá)的超聲波.發(fā)射到探頭2接收到穿透波的時間間隔為,在聲程為d的油液中傳播的聲時為t,在聲程為(D-d)/2下關(guān)系:ttl+2t2+t(3)式中:t,t是與超聲波在流體中的傳播無關(guān)的時間量.在系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)確定后,在具體的測試場合是一個定值.令,t一2t2+(4)超聲波在壓力油中的聲速C的表達(dá)式為:C一旦一(5)U一一u,由式(1)可得:?忌=/罷=to(6)因此式(6)即為所要得到的超聲波管外壓力檢測數(shù)學(xué)模型公式,利用這一公式,可以通過測量超聲波在管道內(nèi)傳播時間的變化來推導(dǎo)出超聲波在管道內(nèi)的速度變化,從而確定石油管道內(nèi)部壓力的變化情況.在實(shí)際工作中,首先需確定超聲波探頭的特性參數(shù)

7、.選用脈沖直探頭,用夾具對稱安裝在管道的兩側(cè).根據(jù)不同的介質(zhì)和使用環(huán)境,需確定超聲波的頻率.頻率高時,聲束窄,能量集中,分辨率高;但衰減顯著,特別是當(dāng)檢測面粗糙時,由于散射大而不易射人.根據(jù)聲學(xué)手冊提供的資料,本文選用的超聲波的使用頻率為2.5MHz.2檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射單元,定時器工作,信號檢測,數(shù)字濾波,中斷響應(yīng)等;發(fā)射控制單元包括前置電路,脈沖產(chǎn)生電路,升壓電路,功率驅(qū)動電路,超聲波發(fā)射電路等;接收處理單元包括衰減電路,高頻調(diào)諧放大電路,濾波電路等;按鍵掃描和顯示單元實(shí)現(xiàn)參數(shù)預(yù)置,管道材料選擇,管道內(nèi)外徑選擇,系統(tǒng)重起,系統(tǒng)復(fù)位,定時器計(jì)時,壓力計(jì)算,壓力顯示等功能.圖2檢測系統(tǒng)原理框

8、圖單片機(jī)發(fā)出測試命令,P2.7口置高電平,通過三極管$9014鉗位到5V,用以提供555定時器的工作電壓,555定時器產(chǎn)生頻率30kHz的時基信號(如圖3所示)提供給超聲波發(fā)射前置電路,同時系統(tǒng)電源提供5V直流電壓送置變壓器前端,通過自激震蕩式變壓器,產(chǎn)生交流300V電壓,經(jīng)過二倍壓后產(chǎn)生600V直流電壓,將此電壓加到超聲波前置電路,通過3CTK3H兩個可控規(guī)的交替工作來產(chǎn)生交流600V電壓,用以激發(fā)超聲波探頭工作.此時,64國外電子測量技術(shù)第25卷超聲波探頭輸出頻率為2.5MHz,幅值為150V的脈沖信號(如圖4所示)圖3555定時器產(chǎn)生時基信號圖4超聲波探頭發(fā)射信號接收電路采用差分式放大,

9、去除共模干擾.'濾波電路用以消除幅值解調(diào)出的隨機(jī)流動噪聲信號中含有的高頻紋波及干擾雜波,得到符合工業(yè)信號標(biāo)準(zhǔn)的信號.放大電路將接收到的2050mV的小信號經(jīng)高頻放大電路放大,經(jīng)電壓比較器產(chǎn)生標(biāo)的時間t,最后通過式(6)計(jì)算出壓力,并進(jìn)行顯示,打印或遠(yuǎn)距離傳輸.3檢測結(jié)果壓力檢測系統(tǒng),在溫度為20時,對外徑120ram,內(nèi)徑為65ram,壓力范圍為816MPa的石油生產(chǎn)管道力表顯示的標(biāo)準(zhǔn)壓力,為系統(tǒng)實(shí)際測得的壓力.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定出聲速壓力系數(shù)K×10/MPa,測量精確度完全達(dá)到1.5級.表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果P/MPap/MPa4結(jié)束語原理分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,基于油液聲學(xué)特性的非插入式石

10、油管道壓力測量是一種新型而實(shí)用的測量方法,不僅克服了以往接觸式測量的缺點(diǎn),間接求出油液的壓力,避開了直接測量聲速的復(fù)雜必須指出,測量數(shù)據(jù)必須經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)壓力表的校正,從而提高測量精度.參考文獻(xiàn)1馬大猷,沈嚎.聲學(xué)手冊(修訂版)M-I.北京:科學(xué)出版社,2004.7.2中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.超聲波檢測EM.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.2.3尚志遠(yuǎn).檢測聲學(xué)原理及應(yīng)用M.西安:西北大學(xué)出版社,1996.4.4嵇光國.液壓系統(tǒng)故障診斷與排除M.北京:海洋出版社,1998.5張靖,劉少強(qiáng).檢測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:中國電力出版社.2001.8.爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿c爿cNI將SignalExpress軟件泰克版本的應(yīng)用擴(kuò)展到全新的泰克示波器通過即插即用的USB示波器至PC的連接性,SignalExpress軟件支持全新的泰克Value示波器新聞發(fā)布一2006年8月美國國家儀器有限公司(NationalInstruments)宣布NISignalExpress軟件泰克版本(NISignalExpr