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[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：壓力 超聲波 石油管道 檢測系統(tǒng) 聲速
0 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)的方式向外傳輸，包括有線和無線等方式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、直接，傳感器直接感受到壓力的變化。但是用這種方法進(jìn)行測量的時候必須在被測點(diǎn)做壓力傳感器的安裝，而這在很多場合是不允許的。該方法的另外一個缺點(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道的內(nèi)部壓力。首先在野外安裝無人值守的測量設(shè)備是不現(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能器，利用超聲波進(jìn)行管內(nèi)壓力的測量。該方法可實(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：
式中：K——介質(zhì)的彈性模量；
ρ——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，它們都會對通過其中的超聲波速度產(chǎn)生影響。同時產(chǎn)生影響的還有外界溫度。
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。
式中：C——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。
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用于接收穿透管壁和液體介質(zhì)后到達(dá)的超聲波。
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)。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2.5MIHZ。
2 檢測系統(tǒng)
2．1 檢測系統(tǒng)構(gòu)成
檢測系統(tǒng)原理框圖如圖2所示?？刂铺幚韱卧獙?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、定時器計時、壓力計算、壓力顯示等功能。
2．2 檢測系統(tǒng)工作過程
單片機(jī)發(fā)出測試命令，P2.7口置高電平，通過三極管S9014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，超聲波探頭輸出頻率為2.5MHz。
接收電路采用差分式放大，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20～50mV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)準(zhǔn)的5V信號送入單片機(jī)。檢測系統(tǒng)測量脈沖接收的時間t，最后通過式（6）計算出壓力，并進(jìn)行顯示，打印或遠(yuǎn)距離傳輸。
3 檢測結(jié)果
本文選定0.5級壓力表可以標(biāo)定1.5級以下的壓力檢測系統(tǒng)，在溫度為20℃時，對外徑120mm，內(nèi)徑為65mm，壓力范圍為816MPa的石油生產(chǎn)管道進(jìn)行5次測量，檢測結(jié)果如表1所示。表中P為壓力表顯示的標(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≈2.92×10－3/MPa，測量精確度完全達(dá)到1.5級。
4 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)，而且便于現(xiàn)場工作人員操作，攜帶方便。利用時差間接求出油液的壓力，避開了直接測量聲速的復(fù)雜性，受外界因素干擾小，具有廣泛的應(yīng)用前景。但必須指出，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。 |
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