超声波石油管道压力测量及应用

2006年12月14日 13:17来源：烟台勾股通信技术有限公司 >>进入该公司展台人气：1086

[摘要]：本文在充分调研国内外管道压力检测技术的基础上，提出新的管道压力检测方法——基于非插入式超声波管外测量方法。该方法克服管道壁厚影响，而且有效地消除系统误差，达到了较高的精度。根据声学方面和流体力学的相关知识，利用液压系统压力变化引起油液声速变化这一物理特性，提出通过测量超声波在油液中的传播速度实现压力测量的新方法，具有重要的实用价值。
关键词：压力超声波石油管道检测系统声速
0 引言
通常的压力测量方法是在被测点安装压力传感器，由感压元件直接与被测介质相接触，把压力值转换成电信号并以与现场相适应的方式向外传输，包括有线和无线等方式。这种方法的优点是简单、直接，传感器直接感受到压力的变化。但是用这种方法进行测量的时候必须在被测点做压力传感器的安装，而这在很多场合是不允许的。该方法的另外一个缺点是使管道内流体流场会受到干扰。
石油生产中需要测量输送油气石油管道的内部压力。首先在野外安装无人值守的测量设备是不现实的，其次油管的完整性不允许破坏，不允许在上面打孔来安装测量设备。
本文介绍的方法是在管道外壁夹装超声波换能器，利用超声波进行管内压力的测量。该方法可实现管道压力的无损测量，不破坏流体流场、无压力损失，测量能力强等优点，而且可制作成便携式设备。
1 检测原理
超声波在气体和液体这样的流体介质中是以纵波的形式传播的，其传播速度为：

式中：K——介质的弹性模量；
ρ——介质的密度
由式（1）可知，超声波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性模量有关。
当流体介质受到的压力增高时，其密度增加，同时弹性模量也增加。这样，当压力变化时会引起介质的两个物理特性发生变化，它们都会对通过其中的超声波速度产生影响。同时产生影响的还有外界温度。
石油属于烃类物质，其声学特性符合Kneser液体的规律。根据比卡尔的研究成果及《声学手册》提供的实验数据，有以下几个结论：
（1）在一定温度下，声速随压力的增高而线性地增加。

式中：C——液体中声速；
C₀——常温一个大气压下液体中声速；
P——液体压力；
K——比例系数。
（2）在一定压力下，声速随温度的增高而线性减小。
（3）压力越高，温度影响越弱，在压力波动范围不大的情况下，温度影响可以忽略。
（4）不同液体其声速值不同。

在图1中，探头1工作于脉冲方式，产生工作所需要的超声波，探头2用于接收穿透管壁和液体介质后到达的超声波。

因此式（6）即为所要得到的超声波管外压力检测数学模型公式，利用这一公式，可以通过测量超声波在管道内传播时间的变化来推导出超声波在管道内的速度变化，从而确定石油管道内部压力的变化情况。
在实际工作中，首先需确定超声波探头的特性参数。选用脉冲直探头，用夹具对称安装在管道的两侧。根据不同的介质和使用环境，需确定超声波的频率。频率高时，声束窄、能量集中，分辨率高；但衰减显著，特别是当检测面粗糙时，由于散射大而不易射人。根据《声学手册》提供的资料，本文选用的超声波的使用频率为2.5MIHZ。
2 检测系统
2．1 检测系统构成
检测系统原理框图如图2所示。控制处理单元实现控制发射单元、定时器工作、信号检测、数字滤波、中断响应等；发射控制单元包括前置电路、脉冲产生电路、升压电路、功率驱动电路、超声波发射电路等；接收处理单元包括衰减电路、高频调谐放大电路、滤波电路等；按键扫描和显示单元实现参数预置、管道材料选择、管道内外径选择、系统重起、系统复位、定时器计时、压力计算、压力显示等功能。

2．2 检测系统工作过程
单片机发出测试命令，P2.7口置高电平，通过三极管S9014钳位到5V，用以提供555定时器的工作电压，555定时器产生频率30kHz的时基信号（如图3所示）提供给超声波发射前置电路，同时系统电源提供5V直流电压送置变压器前端，通过自激震荡式变压器，产生交流300V电压，经过二倍压后产生600V直流电压，将此电压加到超声波前置电路，通过3CTK3H两个可控规的交替工作来产生交流600V电压，用以激发超声波探头工作。此时，超声波探头输出频率为2.5MHz。

接收电路采用差分式放大，去除共模干扰。滤波电路用以消除幅值解调出的随机流动噪声信号中含有的高频纹波及干扰杂波，得到符合工业信号标准的信号。放大电路将接收到的20～50mV的小信号经高频放大电路放大，经电压比较器产生标准的5号送入单片机。检测系统测量脉冲接收的时间t，zui后通过式（6）计算出压力，并进行显示，打印或远距离传输。
3 检测结果
本文选定0.5级压力表可以标定1.5级以下的压力检测系统，在温度为20℃时，对外径120mm，内径为65mm，压力范围为816MPa的石油生产管道进行5次测量，检测结果如表1所示。表中P为压力表显示的标准压力，为系统实际测得的压力。
由实验数据标定出声速压力系数K≈2.92×10^－3/MPa，测量度*达到1.5级。

4 结束语
原理分析和实验数据表明，基于油液声学特性的非插入式石油管道压力测量是一种新型而实用的测量方法，不仅克服了以往接触式测量的缺点，而且便于现场工作人员操作，携带方便。利用时差间接求出油液的压力，避开了直接测量声速的复杂性，受外界因素干扰小，具有广泛的应用前景。但必须指出，测量数据必须经过标准压力表的校正，从而提高测量精度。

关键词：力测量压力传感器

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