超声波石油管道压力测量及应用

1、超声波石油管道压力测量及应用第25卷第l0期2006年10月国外电子测量技术ForeignElectronicMeasurementTechnologyOct.,2006超声波石油管道压力测量及应用宋利黄钉劲阮照军(西安工业大学光电工程学院西安710032)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

2、:压力超声波石油管道检测系统声速MeasurementandapplicationofpressurebasedonultrasonicwavebesidepetroleumpipingSongLiHuangDingjingRuanZhaojun(SchoolofOptoelectronicalEngineering,Xi'anTechnologicalUniversity,Xi'an710032)Abstract:Anewmethodofpipelinepressuredetectionbasedonnon-intrusiveultrasonicwavepresoryonac

3、ousticsandfluidisprofoundlyanalyzed,Thepressureisafunctionofthemeasuredultrahydraulicsystems.Keywords:pressure,ultrasonicwave,petroleumpiping,measuringsystem,ultrasonicvelocity0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这种方法进行测量的时候必须在被测点做压力传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

4、道的内不现实的,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:一(1)式中:K介质的弹性模量;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,它们都会对通过其作者简介:宋利(1979一),男,硕士研究生,主要从事精密仪器的研究和设计

5、工作.2006年第1O期宋利,等:超声波石油管道压力测量及应用外界温度.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.LC.=p?K(2)式中: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.测量原理如图1所示:图1检测原理示意图在图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

6、壁和液体介质后到达的超声波.发射到探头2接收到穿透波的时间间隔为,在声程为d的油液中传播的声时为t,在声程为(D-d)/2下关系:ttl+2t2+t(3)式中:t,t是与超声波在流体中的传播无关的时间量.在系统电路结构确定后,在具体的测试场合是一个定值.令,t一2t2+(4)超声波在压力油中的声速C的表达式为:C一旦一(5)U一一u,由式(1)可得:?忌=/罢=to(6)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

7、.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;但衰减显着,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2.5MHz.2检测系统实现控制发射单元,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.图2检测系统原理框

8、图单片机发出测试命令,P2.7口置高电平,通过三极管$9014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,64国外电子测量技术第25卷超声波探头输出频率为2.5MHz,幅值为150V的脉冲信号(如图4所示)图3555定时器产生时基信号图4超声波探头发射信号接收电路采用差分式放大,

9、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2050mV的小信号经高频放大电路放大,经电压比较器产生标的时间t,最后通过式(6)计算出压力,并进行显示,打印或远距离传输.3检测结果压力检测系统,在温度为20时,对外径120ram,内径为65ram,压力范围为816MPa的石油生产管道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×10/MPa,测量精确度完全达到1.5级.表1实验结果P/MPap/MPa4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

10、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,间接求出油液的压力,避开了直接测量声速的复杂必须指出,测量数据必须经过标准压力表的校正,从而提高测量精度.参考文献1马大猷,沈嚎.声学手册(修订版)M-I.北京:科学出版社,2004.7.2中国机械工程学会无损检测分会.超声波检测EM.北京:机械工业出版社,2000.2.3尚志远.检测声学原理及应用M.西安:西北大学出版社,1996.4.4嵇光国.液压系统故障诊断与排除M.北京:海洋出版社,1998.5张靖,刘少强.检测技术与系统设计.北京:中国电力出版社.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将SignalExpress软件泰克版本的应用扩展到全新的泰克示波器通过即插即用的USB示波器至PC的连接性,SignalExpress软件支持全新的泰克Value示波器新闻发布一2006年8月美国国家仪器有限公司(NationalInstruments)宣布NISignalExpress软件泰克版本(NISignalExpr