摘要: 现有非介入式超声管道测压方法的不足主要表现在: 对测量不同管材、管径的管道压力适应能力差; 低压测量误差大; 温度、流速波动对测量准确度影响大。论文提出了利用扩大直接测量时间法、间接测量时间法( 相位测量法) 、共振法、衰减法以改善现有方法的不足。同时建立了涉及温度和流速的压力测量数学模型。为超声非介入式管道压力测量方法改进提供理论借鉴。
关键词: 超声波; 非介入; 管道; 压力测量
液压系统、气体或液体输送管道内部的压力检测是保证管道系统正常运行和进行管道故障诊断的重要方法和手段, 长期以来采用的测量方法主要是介入式。这些方法要么是在管道特定部位预先接入压力仪表或者放入压力传感器, 要么是在管外进行应力应变测量。这些检测方法的优点是测量理论和技术成熟, 设备成本较低, 可靠性高, 测量精度较高。但也存在一些缺点, 比如必须在管道系统的设计时预先确定测压部位, 一旦接入就很难改动, 这种方法一般破坏了管道系统的整体特性, 特别是高压管道易造成事故。另外在有些场合根本就无法安装介入式测量系统。在这种背景下, 人们开始寻求非介入式管道测压方法, 目前利用超声波进行管外压力测量是比较理想的方法。本文结合国内外现状, 分析了其工作原理, 并对这些方法存在的不足进行了评述, 最后提出一些新的测量方法, 克服了这些测量方法的不足。
1 现有非介入式管道测压原理分析
目前利用超声波进行非介入式管道压力测量在国内外报导很少。而测量方法大都是基于对超声波在管道中传播的时间的测量, 超声传感器在管外布设形式上采用反射式或透射式。反射式测量原理图如图1 所示。它通过预先标定管道内径为D0 , 压力为P0 时, 超声波在管道中的传播时间t 0 ,当压力改变时, 测出其传播时间t , 再根据经验公式反推出压力值P 。文献[ 3, 4] 中, 压力与时间关系采用如下公式:
该公式建立起了待测压力、管径和传播时间的非线性关系, 属经验型公式。该公式的不足之处是: 其一, 公式存在局限性, 式中D0、P0、t 0 是特例, 对不同的管道材料、直径和壁厚测量不适应, 必须重新标定; 其二, 当考虑在不同管径, 而具有相同压力的情形时, 公式存在原理性误差。其三, 仪器常数获得困难, 一旦仪器系统发生变化, 就得重新标定; 其四, 没有考虑流速与温度的影响。如果把所有这些影响因素都通过修正项dP 来反映, 那么dP 的获得比压力测量还困难。
透射式测量原理如图2 所示。它是利用测得不同压力时超声波穿过管道的时间t , 利用公式
从而建立起了压力与声速的非线性关系。这个公式同样存在一定的不足, 其一, 公式存在局限性, 因为不同的待测系统具有不同的Ai , 这就使得测量的适应性下降; 其二, 对流速和温度的变化在公式中也没有考虑。
其实, 笔者认为, 问题的关键是在利用超声波进行测量时, 应该怎样去考虑温度和流速的影响,因为由于温度和流速的影响而产生的时间差的变化往往大于由于压力的变化而引起的时间变化。所以要想测得压力引起的超声波参数的变化, 就必须分离出这些影响因子。不妨分两种情况来讨论压力对超声参数的影响, 一种情况是不考虑流体的流动, 即流体是静止的; 另一种情况是流动的流体。
2 静态压力测量原理
当流体处于静态时, 穿过其中的超声波的声速可按下式计算:
从图中可以看出, 由于压力的变化而导致K、Q都发生变化, 最终导致流体中的超声波速度变化,所以从原理上讲, 通过测量超声波的速度是可以测出流体压力变化的。
实际中温度每变化1 ℃ 所引起的流体中声速变化约为0.2%, 所以温度变化引起的测量误差是比较大的, 必须修正。如果不考虑压力和温度的相互作用, 即把压力和温度看成相互独立的量, 则只要知道温度变化所引起的声速变化, 从实测的声速变化中减去这一变化量就可以准确得到由于压力变化所导致的声速变化, 从而测得压力变化。
温度变化所引起的声速变化可用下式表示:
其中: A, B 为管道中的流体温度声速系数, 水中A= 4.623, B= 0.054 6。T 为温度变化量。
一般情况下直接测量超声波的速度是比较困难的, 我们可以通过间接的方法来测量这一速度值。
2.1 直接时间法
可以通过图1 和图2 的方法直接测量超声波经过管道的时间t。这种方法的关键是如何准确地获得这一时间, 这个时间一般在微秒级, 所以需要从回波中准确地分离出这一时间。为了减小相对误差, 可采用机械方法扩大这一时间, 比如采用斜探头, 并让超声波在管道中增加反射次数, 如图5所示; 也可以通过特定电路的设计来扩大这一时间。
2.2 间接时间法
间接测量时间法是利用测量相位的方法。以平面余弦波为例,
2.3 共振法
共振法常用来测量超声波的波速, 稍加推广就可以用来测量静止流体的压力。当液体的压力不同时, 在其中传播的超声波的频率会产生共振, 只要能连续改变超声发射频率, 测得共振频率f n , 再根据不同压力时共振频率的标定值就可测出对应的压力了。也可以根据式
求得声速, 再用前面的方法求得压力。一般为了提高测量精度, 共振次数应高些。
2.4 衰减测量法
超声波在不同压力的流体中传播时, 由于液体的内应力不同, 会导致超声波有不同程度的衰减,可用相对声衰减法测得超声波幅值的衰减量, 进而求得对应的压力。这种方法影响因素较多, 还有待进一步研究。
3 动态压力测量原理
当管道中的流体流动时, 采用非介入式超声测压有一定的技术难度。当流体流速波动较大时, 由于流体的流动而引起的超声波参数变化可能远大于压力变化而引起的超声波参数变化, 所以应区分大流速与小流速情况分别进行讨论。
当管道中的流速较大时, 很容易利用流速对超声参量的影响而测量流体的流量, 这种技术已较成熟, 并且产品也已系列化, 有较高的流量测量精度。而对管道中的压力测量, 可采用与测流量相似的方法。原理图如图6 所示。测量数学模型为:
这种方法在测量时需同时已知流体的流量、温度、超声波顺流和逆流传播时间等, 测量的量多。当管道内的流速较小时, 可用静态时测量压力的方法并加以修正, 以获取压力信号。
4 结论及建议
论文对现有的超声非介入式管道测压方法进行了分析, 并指出了它们存在的不足。并提出了一些新的测量方法和思路, 为深入开展这一领域的研究提供借鉴。
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