基于超声波等方式的管道内物质状态的探测方法的研究

刘家铭++万志伟++张宇峰

摘 要：在生产过程中尤其是石油工业中对管道的使用愈加频繁，为了确保长输管道的质量，各种无损检测技术与工艺也逐渐应用于管道。对于目前的各项技术而言，都存在着一些缺点，且费用较为昂贵，在生产过程中无法大规模使用。本文主要对超声波检测技术进行探讨，分析在单相流体及多相流体中超声波检测的应用。

关键词：管道；超声波检测；单相流体；多相流体

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0086-02

1 管道探测实验背景

随着工业生产规模的扩大，在工业生产过程中对于管道运输技术的使用也更为依赖，同时也对管道的质量提出了更高的要求，对于管道内物体的状态分析也成为了一个难题。当前，常规的管道内检测方法有漏磁检测、涡流检测、超声波检测等，其中漏磁检测的应用最为广泛和成熟，但漏磁检测只适用于材料表面和近表面的检测，且抗干扰能力差、空间分辨力低，因此，被测管壁不能太厚。涡流检测由于自身特点在应用中尚存在一些技术难题，例如深透性变化会产生类似金属缺损的信号，掩盖真正的信号。

相对于其他技术而言，超声波检测技术[1]是依靠物体本身的物理性质的一种检测技术，受工作环境影响小，可以在不影响管道运行的情况下进行管道内检测，而且超声波技术的检测精度高，检测速度快，可以通过不同的特殊配置从而适用于不同管径和复杂环境的管道，已经成为近年来管道内检测领域的研究热点。

2 管道测量方法综述

2.1 单相固态测量

（1）直接物位观察法：由容器上的透明窗口直接观察物料，或用连通器原理直接观察液体的物位，方法简单、准确、可靠，但需要现场指示，而且通过肉眼人为观测，存在较大的误差，也降低了工业生产的效率。（2）静压式物位检测法：当被测介质密度不变时，静止介质内某一点的静压力与此点上得介质高度成正比，则可通过测量压力计算获取物位信息。（3）电气式物位检测法：物体运输过程中，对应的电磁场也会发生改变，从而可以将物位的变化转化为电量参数的变化来计算物位信息。（4）机械接触式物位检测法：通过与被检测物体的直接接触，获取物体的质量等信息，主要有重锤式、音叉式和旋翼式音叉式等。（5）其他检测法：声波式，光学式，辐射式等测量方法主要通过被测物体的声波，光波，热量反射测算物位信息。

2.2 单相液态测量[2]

（1）浮力式液位检测：利用漂浮于液面上的浮标来对液体物位进行检测。（2）电气式液位检测法：液体流动过程中，对应的电磁场也会发生改变，从而可以将流场的变化转化为电量参数的变化來计算液位信息。

2.3 多相测量

（1）声波式：即利用超声波为代表的声波进行测量，通过使用声波的传播和反射特性进行计算和重建多相相位和相面信息。（2）光学式和辐射式：利用红外等方式进行测量，通过电磁波波长等特性进行测量。

3 超声波测量原理

3.1 超声波基础信息采集

3.1.1 穿透式

顾名思义，穿透式信息采集方式是指将超声波收发装置分离并置于待测物质两侧或其它利于采集数据的位置。收集穿透待测物质的超声波作为信息源进行分析。

由于超声波有一定的穿透能力，采用穿透式正是因为如此，并且因此穿透式更适用于超声波衰减较小的、误差可以接受的物质测量上。

该方式的使用比较甚至可以说是相当灵活，利于组成阵列，更适合搜集多样的数据。但在发射装置的强度和接收装置的灵敏度上也有较高要求，并且对于待测物质也有一定的限制。

从经济角度来看，该方式也会使用较多的超声波检测器或收发装置，另外，这种装置的价格也都较为昂贵，尽管使用方式多样，技巧性高，但是也会造成实验装置不够精巧、体积笨重。相较而言，实验平台也较难搭建，各个装置的位置和固定精度要求都较高，对实验的准备工作、信息采集和实际应用来说有一定的困难和限制。

3.1.2 反射式

同样的，顾名思义，反射式的信息采集方式是指在同一处或者同一侧发射并接收信息。收集从介质表面反射回的超生波信号来作为信息源进行分析和检测计算。

由于超声波在接触介面是不仅有一部分穿透，还有相当一部分声波被反射，采集这部份声波进行实验对待测物质的要求和收发装置的强度以及灵敏度要求相比于穿透式而言要降低许多。

但是相应的，由于收发信号的装置在同一处或同一侧，试验装置或应用中对于探测器位置和算法的要求会相应提高。也就是说探测器的灵活性降低，所能测得的数据广度也会相应降低，在理论上需要更多的计算和研究。

3.2 精度调整及环境补偿

3.2.1 超声波速度调整

由于环境对超声波波速有影响，为了提高测距的精度，通常用补偿算法来计算声速在不同环境下的数值。可以从硬件和软件两个方面着手来实现测量精度的提高。

硬件：可以加入电路来进行环境温度检测。

软件：通过优化程序来准确获取渡越时间。影响波速的因素有大气压力、环境的温度、湿度等。温度影响占主导地位，这是因为超声波是一种机械波，传播速度的直接影响因素是传播介质密度，且介质的密度越大，声波速度越快，而空气密度和温度有密切关系。

空气中超声波速度与环境温度之间的关系可用以下公式确定：

我们提出以下方法对超声波声速进行温度补偿：采用温度采集模块获取环境温度，按照公式对超声波声速进行补偿计算。

3.2.2 超声波路程调整

超声波与光波相同，都是以波的形式在介质中传播，所以，在多相流体中，由于存在声密介质和声疏介质这两种不同的介质，超声波会在两种介质的界面发生折射，从而导致超声波的传播路径发生改变，影响最终的结果。由于超声波检测技术是对管道内多相流体各相的位置进行测量，所以在测量时，相界面的位置无法得知，所以也无法确定对应的折射角和由于折射增加的声波路程。这个问题对于目前的检测而言是一个难题。

4 多相流体实验模拟

根據上述方法和原理，我们拟采用Matlab编程进行实验，模拟生产过程中石油工业，输油管道内多相流体探测[4]，验证超声波重建成像的可行性。

4.1 实验设备及说明

实验器材：

电脑1台，用于运行建模程序，显示成像结果；

51单片机1套，用于接收基础信号；

超声T/R模块多组，用于发射、接收超声信号；

橡皮泥0.5kg，用于模拟介质1；

凝胶（其他固体）一瓶，用于模拟介质2。

注：超声波T/R组件外形尺寸参数：

半径Φ=16mm，高H=10mm

4.2 实验基本原理与假设

（1）当收发组件的相对位置确定之后，收发元件之间的距离固定。（2）假设单一介质中，声波的速度分布是一致的。（3）假设根据流体的流动特性，两相之间的分界面完全垂直于管截面。（4）假设超声波定向性近似于一条直线。（5）若管内流动的是一相流体，在1至8的发射组件一次开启组成的周期内，发收时间应该满足一定的数学关系。（6）如果存在两相界面，那么速度场会产生变化，依据速度场的差异可重建管内流体图像。（7）图像重建的核心在于判断分界面的位置，根据速度分布确定两相流体分界面的位置。

4.3 实验步骤

使用MATLAB软件编程，设置圆形管道，让4组传感器在其上均匀分布。自由设定管道直径，液面高度，传感器位置，两种介质中的声波的传播速度。通过调节参数获得相应实验数据，求得液面高度。模拟圆形管道图如图1所示。

4.4 实验结果

（1）不同液面高度实验数据。如表1所示。

（2）不同管道半径实验数据。如表2所示。

在上述实验所得的数据中，我们可以看出，在大部分情况下，实际液面高度与计算液面高度都可以较好的匹配，所以我们可以证明，通过多组传感器测量时间数据从而计算两相界面的方法是较为科学，准确的。

5 结语

通过对于国内外许多论文文献的学习，我们对于目前用于工业生产中的各种检测技术有了更深的了解，并且将这些技术与超声波检测技术进行对比，认识到超声波在检测技术上的诸多优势以及应用于大规模工业生产的可能性。同时我们也对超声波的检测原理进行了学习和模拟实验，拥有了这些理论，我们才能设计出科学而合理的方法进行管道内物质状态的探究，虽然目前存在着许多的问题，但需要我们不断去尝试更好的方法才能得以解决。

参考文献

[1]刘时亮.超声波固态物料料位检测系统设计[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[2]王玉磊.利用超声波技术对管道液体的无损检测[D].2011.

[3]李淑萍.基于单片机AT89S52的超声波测距系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2009，第6期.

[4]冯俊淇.石油管道检测中超声波技术的应用[J].科技展望，2014，第16期.