基于超聲波等方式的管道內物質狀態的探測方法的研究

劉家銘++萬志偉++張宇峰

摘 要：在生產過程中尤其是石油工業中對管道的使用愈加頻繁，為了確保長輸管道的質量，各種無損檢測技術與工藝也逐漸應用于管道。對于目前的各項技術而言，都存在著一些缺點，且費用較為昂貴，在生產過程中無法大規模使用。本文主要對超聲波檢測技術進行探討，分析在單相流體及多相流體中超聲波檢測的應用。

關鍵詞：管道；超聲波檢測；單相流體；多相流體

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0086-02

1 管道探測實驗背景

隨著工業生產規模的擴大，在工業生產過程中對于管道運輸技術的使用也更為依賴，同時也對管道的質量提出了更高的要求，對于管道內物體的狀態分析也成為了一個難題。當前，常規的管道內檢測方法有漏磁檢測、渦流檢測、超聲波檢測等，其中漏磁檢測的應用最為廣泛和成熟，但漏磁檢測只適用于材料表面和近表面的檢測，且抗干擾能力差、空間分辨力低，因此，被測管壁不能太厚。渦流檢測由于自身特點在應用中尚存在一些技術難題，例如深透性變化會產生類似金屬缺損的信號，掩蓋真正的信號。

相對于其他技術而言，超聲波檢測技術[1]是依靠物體本身的物理性質的一種檢測技術，受工作環境影響小，可以在不影響管道運行的情況下進行管道內檢測，而且超聲波技術的檢測精度高，檢測速度快，可以通過不同的特殊配置從而適用于不同管徑和復雜環境的管道，已經成為近年來管道內檢測領域的研究熱點。

2 管道測量方法綜述

2.1 單相固態測量

（1）直接物位觀察法：由容器上的透明窗口直接觀察物料，或用連通器原理直接觀察液體的物位，方法簡單、準確、可靠，但需要現場指示，而且通過肉眼人為觀測，存在較大的誤差，也降低了工業生產的效率。（2）靜壓式物位檢測法：當被測介質密度不變時，靜止介質內某一點的靜壓力與此點上得介質高度成正比，則可通過測量壓力計算獲取物位信息。（3）電氣式物位檢測法：物體運輸過程中，對應的電磁場也會發生改變，從而可以將物位的變化轉化為電量參數的變化來計算物位信息。（4）機械接觸式物位檢測法：通過與被檢測物體的直接接觸，獲取物體的質量等信息，主要有重錘式、音叉式和旋翼式音叉式等。（5）其他檢測法：聲波式，光學式，輻射式等測量方法主要通過被測物體的聲波，光波，熱量反射測算物位信息。

2.2 單相液態測量[2]

（1）浮力式液位檢測：利用漂浮于液面上的浮標來對液體物位進行檢測。（2）電氣式液位檢測法：液體流動過程中，對應的電磁場也會發生改變，從而可以將流場的變化轉化為電量參數的變化來計算液位信息。

2.3 多相測量

（1）聲波式：即利用超聲波為代表的聲波進行測量，通過使用聲波的傳播和反射特性進行計算和重建多相相位和相面信息。（2）光學式和輻射式：利用紅外等方式進行測量，通過電磁波波長等特性進行測量。

3 超聲波測量原理

3.1 超聲波基礎信息采集

3.1.1 穿透式

顧名思義，穿透式信息采集方式是指將超聲波收發裝置分離并置于待測物質兩側或其它利于采集數據的位置。收集穿透待測物質的超聲波作為信息源進行分析。

由于超聲波有一定的穿透能力，采用穿透式正是因為如此，并且因此穿透式更適用于超聲波衰減較小的、誤差可以接受的物質測量上。

該方式的使用比較甚至可以說是相當靈活，利于組成陣列，更適合搜集多樣的數據。但在發射裝置的強度和接收裝置的靈敏度上也有較高要求，并且對于待測物質也有一定的限制。

從經濟角度來看，該方式也會使用較多的超聲波檢測器或收發裝置，另外，這種裝置的價格也都較為昂貴，盡管使用方式多樣，技巧性高，但是也會造成實驗裝置不夠精巧、體積笨重。相較而言，實驗平臺也較難搭建，各個裝置的位置和固定精度要求都較高，對實驗的準備工作、信息采集和實際應用來說有一定的困難和限制。

3.1.2 反射式

同樣的，顧名思義，反射式的信息采集方式是指在同一處或者同一側發射并接收信息。收集從介質表面反射回的超生波信號來作為信息源進行分析和檢測計算。

由于超聲波在接觸介面是不僅有一部分穿透，還有相當一部分聲波被反射，采集這部份聲波進行實驗對待測物質的要求和收發裝置的強度以及靈敏度要求相比于穿透式而言要降低許多。

但是相應的，由于收發信號的裝置在同一處或同一側，試驗裝置或應用中對于探測器位置和算法的要求會相應提高。也就是說探測器的靈活性降低，所能測得的數據廣度也會相應降低，在理論上需要更多的計算和研究。

3.2 精度調整及環境補償

3.2.1 超聲波速度調整

由于環境對超聲波波速有影響，為了提高測距的精度，通常用補償算法來計算聲速在不同環境下的數值。可以從硬件和軟件兩個方面著手來實現測量精度的提高。

硬件：可以加入電路來進行環境溫度檢測。

軟件：通過優化程序來準確獲取渡越時間。影響波速的因素有大氣壓力、環境的溫度、濕度等。溫度影響占主導地位，這是因為超聲波是一種機械波，傳播速度的直接影響因素是傳播介質密度，且介質的密度越大，聲波速度越快，而空氣密度和溫度有密切關系。

空氣中超聲波速度與環境溫度之間的關系可用以下公式確定：

我們提出以下方法對超聲波聲速進行溫度補償：采用溫度采集模塊獲取環境溫度，按照公式對超聲波聲速進行補償計算。

3.2.2 超聲波路程調整

超聲波與光波相同，都是以波的形式在介質中傳播，所以，在多相流體中，由于存在聲密介質和聲疏介質這兩種不同的介質，超聲波會在兩種介質的界面發生折射，從而導致超聲波的傳播路徑發生改變，影響最終的結果。由于超聲波檢測技術是對管道內多相流體各相的位置進行測量，所以在測量時，相界面的位置無法得知，所以也無法確定對應的折射角和由于折射增加的聲波路程。這個問題對于目前的檢測而言是一個難題。

4 多相流體實驗模擬

根據上述方法和原理，我們擬采用Matlab編程進行實驗，模擬生產過程中石油工業，輸油管道內多相流體探測[4]，驗證超聲波重建成像的可行性。

4.1 實驗設備及說明

實驗器材：

電腦1臺，用于運行建模程序，顯示成像結果；

51單片機1套，用于接收基礎信號；

超聲T/R模塊多組，用于發射、接收超聲信號；

橡皮泥0.5kg，用于模擬介質1；

凝膠（其他固體）一瓶，用于模擬介質2。

注：超聲波T/R組件外形尺寸參數：

半徑Φ=16mm，高H=10mm

4.2 實驗基本原理與假設

（1）當收發組件的相對位置確定之后，收發元件之間的距離固定。（2）假設單一介質中，聲波的速度分布是一致的。（3）假設根據流體的流動特性，兩相之間的分界面完全垂直于管截面。（4）假設超聲波定向性近似于一條直線。（5）若管內流動的是一相流體，在1至8的發射組件一次開啟組成的周期內，發收時間應該滿足一定的數學關系。（6）如果存在兩相界面，那么速度場會產生變化，依據速度場的差異可重建管內流體圖像。（7）圖像重建的核心在于判斷分界面的位置，根據速度分布確定兩相流體分界面的位置。

4.3 實驗步驟

使用MATLAB軟件編程，設置圓形管道，讓4組傳感器在其上均勻分布。自由設定管道直徑，液面高度，傳感器位置，兩種介質中的聲波的傳播速度。通過調節參數獲得相應實驗數據，求得液面高度。模擬圓形管道圖如圖1所示。

4.4 實驗結果

（1）不同液面高度實驗數據。如表1所示。

（2）不同管道半徑實驗數據。如表2所示。

在上述實驗所得的數據中，我們可以看出，在大部分情況下，實際液面高度與計算液面高度都可以較好的匹配，所以我們可以證明，通過多組傳感器測量時間數據從而計算兩相界面的方法是較為科學，準確的。

5 結語

通過對于國內外許多論文文獻的學習，我們對于目前用于工業生產中的各種檢測技術有了更深的了解，并且將這些技術與超聲波檢測技術進行對比，認識到超聲波在檢測技術上的諸多優勢以及應用于大規模工業生產的可能性。同時我們也對超聲波的檢測原理進行了學習和模擬實驗，擁有了這些理論，我們才能設計出科學而合理的方法進行管道內物質狀態的探究，雖然目前存在著許多的問題，但需要我們不斷去嘗試更好的方法才能得以解決。

參考文獻

[1]劉時亮.超聲波固態物料料位檢測系統設計[D].合肥：合肥工業大學，2011.

[2]王玉磊.利用超聲波技術對管道液體的無損檢測[D].2011.

[3]李淑萍.基于單片機AT89S52的超聲波測距系統的設計[J].自動化與儀器儀表，2009，第6期.

[4]馮俊淇.石油管道檢測中超聲波技術的應用[J].科技展望，2014，第16期.