非介入式超声管道压力测量方法研究

　　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。