大密度流体密度测量方法与研究

　　0　引　　言

　　流体密度测量是在许多工业过程领域如石油、化工、冶金、煤炭等都要遇到的问题。密度测量的方法也是多种多样的〔1〕。本文提出的超声密度测量方 法为工业过程中大密度流体的实时测量提出了新的前景,在这里主要是以石油钻井中泥浆密度测量为背景,使用低频大功率超声波探头及其专用电路实现。此方法简 捷、可靠,对于其它各种大密度流体的测量同样适用。

　　1　密度测量公式的推导

　　如图1所示,在长度为L截面积为A的两个容器中,分别装有质量为M、m,密度为Da、Db的两种流体,其中a中是被测流体,b中是配好的标准流 体,超声探头发出超声波并被接收探头接收,设由发射到接收所需时间分别为Ta、Tb,设Va、Vb分别为超声波在两种液体中的波速〔2〕。则有:

　　（1）

　　为确定超声波在流体中的传播时间与其密度的关系,进行了实验验证,用L=294mm,截面积为A=89.4mm2的容器,不断向容器中加入干泥浆,其m按规定系列取值,测得的T值及计算出的mT如表1所示,可见m与T的乘积近似为一常数。

　　设mT=K,则

　　此式即为本文所导出的测量公式。它与容器的形式及标准流体有关。

　　2　测量原理与系统

　　图2是泥浆密度测量的原理框图,其核心部分是由超声波发射电路和接收电路组成的测量系统。发射探头和接收探头分别放置于宽度一定的盛有泥浆的容 器的两侧,而且两探头的中心应在同一条直线上,以便使接收探头接收到的超声波最强。由于被测流体密度较大,所以发射脉冲采用300V以上负高压〔1〕进行 发射。

　　秒脉冲产生周期为1秒的振荡信号,用来控制发射探头的重复频率。由传播时间电路所形成的标志着超声波在被测泥浆中传播时间的方波信号,需经单片机系统处理,根据式(5),由传播时间计算出泥浆的密度,最后数字显示测量结果,并可存储、打印出泥浆的密度。

　　在这里用4片74LS163构成高频计数器,使测量分辨率由2LS(系统采用12M晶振)提高到0.05LS,以使测量精度大为提高。

　　3　误差分析及结论

　　3.1　实验数据及误差分析

　　在实验中,用本方法所测得的泥浆密度与称量法所测得的结果相比〔2〕,测量精度为1.5%。例如给定泥浆的密度为1.45g/cm³,用本装置所测结果为1.42g/cm³;当给定泥浆密度为2.0g/cm³时测得的结果为1.976g/cm³。实验证明本系统动态响应及测量稳定性良好,表2给出了一系列测量比对结果。

　　本测量装置中误差来源有如下几个方面:1)电子原器件及电路或波形变化引起的误差。