CN110595554B - 套管装置超声波实验装置及其实验方法 - Google Patents

套管装置超声波实验装置及其实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种套管装置超声波实验装置及其实验方法，该装置包括高频换能器、低频换能器、同侧接收器、对侧接收器、放大器和信号处理系统；本发明提供了套管装置复杂流动超声波测量的实验装置以及实验方法；本发明能够在不破坏套管装置连续流动的条件下测量管内不同流动状态的流速，并为后续高温管道的测量提供设计思路。

Description

套管装置超声波实验装置及其实验方法
技术领域
本发明属于测量控制领域，具体涉及一种套管装置超声波实验装置及其实验方法，用于测量套管装置复杂流动的流量。
背景技术
套管结构常用于换热器，套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接而成同心圆套管，两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果，是目前石油化工生产上应用最广的一种换热器，其结构示意图参见图3，图中下角标l表示低温工质，h表示高温工质，下角标in表示入口，out表示出口，T表示热力学温度，u表示流体的速度，Qe表示换热量。对于给定的入口温度，换热面积，只要知道工质的流动速度就可以计算出换热系数，进而计算出换热量以及出口温度。因此出口处的温度与流体的速度密不可分。对套管流量的控制直接关系着换热效率，并能用来检测套管内部的破裂问题。对套管装置流量的准确测量不能够提高能源利用率，更能有效的保护换热设备的安全运行。
根据当前流量计的测量方法，大致可分为以下4类：差压式流量计、速度式流量计、容积式流量计、质量式流量计。超声波流量计属于速度式流量计，相对于其他流量计，由于超声波流量计通过测量的超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差计算流体流速，属于非接触式流量计，因此相对与其他流量计而言，超声波流量计具有以下6个特性：(1)可以测量双向流量；(2)可以测量紊乱流体的流量(河流、明渠等)；(3)适用于不同流体不同管径；(4)不对流动产生干扰、压力损失小；(5)可以测量高温、腐蚀性流体；(6)多声道测量可以提高精度减小不稳定流动的影响，并且换能器和后期软件能够对管道中的流动参数进行有效的修正。这也为解决套管装置复杂流量的测量提供了可能。
由于套管装置内存在两种不同状态的流动(顺流、逆流)，目前的超声波流量计无法对套管装置的流量进行测量。
发明内容
为克服现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于设计一种不破坏套管装置，保证流动连续的情况下测量套管装置内复杂流动的流速。
为达到上述目的，本发明所采用的测量方案是：
一种套管装置超声波实验装置，利用了高低频声波的不同特性，即高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强；
所述套管装置超声波实验装置包括高频换能器2、低频换能器2’、同侧接收器3、对侧接收器1、放大器4和信号处理系统5；其中高频换能器2和低频换能器2’安装在套管装置同一位置，高频换能器2和低频换能器2’与同侧接收器3安装在套管装置同一母线上，对侧接收器1安装低频换能器2’对侧即低频换能器2’和套管装置轴线的连线与对侧接收器1和套管的连线夹角为180°，同侧接收器3和对侧接收器1同时安装在高频换能器2和低频换能器2’上游位置或下游位置，高频换能器2和低频换能器2’与对侧接收器1轴线与套管装置轴线夹角为45°，同侧接收器3轴线与套管装置轴线夹角为-45°；所述高频换能器2发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被同侧接收器3接收；所述低频换能器2’发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器1接收；所述高频换能器2、低频换能器2’、同侧接收器3和对侧接收器1均连接放大器4的输入端，放大器4的输出端连接信号处理系统5。
所述高频换能器2发射的高频信号选取具有良好反射性的频段，高频信号频率不低于100kHz。
所述低频换能器2’发射的低频信号选取具有良好穿透性的频段，信号频率不低于20kHz。
所述同侧接收器3能够同时作为高频换能器发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被高频换能器2接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。
所述对侧接收器1同时作为低频换能器发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被低频换能器2’接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。
所述的一种套管装置超声波实验装置的实验方法，通过利用高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强的特性，并采用同步信号解析套管装置复杂流动；高、低频信号同时发出，高频信号在内管外壁反射，反射信号被同侧接收器3接收，低频信号穿透内管壁经外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器1接收；首先根据高频信号发出和接收的时差计算环流即内管与外管之间的流体流速，其次结合高频信号反馈的环流流速以及低频信号发出和接收的时差计算内管内流量。
所述的实验方法，试验开始前对实验装置进行校准、接收器精度检测、信号处理系统稳定性检测；实验方法具体包括以下步骤：
S1、调节高频换能器2和低频换能器2’功率，观察同侧接收器3和对侧接收器1的接收信号，保证选定工作功率下具有大的信噪比使接收器能够接受到较为清晰的信号；
S2、标定高频换能器2-同侧接收器3测量的流量，给定已知的额定流量，通过高频换能器2发出高频信号和同侧接收器3接收高频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，该流量标定在套管装置上完成；
S3、标定低频换能器2’-对侧接收器1测量的流量，给定已知的额定流量，通过低频换能器2’发出低频信号和对侧接收器1接收低频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，高频信号给出了环流对声波信号的影响，因此低频信号的流量标定在单圆管上完成；
S4、套管装置内两种不同状态的流动的计算方法：放大器4分别将接收到的高频换能器2、低频换能器2’、同侧接收器3和对侧接收器1的信号进行放大并将放大后的信号传输给信号处理系统5，信号处理系统5接收到放大器4传递的信号后，首先通过高频信号的传输时差求解环流流体的流速，计算环流流体的流量；通过低频信号传输时差计算等效流速，低频信号的传输时差由三部分组成：第一部分是低频信号在环流流体中的传播，第二部分是低频信号在内管管壁中的传播，第三部分是低频信号在内管内流体中的传播；其中，声音在环流流体中的传播时差已通过高频信号计算得出，声音在管壁金属传播的时间为常数，因此能够求解内管内流量，再通过对时间进行积分得出套管装置内两种流动状态的流量，具体计算方法如下：
D1，D2为外管外径和内径，d1，d2为内圆管的外径和内径，α为高频换能器和低频换能器与同侧接收器轴线与套管装置轴线的夹角，L1为高频换能器和低频换能器与同侧接收器之间的距离，L2为高频换能器和低频换能器与对侧接收器之间的距离，S1为反射信号，S2穿透信号，c为声速，u为流体的流速；其中高频声波在内管外壁处发生反射，反射信号S1由同侧接收器接收，发射信号和接收信号的时差表示为：
Figure BDA0002212874320000051
事实上，换能器也是接收器，通常都采用双向信号最终取平均值的办法来减小误差；通过测量得到低频信号总的传输时间Tt；总的传输时间包括三部分：第一部分是低频信号在环流流体中传输所用的时间T1’，第二部分是低频信号在金属管壁上传输所用的时间T’，第三部分是低频信号在内管内流体中传输所用的时间T2，即：
Tt＝T1'+T2+T' (2)
因为管壁的厚度与整个通道的直径相比要小的多，另外，声音在固体中的传播速度比流体中大的多，因此声音在金属管道上传输的时间T’非常小，在计算中忽略；而T1’近似等于T1；反射信号S1的传输路程与穿透信号S2在外层流体中传输的距离和产生的效果是相同的，假设信号在传输过程中的微小时间段内流体的速度不发生变化，那么有：
T1＝T1' (3)
基于以上结论，公式(2)简化为：
T2＝Tt-T1 (4)
其中Tt以及T1分别是对侧接收器1接收到低频信号与低频换能器2’发出的低频信号的时间差以及同侧接收器3接收到高频信号与高频换能器2发出的高频信号的时间差，都是已知量，因此得到T2的值；T2表示为：
Figure BDA0002212874320000061
将公式(4)带入公式(5)化简得内管内的流速uh的表达式为：
Figure BDA0002212874320000062
从表达式中能够看出uh根据测量值计算；值得注意的是，公式中用的声速c是相同的，在实际应用时应替换为声音在该材料下的声速，并在一些特殊的应用场合应考虑物性的非线性变化对声音传播的影响。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明能够解决套管装置复杂流动的流量测量问题。
2.本发明能够在不破坏套管装置连续流场的情况下测量管道内部流体流量。
3.本发明经改装可以用来测量高温流体的流量。
附图说明
图1为本发明套管装置超声波实验装置图。
图2为套管装置超声波实验装置测量原理示意图。
图3为套管装置的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明一种套管装置超声波实验装置，利用了高低频声波的不同特性，即高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强；所述套管装置超声波实验装置包括高频换能器2、低频换能器2’、同侧接收器3、对侧接收器1、放大器4和信号处理系统5；其中高频换能器2和低频换能器2’安装在套管装置同一位置，高频换能器2和低频换能器2’与同侧接收器3安装在套管装置同一母线上，对侧接收器1安装低频换能器2’对侧即低频换能器2’和套管装置轴线的连线与对侧接收器1和套管的连线夹角为180°，同侧接收器3和对侧接收器1同时安装在高频换能器2和低频换能器2’上游位置或下游位置，高频换能器2和低频换能器2’与对侧接收器1轴线与套管装置轴线夹角为45°，同侧接收器3轴线与套管装置轴线夹角为-45°；所述高频换能器2发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被同侧接收器3接收；所述低频换能器2’发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器1接收；所述高频换能器2、低频换能器2’、同侧接收器3和对侧接收器1均连接放大器4的输入端，放大器4的输出端连接信号处理系统5。
作为本发明的优选实施方式，所述高频换能器2发射的高频信号选取具有良好反射性的频段，高频信号频率不低于100kHz。
作为本发明的优选实施方式，所述低频换能器2’发射的低频信号选取具有良好穿透性的频段，信号频率不低于20kHz。
作为本发明的优选实施方式，所述同侧接收器3能够同时作为高频换能器发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被高频换能器2接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。
作为本发明的优选实施方式，所述对侧接收器1同时作为低频换能器发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被低频换能器2’接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。
本发明所述的一种套管装置超声波实验装置的实验方法，通过利用高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强的特性，并采用同步信号解析套管装置复杂流动；高、低频信号同时发出，高频信号在内管外壁反射，反射信号被同侧接收器3接收，低频信号穿透内管壁经外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器1接收；首先根据高频信号发出和接收的时差计算环流即内管与外管之间的流体流速，其次结合高频信号反馈的环流流速以及低频信号发出和接收的时差计算内管内流量。
本发明所述的实验方法，试验开始前对实验装置进行校准、接收器精度检测、信号处理系统稳定性检测；实验方法具体包括以下步骤：
S1、调节高频换能器2和低频换能器2’功率，观察同侧接收器3和对侧接收器1的接收信号，保证选定工作功率下具有大的信噪比使接收器能够接受到较为清晰的信号；
S2、标定高频换能器2-同侧接收器3测量的流量，给定已知的额定流量，通过高频换能器2发出高频信号和同侧接收器3接收高频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，该流量标定在套管装置上完成；
S3、标定低频换能器2’-对侧接收器1测量的流量，给定已知的额定流量，通过低频换能器2’发出低频信号和对侧接收器1接收低频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，高频信号给出了环流对声波信号的影响，因此低频信号的流量标定在单圆管上完成；
S4、套管装置内两种不同状态的流动的计算方法：放大器4分别将接收到的高频换能器2、低频换能器2’、同侧接收器3和对侧接收器1的信号进行放大并将放大后的信号传输给信号处理系统5，信号处理系统5接收到放大器4传递的信号后，首先通过高频信号的传输时差求解环流流体的流速，计算环流流体的流量；通过低频信号传输时差计算等效流速，低频信号的传输时差由三部分组成：第一部分是低频信号在环流流体中的传播，第二部分是低频信号在内管管壁中的传播，第三部分是低频信号在内管内流体中的传播；其中，声音在环流流体中的传播时差已通过高频信号计算得出，声音在管壁金属传播的时间为常数，因此能够求解内管内流量，再通过对时间进行积分得出套管装置内两种流动状态的流量，具体计算方法如下：
如图2所示，D1，D2为外管外径和内径，d1，d2为内圆管的外径和内径，α为高频换能器和低频换能器与同侧接收器轴线与套管装置轴线的夹角，L1为高频换能器和低频换能器与同侧接收器之间的距离，L2为高频换能器和低频换能器与对侧接收器之间的距离，S1为反射信号，S2穿透信号，c为声速，u为流体的流速；其中高频声波在内管外壁处发生反射，反射信号S1由同侧接收器接收，发射信号和接收信号的时差表示为：
Figure BDA0002212874320000091
事实上，换能器也是接收器，通常都采用双向信号最终取平均值的办法来减小误差；通过测量得到低频信号总的传输时间Tt；总的传输时间包括三部分：第一部分是低频信号在环流流体中传输所用的时间T1’，第二部分是低频信号在金属管壁上传输所用的时间T’，第三部分是低频信号在内管内流体中传输所用的时间T2，即：
Tt＝T1'+T2+T' (2)
因为管壁的厚度与整个通道的直径相比要小的多，另外，声音在固体中的传播速度比流体中大的多，因此声音在金属管道上传输的时间T’非常小，在计算中忽略；而T1’近似等于T1；反射信号S1的传输路程与穿透信号S2在外层流体中传输的距离和产生的效果是相同的，假设信号在传输过程中的微小时间段内流体的速度不发生变化，那么有：
T1＝T1' (3)
基于以上结论，公式(2)简化为：
T2＝Tt-T1 (4)
其中Tt以及T1分别是对侧接收器1接收到低频信号与低频换能器2’发出的低频信号的时间差以及同侧接收器3接收到高频信号与高频换能器2发出的高频信号的时间差，都是已知量，因此得到T2的值；T2表示为：
Figure BDA0002212874320000101
将公式(4)带入公式(5)化简得内管内的流速uh的表达式为：
Figure BDA0002212874320000102
从表达式中能够看出uh根据测量值计算；值得注意的是，公式中用的声速c是相同的，在实际应用时应替换为声音在该材料下的声速，并在一些特殊的应用场合应考虑物性的非线性变化对声音传播的影响。

Claims (7)

1.一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：利用了高低频声波的不同特性，即高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强；
所述套管装置超声波实验装置包括高频换能器(2)、低频换能器(2’)、同侧接收器(3)、对侧接收器(1)、放大器(4)和信号处理系统(5)；其中高频换能器(2)和低频换能器(2’)安装在套管装置同一位置，高频换能器(2)和低频换能器(2’)与同侧接收器(3)安装在套管装置同一母线上，对侧接收器(1)安装低频换能器(2’)对侧即低频换能器(2’)和套管装置轴线的连线与对侧接收器(1)和套管的连线夹角为180°，同侧接收器(3)和对侧接收器(1)同时安装在高频换能器(2)和低频换能器(2’)上游位置或下游位置，高频换能器(2)和低频换能器(2’)与对侧接收器(1)轴线与套管装置轴线夹角为45°，同侧接收器(3)轴线与套管装置轴线夹角为-45°；所述高频换能器(2)发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被同侧接收器(3)接收；所述低频换能器(2’)发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器(1)接收；所述高频换能器(2)、低频换能器(2’)、同侧接收器(3)和对侧接收器(1)均连接放大器(4)的输入端，放大器(4)的输出端连接信号处理系统(5)。
2.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述高频换能器(2)发射的高频信号选取具有良好反射性的频段，高频信号频率不低于100kHz。
3.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述低频换能器(2’)发射的低频信号选取具有良好穿透性的频段，信号频率不低于20kHz。
4.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述同侧接收器(3)能够同时作为高频换能器发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被高频换能器(2)接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。
5.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述对侧接收器(1)同时作为低频换能器发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被低频换能器(2’)接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。
6.权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置的实验方法，其特征在于：通过利用高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强的特性，并采用同步信号解析套管装置复杂流动；高、低频信号同时发出，高频信号在内管外壁反射，反射信号被同侧接收器(3)接收，低频信号穿透内管壁经外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器(1)接收；首先根据高频信号发出和接收的时差计算环流即内管与外管之间的流体流速，其次结合高频信号反馈的环流流速以及低频信号发出和接收的时差计算内管内流量。
7.根据权利要求6所述的一种套管装置超声波实验装置的实验方法，其特征在于：试验开始前对实验装置进行校准、接收器精度检测、信号处理系统稳定性检测；实验方法具体包括以下步骤：
S1、调节高频换能器(2)和低频换能器(2’)功率，观察同侧接收器(3)和对侧接收器(1)的接收信号，保证选定工作功率下具有大的信噪比使接收器能够接受到较为清晰的信号；
S2、标定高频换能器(2)-同侧接收器(3)测量的流量，给定已知的额定流量，通过高频换能器(2)发出高频信号和同侧接收器(3)接收高频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，该流量标定在套管装置上完成；
S3、标定低频换能器(2’)-对侧接收器(1)测量的流量，给定已知的额定流量，通过低频换能器(2’)发出低频信号和对侧接收器(1)接收低频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，高频信号给出了环流对声波信号的影响，因此低频信号的流量标定在单圆管上完成；
S4、套管装置内两种不同状态的流动的计算方法：放大器(4)分别将接收到的高频换能器(2)、低频换能器(2’)、同侧接收器(3)和对侧接收器(1)的信号进行放大并将放大后的信号传输给信号处理系统(5)，信号处理系统(5)接收到放大器(4)传递的信号后，首先通过高频信号的传输时差求解环流流体的流速，计算环流流体的流量；通过低频信号传输时差计算等效流速，低频信号的传输时差由三部分组成：第一部分是低频信号在环流流体中的传播，第二部分是低频信号在内管管壁中的传播，第三部分是低频信号在内管内流体中的传播；其中，声音在环流流体中的传播时差已通过高频信号计算得出，声音在管壁金属传播的时间为常数，因此能够求解内管内流量，再通过对时间进行积分得出套管装置内两种流动状态的流量，具体计算方法如下：
D1，D2为外管外径和内径，d1，d2为内圆管的外径和内径，α为高频换能器和低频换能器与同侧接收器轴线与套管装置轴线的夹角，L1为高频换能器和低频换能器与同侧接收器之间的距离，L2为高频换能器和低频换能器与对侧接收器之间的距离，S1为反射信号，S2穿透信号，c为声速，u为流体的流速；其中高频声波在内管外壁处发生反射，反射信号S1由同侧接收器接收，发射信号和接收信号的时差表示为：
Figure FDA0002472740850000041
事实上，换能器也是接收器，通常都采用双向信号最终取平均值的办法来减小误差；通过测量得到低频信号总的传输时间Tt；总的传输时间包括三部分：第一部分是低频信号在环流流体中传输所用的时间T1’，第二部分是低频信号在金属管壁上传输所用的时间T’，第三部分是低频信号在内管内流体中传输所用的时间T2，即：
Tt＝T1'+T2+T' (2)
因为管壁的厚度与整个通道的直径相比要小的多，另外，声音在固体中的传播速度比流体中大的多，因此声音在金属管道上传输的时间T’非常小，在计算中忽略；而T1’近似等于T1；反射信号S1的传输路程与穿透信号S2在外层流体中传输的距离和产生的效果是相同的，假设信号在传输过程中的微小时间段内流体的速度不发生变化，那么有：
T1＝T1' (3)
基于以上结论，公式(2)简化为：
T2＝Tt-T1 (4)
其中Tt以及T1分别是对侧接收器(1)接收到低频信号与低频换能器(2’)发出的低频信号的时间差以及同侧接收器(3)接收到高频信号与高频换能器(2)发出的高频信号的时间差，都是已知量，因此得到T2的值；T2表示为：
Figure FDA0002472740850000042
将公式(4)带入公式(5)化简得内管内的流速uh的表达式为：
Figure FDA0002472740850000051
从表达式中能够看出uh根据测量值计算；值得注意的是，公式中用的声速c是相同的，在实际应用时应替换为声音在该材料下的声速。
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