管道输送原油密度在线测量方法研究

　　0　引言

　　在石油化工行业中,石油产品的密度不仅与石油半成品、成品的数量和质量的控制、检测有关,而且对加强及提高生产过程的计量管理水平、促进科学研究及国内外贸易的发展密切相关。

　　管道油品密度的测量有静态测量和动态(在线)测量两种最基本的方式。静态测量一般是通过对采集样品进行分析从而得出其密度,这种方式费用低,方法简单,且测量精度高,分辨力高,但它不能实时地反映密度的变化,且存在人为因素影响大和效率低的缺点,已经无法满足现代计量的需要。而动态测量具有下面一些优点:

　　1)效率高,易于实现自动化;

　　2)人为因素影响小;

　　3)实时性好[1-2]。

　　超声波是一种频率高于20kHz的机械波,在液体介质中只能以纵波(压缩波)的形式传播。超声波传播的速度、频率、相位、阻抗及衰减度等均受介质性质的影响[3]。因此,可利用液体密度和超声波的某些传播性质之间的关系实现液体密度的动态测量。

　　1　测量原理

　　系统利用超声波在不同密度介质中的传播速度不同这一原理,通过测量超声波在介质中的传播速度,进而得出液体介质的密度。

　　1.1　传播速度的测量

　　系统采用3个超声换能器,采用V型安装方式,如图1所示。换能器A、B安装在管道同侧,A为发射探头,B为接收探头。换能器C为接收探头,安装在管道另一侧。

　　图1中:θ0为超声波在声楔中的入射角(可人为设定、调整);θ1为超声波在管壁中的折射角;θ为声波在流体介质中的折射角;v为流体的流速;D为管道内径。

　　当换能器A激发出超声波后,先被换能器C接收,反射后又被换能器B接收。设t1是声波在声楔、管壁中的传播时间,tAC是超声波信号沿顺流方向从换能器A传播到换能器C时所需的时间,tAB是超声波信号从换能器A经过一次反射后继续传播到换能器B时所需的时间,t2是超声波在液体介质中顺流从管道一侧传播到另一侧时所需的时间。

　　由此可以得出:

　　由式(1)、(2)可得:

　　由于超声波在流体中的传播速度远远大于流体的流速,因此式(3)可以表示为:

　　根据Snall折射定律[4]有:

　　式中:c0为超声波在声楔中的速度;c1为超声波在管壁中的速度。c0、c1根据材料的不同,可以事先确定。

　　由式(4)、(5)即可求出超声波在流体中的传播速度:

　　式(6)中消除了声波在声楔、管壁中的传播时间t1,tAB、tAC通过FPGA来测量。

　　1.2　液体中声速与密度的关系

　　由于液体没有剪切弹性,只有体积弹性,所以液体中只能传播纵波。在线性声学条件下,液体中声速的公式[5]为: