管长声波测量法的开发与研究

    1　引　言

    在采油、化工、冶金等行业,管长测量都是十分重要的。本文提出一种利用声波通过管道内部,测量出在管内传送的时间,从而推算出管长的方法。我们知道声波在空气中的速度是已知的,如果能测得声波通过油管的时间,就可以根据“速度×时间=距离”的公式得到管道的长度。于是,我们可以通过相关的传感器将长度信号(即时间信息)转换成数字信号,并根据测量现场的风速、气温、电磁干燥的现场环境因素予以调整、校正,然后通过计算机采样、滤波、计算,再经过数字处理过程,最后显示并打印测量结果。

    2　技术关键

    在国内同类产品中,本仪器首次提出利用声波测量长度,且成本低、效率高,测量精度达到1～2‰。在实验室测量9.876米长的管子时,本仪器的测量结果的范围是9.875～9.877米;在油田现场测量10米长的管道,其范围是9.998-10.002米。其中涉及到声—电信号转换、微弱信号处理、数字信号处理、人机接口、人机界面等技术问题。本仪器的技术关键在于以下几个方面:

    (1)传感器的选择。发出的小脉冲串必须严格与管长对应,如果有丢失脉冲或计入干扰信号,会直接影响测量精度,所以应选择灵敏度高、抗干扰能力强的器件,这样才能准确发出或接收声波信号。

    (2)抗现场的恶劣自然环境。油田的恶劣环境势必影响到测量结果,比如大风会对声波的速度产生干扰,进而破坏测量的准确性,这就要求仪器必须适应油田的恶劣环境。针对这种情况,本仪器采取声波从石油管道中通过的方式,避免了外部复杂的环境;同时设置校准键,在每次测量之前对标准管道进行校准,以排除干扰。

    (3)抗高、低频电磁干扰。由于仪器涉及到声—电信号转换,高、低频电磁干扰也是设计时应考虑的重要问题。

    (4)脉冲的校准。本仪器中,管长的测量是通过对小脉冲的计数实现的。因此一个脉冲的宽度代表的长度是否准确则直接影响到测量精度,而这个关键性的工作就是脉冲的校准。

    (5)数字信号处理。得到了脉冲系列(也就是数字信号)后,需要将其还原为长度信号,必须通过计算机的采样、计数、二—十变换等数字处理过程才能实现。

    3　硬件结构

    该系统主要分为两部分,即声—电转换和脉冲计数部分。声—电转换部分输出的是与管长对应的一个门控脉冲和一系列计数脉冲。门控脉冲触发脉冲计数部分进行脉冲计数工作,并存储结果,以便在人机接口界面可以随时显示或打印。

    (1)声—电信号转换部分

    声—电信号转换部分主要包括发声电路、接收电路、单稳电路、振荡电路、与门电路等。如图1所示。其原理即利用公式"距离=速度×时间"。若已知速度,测得时间,即可得管长。发声电路使用以555构成振荡器发声。接收电路由微音器、放大器、整形电路构成。将被测管子的两端放置微音器,一端作为发声器,另一端作为接收器,启动开关电路后振荡器和单稳电路开始工作。振荡器产生脉冲,经放大器后触发微音器产生声波,接收端接收到声波脉冲后经放大整形后转换成一个负脉冲复位单稳。单稳电路及计数脉冲发生器为该部分核心电路。单稳复位后将产生与管长相对应的单稳门控脉冲。该脉冲控制与门开关,以便将与时间相对应的振荡小脉冲输入单片机的计数器。