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沧州市合正仪器仪表有限公司

涡街流量计,涡轮流量计,电磁流量计,孔板式流量计,V锥流量计

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超声流量计的国内外发展与研究现状
发布时间:2018-02-26        浏览次数:1716        返回列表
  一、国外超声流量计的发展与研究现状
国外早在二十世纪初期就已经出现了利用超声波在流体中传播产生的时间差或相位差或者利用多普勒效应等方法来测量流体流速的设想。1931年,德国科学家吕特跟(Ruttgen)发表了利用超声波的传播时间差法测量管道流体流量的专利,这是 可查的最早的利用超声原理测量流体流速的文献资料,但是 由于这种方法对时间差的精度要求较高,这在当时电子技术以及制造水平并不高的条件下很难实现。20世纪50年代美国研制出了MAXSON超声频差法流量计,这种基于频差法原理的流量计成功应用在了测量飞机燃料流量上,其技术方案的稳定性和可靠性仍然有待提高。在此之前,超声波流量计基本处于研究阶段,从此以后,超声波流量计就迈进了应用阶段。1956年,前苏联科学家A.M.Shafranovskaia研发制造出了前苏联的第一台超声波流量计,N.L.Brahzikov和G.L.Birger等人在1957到1959年间也做了一些关于利用超声波测量流量的研究。世纪60年代末期随着多普勒效应原理研制的超声波流量计诞生许多相关专利也由此诞生。20世纪70年代,前苏联科学家对管道流体流速的分布规律进行了研究,研究认为管道流体主要可以分为层流和紊流以及介于层流和紊流之间的状态,并分别给出了层流和紊流状态的流速修正系数公式。另外,伴随着电子技术的迅猛发展和制造水平的不断提升,大规模集成电路(LSIC-Large Scale Integrated Circuit)技术和高性能锁相环PLL(Phase-Locked Loop)技术的发展也突飞猛进,时差法超声流量计的仪器性能得到了大幅提升,超声流量测量技术的缺点也得到了一定地改善,其应用范围逐渐广泛,关于超声流量计的研究受到国际上越来越多的重视。20世纪80年代,随着各种微处理器的出现和迅速发展,出现了以单片机作为微控制器的超声波电子流量仪表,最近二十几年,伴随着工艺水平的提高,微处理器的种类越来越丰富,功能日益强大一一出现了数字信号处理(DSP)芯片、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等微处理器,数字信号处理(DSP)技术和高速数字控制芯片的发展越来越成熟,这使得超声流量计选用的主控芯片可以进行复杂的控制和运算功能,简化了开发设计工作,进一步提升了仪器性能。特别是 随着德国ACAM公司研发的高精度时间数字转换TDC(Time-to-Digital Converters)系列芯片的问世,其数据手册中声称超声波流量测量的时间差精度可以达到ps级别,虽然在实际应用时由于各种因素影响可能还无法达到这一精度,但也已经大大提高了超声流量测速的精度,同时将测量功能集成化,大大提高了仪器工作性能。进入21世纪,超声波流量计发展也继续朝着性能更高、更加智能化的方向进行,其在工业生产和生活消费的各个领域也越来越广泛。
超声波流量计
目前,国外关于超声波流量计研究方面技术比较先进的国家主要有美国,德国,加拿大,荷兰,日本等等,目前国外具有代表性的流量计研发单位有:美国的丹尼尔(Danniel)公司、艾默生(Emerson)公司和西南研究所,德国的科隆(Krohne)公司、恩德斯豪斯(EndressHauser/EH)公司、西门子(Siemens)公司和艾尔斯特(Elster)公司、弗莱克森(FLEXIM)公司,荷兰的Instromet公司,瑞士的阿西布朗勃法瑞(ABB)公司,日本横河(Yokogawa)等。其中,艾尔斯特(Elster)公司的超声流量计产品在石油天然气领域有着大规模应用。流量计市场占有率较高的前三名厂家分别是 艾默生(Emerson)公司,恩德斯豪斯(EndressHauser/EH)公司和阿西布朗勃法瑞(ABB)公司,这些公司由于技术水平较高且经验丰富,在流量计领域占据了主导地位。这三家公司的流量计产品占据整个市场将近一半的份额。
目前国内外油田使用较多的测漏方法主要有两种:机械验套法与仪器测井法。由于机械验套法的施工周期长且成本很高,实际上现场采用更多的是 测井法。目前国外典型的井下漏失检测方法包括温度和噪声录井、井下摄像机、热衰变录井等方法,但是 利用这些方法在应用上都存在各自的局限性,而且在处理微小漏失检测时的效果较差,而且需要大量的录井信息综合起来才便于分析和进行解释。美国从1945年开始将流量计测试法应用到井下测量流量。早期研制工作集中在埃克森美孚(Exxon Mobil)、加利福尼亚(California)、亨博尔(Humble)等几家大公司。近几年来美国的几个较大的油服公司如斯伦贝谢(Schlumberger)、哈里伯顿(Halliburton Company)等也相继推出各种结构的井下流量计,如浮子流量计、涡街流量计、电磁流量计、温度流量计和超声流量计等相继出现在油田井下流量测量中。流量测量的数据记录方式起初是 用电缆挂接仪器进行测量,在地面直接进行数据读取,经过发展后,数据读取方式变为既可以实时读取,也可以在井下进行数据的存储和记录。
查阅论文资料发现,利用超声波流量检测方法检测微小漏失的技术在2005年被引入美国阿拉斯加地区,其施工成功率达到88%。由于井下采集的数据既可以存储也可以实时传输,所以相比噪声法测井法,利用超声波流量检测方法进行漏失检测的技术节约了停机等待的时间成本以及钻井修井的维修费用,优化了资源利用率。在过去20年中,超声波传感技术已经成为了许多行业如油气储运和井漏检测的领先技术。
二、国内超声流量计的发展与研究现状
我国关于超声波流量计的研究起步较国外稍晚,20世纪六七十年代北京大学、上海工业自动化仪表研究所等机构才开始着手研究。1977年,北京大学无线电电子学系的姜天仕和北京市自来水公司的杨留印等人合作研制出了型号为CLJ-1的超声波流量计,该流量计可直接测出瞬时流量并计算出累计流量。1994年,中国计量科学院发布了“JJG198-94速度式流量计”,的国家计量检定规程和“JJG0002-94超声流量计”的部门计量检定规程,这是 我国超声波流量计发展历史上一个标志性的里程碑。20世纪90年代时,我国自主研发生产的流量仪表水平达到稳定状态,总体与世界先进研发和制造水平还是 有一定差距,比如电子技术水平,制造工艺水平等方面的差距仍然较为明显。
从二十世纪六十年代起,国内各油田陆续研制出了各种类型的专门应用在井下的流量计,如:传统流量计如涡轮流量计、浮子式流量计等和采用新技术的电磁流量计、超声波流量计等等。浮子式井下流量计和涡轮流量计在油田的井下流量测量中出现,由于井下污物杂质较多,仪器的机械部件容易卡顿损坏,可靠性较低,测试过程中容易出故障,从而造成测量失败。在目前应用的流量测试仪器当中电磁流量计和超声波流量计的测试精度较高。从仪器的使用寿命来看,由于超声波法不产生压力损失且其具有不与流体直接接触的性质,维护修理也简单方便,所以超声波流量计的使用寿命最长,有资料称其可以在地面使用长达20年。超声波流量计虽然发展起步较传统流量测量仪器晚,但由于它具有量程大、不产生压力损失、可以测量双向流体流速的优点,所以就受到了工业领域的重视和青睐。目前超声流量计的数量以每年超过10%的速度在全球范围内得到应用,中国是 增长速度最快的国家,石油天然气行业是 其最大的应用行业。
目前,国内通过对超声波流量计的多年研究和现场实际应用,在超声波流量计量理论、高性能超声波换能器的研制、仪器抗干扰性能的提高、数据处理及数据远传等方面已经积累了一定的经验。但总体精度和可靠性不够高,性能不够好,价格较便宜,主要用于测量地面应用的大管径管道中流体的流速,针对小管径、微小流量的检测技术以及面向油田井下漏失检测的超声波测量技术还有待进一步发展和研究。针对油田井下的超声波流量计的应用研究还并未完全成熟,国内科研机构对于超声波法在井下测量流量的仿真和理论研究较少,由于存在的一些技术难点使得国内的超声波流量计研究进展缓慢。因此,超声流量测量技术在精度、可靠性、稳定性、影响测量效果的各种因素的研究和相关测井资料的解释等方面仍需提升和研究,以便在油田领域获得更广泛的应用。
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