超聲流量計(jì)的國內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀

一、超聲流量計(jì)的發(fā)展與現(xiàn)狀
　　早在二十世紀(jì)初期就已經(jīng)出現(xiàn)了利用超聲波在流體中傳播產(chǎn)生的時(shí)間差或相位差或者利用多普勒效應(yīng)等方法來測(cè)量流體流速的設(shè)想。1931年，德呂特跟(Ruttgen)發(fā)表了利用超聲波的傳播時(shí)間差法測(cè)量管道流體流量的，這是可查的   早的利用超聲原理測(cè)量流體流速的文獻(xiàn)資料，但是由于這種方法對(duì)時(shí)間差的精度要求較高，這在當(dāng)時(shí)電子技術(shù)以及制造水平并不高的條件下很難實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)50年代   研制出了MAXSON超聲頻差法流量計(jì)，這種基于頻差法原理的流量計(jì)成功應(yīng)用在了測(cè)量飛機(jī)燃料流量上，其技術(shù)方案的穩(wěn)定性和性仍然有待提高。在此之前，超聲波流量計(jì)基本處于階段，從此以后，超聲波流量計(jì)就邁進(jìn)了應(yīng)用階段。1956年，前蘇聯(lián)家A.M.Shafranovskaia制造出了前蘇聯(lián)的   臺(tái)超聲波流量計(jì)，N.L.Brahzikov和G.L.Birger等人在1957到1959年間也做了一些關(guān)于利用超聲波測(cè)量流量的。世紀(jì)60年代末期隨著多普勒效應(yīng)原理研制的超聲波流量計(jì)誕生許多相關(guān)也由此誕生。20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)家對(duì)管道流體流速的分布規(guī)律進(jìn)行了，認(rèn)為管道流體主要可以分為層流和紊流以及介于層流和紊流之間的狀態(tài)，并分別給出了層流和紊流狀態(tài)的流速修正系數(shù)公式。另外，伴隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和制造水平的不斷提升，大規(guī)模集成電路(LSIC-Large　Scale　Integrated　Circuit)技術(shù)和鎖相環(huán)PLL(Phase-Locked　Loop)技術(shù)的發(fā)展也突飛猛進(jìn)，時(shí)差法超聲流量計(jì)的儀器性能了大幅提升，超聲流量測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)也了   地，其應(yīng)用范圍逐漸廣泛，關(guān)于超聲流量計(jì)的受到   上越來越多的重視。20世紀(jì)80年代，隨著各種微處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)了以單片機(jī)作為微控制器的超聲波電子流量儀表，   近二十幾年，伴隨著工藝水平的提高，微處理器的種類越來越豐富，功能日益一一出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)等微處理器，數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)和高速數(shù)字控制芯片的發(fā)展越來越成熟，這使得超聲流量計(jì)選用的主控芯片可以進(jìn)行復(fù)雜的控制和運(yùn)算功能，簡化了設(shè)計(jì)工作，進(jìn)一步提升了儀器性能。特別是隨著德國ACAM公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換TDC(Time-to-Digital　Converters)系列芯片的問世，其數(shù)據(jù)手冊(cè)中聲稱超聲波流量測(cè)量的時(shí)間差精度可以達(dá)到ps級(jí)別，雖然在實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于各種因素影響可能還無法達(dá)到這一精度，但也已經(jīng)提高了超聲流量測(cè)速的精度，同時(shí)將測(cè)量功能集成化，提高了儀器工作性能。進(jìn)入21世紀(jì)，超聲波流量計(jì)發(fā)展也繼續(xù)朝著性能   高、   加智能化的方向進(jìn)行，其在工業(yè)生產(chǎn)和生活消費(fèi)的各個(gè)也越來越廣泛。
　　目前，關(guān)于超聲波流量計(jì)方面技術(shù)比較的   主要有   ，德國，加拿大，荷蘭，日本等等，目前具有代表性的流量計(jì)單位有：   的丹尼爾(Danniel)公司、艾默生(Emerson)公司和西南所，德國的科隆(Krohne)公司、恩德斯豪斯(EndressHauser/EH)公司、西門子(Siemens)公司和艾爾斯特(Elster)公司、弗萊克森(FLEXIM)公司，荷蘭的Instromet公司，瑞士的阿西布朗勃法瑞(ABB)公司，日本橫河(Yokogawa)等。其中，艾爾斯特(Elster)公司的超聲流量計(jì)產(chǎn)品在石油   氣有著大規(guī)模應(yīng)用。流量計(jì)市場占有率較高的前三名廠家分別是艾默生(Emerson)公司，恩德斯豪斯(EndressHauser/EH)公司和阿西布朗勃法瑞(ABB)公司，這些公司由于技術(shù)水平較高且經(jīng)驗(yàn)豐富，在流量計(jì)占據(jù)了主導(dǎo)地位。這三家公司的流量計(jì)產(chǎn)品占據(jù)整個(gè)市場將近一半的份額。
　　目前油田使用較多的測(cè)漏方法主要有兩種：機(jī)械驗(yàn)套法與儀器測(cè)井法。由于機(jī)械驗(yàn)套法的施工周期長且成本很高，實(shí)際上現(xiàn)場采用   多的是測(cè)井法。目前典型的井下漏失檢測(cè)方法包括溫度和噪聲錄井、井下攝像機(jī)、熱衰變錄井等方法，但是利用這些方法在應(yīng)用上都存在各自的局限性，而且在處理微小漏失檢測(cè)時(shí)的效果較差，而且需要大量的錄井信息綜合起來才便于分析和進(jìn)行解釋。   從1945年開始將流量計(jì)測(cè)試法應(yīng)用到井下測(cè)量流量。早期研制工作集中在?？松梨?Exxon　Mobil)、加利福尼亞(California)、亨博爾(Humble)等幾家大公司。近幾年來   的幾個(gè)較大的油服公司如斯倫貝謝(Schlumberger)、哈里伯頓(Halliburton　Company)等也相繼推出各種結(jié)構(gòu)的井下流量計(jì)，如浮子流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、溫度流量計(jì)和超聲流量計(jì)等相繼出現(xiàn)在油田井下流量測(cè)量中。流量測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄方式起初是用電纜掛接儀器進(jìn)行測(cè)量，在地面直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，經(jīng)過發(fā)展后，數(shù)據(jù)讀取方式變?yōu)榧瓤梢詫?shí)時(shí)讀取，也可以在井下進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和記錄。
　　查閱論文資料發(fā)現(xiàn)，利用超聲波流量檢測(cè)方法檢測(cè)微小漏失的技術(shù)在2005年被引入   阿拉斯加地區(qū)，其施工成功率達(dá)到88%。由于井下采集的數(shù)據(jù)既可以存儲(chǔ)也可以實(shí)時(shí)傳輸，所以相比噪聲法測(cè)井法，利用超聲波流量檢測(cè)方法進(jìn)行漏失檢測(cè)的技術(shù)節(jié)約了停機(jī)等待的時(shí)間成本以及鉆井修井的維修費(fèi)用，優(yōu)化了資源利用率。在過去20年中，超聲波傳感技術(shù)已經(jīng)成為了許多行業(yè)如油氣儲(chǔ)運(yùn)和井漏檢測(cè)的   技術(shù)。
　　二、國內(nèi)超聲流量計(jì)的發(fā)展與現(xiàn)狀
　　我國關(guān)于超聲波流量計(jì)的起步較稍晚，20世紀(jì)六七十年代北京大學(xué)、上海工業(yè)自動(dòng)化儀表所等機(jī)構(gòu)才開始著手。1977年，北京大學(xué)無線電電子學(xué)系的姜天仕和北京市自來水公司的楊留印等人合作研制出了型號(hào)為CLJ-1的超聲波流量計(jì)，該流量計(jì)可直接測(cè)出瞬時(shí)流量并計(jì)算出累計(jì)流量。1994年，中國計(jì)量院發(fā)布了“JJG198-94速度式流量計(jì)”，的   計(jì)量檢定規(guī)程和“JJG0002-94超聲流量計(jì)”的部門計(jì)量檢定規(guī)程，這是我國超聲波流量計(jì)發(fā)展歷史上一個(gè)標(biāo)志性的里程碑。20世紀(jì)90年代時(shí)，我國自主生產(chǎn)的流量儀表水平達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，總體與世界和制造水平還是有   差距，比如電子技術(shù)水平，制造工藝水平等方面的差距仍然較為明顯。
　　從二十世紀(jì)六十年代起，國內(nèi)各油田陸續(xù)研制出了各種類型的專門應(yīng)用在井下的流量計(jì)，如：傳統(tǒng)流量計(jì)如渦輪流量計(jì)、浮子式流量計(jì)等和采用的電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等等。浮子式井下流量計(jì)和渦輪流量計(jì)在油田的井下流量測(cè)量中出現(xiàn)，由于井下污物雜質(zhì)較多，儀器的機(jī)械部件容易卡頓損壞，性較低，測(cè)試過程中容易出故障，從而造成測(cè)量失敗。在目前應(yīng)用的流量測(cè)試儀器當(dāng)中電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)的測(cè)試精度較高。從儀器的使用壽命來看，由于超聲波法不產(chǎn)生壓力損失且其具有不與流體直接接觸的性質(zhì)，維護(hù)修理也簡單方便，所以超聲波流量計(jì)的使用壽命   長，有資料稱其可以在地面使用長達(dá)20年。超聲波流量計(jì)雖然發(fā)展起步較傳統(tǒng)流量測(cè)量儀器晚，但由于它具有量程大、不產(chǎn)生壓力損失、可以測(cè)量雙向流體流速的優(yōu)點(diǎn)，所以就受到了工業(yè)的重視和青睞。目前超聲流量計(jì)的數(shù)量以每年超過10%的速度在范圍內(nèi)應(yīng)用，中國是增長速度   快的   ，石油   氣行業(yè)是其   大的應(yīng)用行業(yè)。
　　目前，國內(nèi)通過對(duì)超聲波流量計(jì)的和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，在超聲波流量計(jì)量理論、超聲波換能器的研制、儀器抗干擾性能的提高、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等方面已經(jīng)積累了   的經(jīng)驗(yàn)。但總體精度和性不夠高，性能不夠好，價(jià)格較便宜，主要用于測(cè)量地面應(yīng)用的大管徑管道中流體的流速，針對(duì)小管徑、微小流量的檢測(cè)技術(shù)以及面向油田井下漏失檢測(cè)的超聲波測(cè)量技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展和。針對(duì)油田井下的超聲波流量計(jì)的應(yīng)用還并未   成熟，國內(nèi)機(jī)構(gòu)對(duì)于超聲波法在井下測(cè)量流量的仿真和理論較少，由于存在的一些技術(shù)難點(diǎn)使得國內(nèi)的超聲波流量計(jì)進(jìn)展緩慢。因此，超聲流量測(cè)量技術(shù)在精度、性、穩(wěn)定性、影響測(cè)量效果的各種因素的和相關(guān)測(cè)井資料的解釋等方面仍需提升和，以便在油田獲得   廣泛的應(yīng)用。