超聲波測流量的收發(fā)電路研究

黃艷芝 賈 偉 范思航 艾治余

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院光電油氣測井與檢測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

近年來，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，無論是在民用，軍事，還是工業(yè)能源的開采上，流量的測量越來越體其現(xiàn)重要性。超聲波流量測量方法是最常用的流量測量方式之一。在油田上，無論是礫石填充、出砂、三相流，還是油井測漏方面，都離不開流量測量。本論文就是在油井測漏儀的項(xiàng)目支持下做出的相關(guān)研究。在油井測漏儀上我們使用的是超聲波時(shí)差法的測量原理測泥漿的流速變化，選用的是超聲波直探頭。

1 超聲波時(shí)差法流量測量原理

根據(jù)檢測的方式不同，超聲波流量測量可分為傳播速度法(即時(shí)差法)、多普勒法、波束偏移法、噪聲法等幾種測量方法。時(shí)差法是近幾年中常用的一種超聲波流量測量的方法，本論文中研究的收發(fā)電路也是基于超聲波時(shí)差法設(shè)計(jì)的。時(shí)差法是根據(jù)超聲波信號順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間之差來計(jì)算流速的，進(jìn)而求得流量的。超聲波傳感器被夾裝在被測管道的上下游，其安裝方式如圖1所示。

圖1 超聲波時(shí)差法流量測量原理圖

探頭A、探頭B 兩個(gè)傳感器交替的發(fā)射和接收超聲波信號，其順流和逆流傳播時(shí)間，通過下列公式進(jìn)行計(jì)算。

進(jìn)而得出流體的流速計(jì)算公式如下:

最終可以確定流量計(jì)算公式如下:

2 超聲波探頭收發(fā)電路研究

超聲波探頭(又稱換能器)及其發(fā)射接收電路在流量測量系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，它決定了這個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的最終測試指標(biāo)及測量精度。當(dāng)超聲探頭選定后，其性能參數(shù)也就確定了，包括它的匹配等效阻抗，機(jī)械共振頻率等。本論文中提到的超聲探頭用的是壓電式的超聲波發(fā)生器，它的工作原理是利用壓電晶體的諧振來工作的。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板震動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波，此時(shí)它就是超聲波發(fā)生器。反之，兩電極間沒有外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，共振板將壓迫晶片震動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。本文所要研究的就是如何使發(fā)射探頭的信號更好的發(fā)射電路，超聲檢測中常用的發(fā)射信號有三種:單脈沖信號，方波信號，正弦連續(xù)波信號，可以根據(jù)檢測的應(yīng)用場合確定使用哪種發(fā)射信號。本論文討論的是時(shí)差法測流量的收發(fā)電路研究，所以選用是單脈沖發(fā)射信號，形成時(shí)間差，用于計(jì)算流速。

2.1 超聲波探頭發(fā)射電路

在超聲流量測量系統(tǒng)中，發(fā)射電路是一個(gè)重要組成部分，它在一定程度上決定著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。當(dāng)超聲換能器選定后，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)直接影響著發(fā)射的聲功率和波形的重復(fù)性。本文中設(shè)計(jì)的超聲波探頭發(fā)射電路如圖2所示。

在本電路的設(shè)計(jì)中，采用Q1高頻功率晶體管作為探頭驅(qū)動(dòng)電路的功率放大晶體管，采用中頻變壓器實(shí)現(xiàn)升壓和探頭的阻抗匹配及調(diào)諧。此電路采用12 V 的直流供電，當(dāng)在電路輸入端(VIN 端)加上一個(gè)單極性正弦波時(shí)，經(jīng)過晶體管的放大、變壓器的升壓及電容匹配后，探頭上將會(huì)得到一個(gè)較高幅度的功率信號。電路中的電阻R25 用于限制集電極電流，防止燒壞晶體管。

圖2 超聲波探頭發(fā)射電路

2.2 超聲波探頭接收電路

由于探頭接收到的回波信號幅度較小，并且在回波信號的傳播過程中，這個(gè)微弱信號會(huì)受到外界環(huán)境中的各種噪聲的干擾，所以在接收到的信號要進(jìn)入后續(xù)電路進(jìn)行處理時(shí)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)諧放大電路(選頻放大電路)，也就是超聲波接收電路，如圖3 所示。

圖3 超聲波探頭接收電路

本電路中的核心是中頻變壓器，變壓器的功能是:阻抗匹配，信號放大，濾波。二極管D1，D2主要是起到限幅的作用，濾除幅度高于正負(fù)0.6 V 的突發(fā)噪聲信號，防止打信號經(jīng)過放大后影響后續(xù)電路的正常工作。Q2主要是對接收過來的信號進(jìn)行放大，之后傳遞到帶有調(diào)諧作用的變壓器中。經(jīng)過變壓器的匹配，放大，濾波就可以得到所需的信號，并傳遞給后續(xù)處理電路。

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中，我們搭建了簡易的裝置測試了這兩個(gè)電路的性能，都能正常工作，測試結(jié)果也比較理想。隨后我們在實(shí)驗(yàn)室模擬測漏儀的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)裝置，將設(shè)計(jì)的這兩塊電路板加入到測試當(dāng)中，進(jìn)行試驗(yàn)測試。

兩塊電路板設(shè)計(jì)完成后，我們利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件利用示波器，信號源，直流電源，傳感器探頭組成了一個(gè)簡易的測試裝置。直流電源分別給發(fā)射電路和接收電路提供激勵(lì)電源，在測試過程中用信號源提供一個(gè)脈沖信號給發(fā)射電路的輸入端，用示波器對接收板接收到的信號進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖4 所示。黃色的脈沖信號是用信號源提供給發(fā)射板的輸入端的，藍(lán)色的信號是從接收板接收到的信號。

圖4 超聲波發(fā)射接收電路測試結(jié)果顯示

4 結(jié) 論

本文依據(jù)超聲波時(shí)差法的測量原理，設(shè)計(jì)出超聲波探頭的發(fā)射電路和接收電路，并對其進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)現(xiàn)了利用超聲波時(shí)差法測量流量的原理檢測油井的滲漏的功能。該電路測試結(jié)果相對比較穩(wěn)定，測量精度達(dá)到一定高度。

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