基于超聲波的固體顆粒檢測

王攀　賈惠芹　馮旭東

摘要：設(shè)計了一種外置式基于超聲波傳感器的固體顆粒檢測裝置。通過研究分析固體顆粒撞擊管壁信號的產(chǎn)生機理、特征和影響因素，將壓電傳感器接收到的信號經(jīng)過A/D芯片轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)紸RM芯片進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過運算得出固體顆粒的瞬時量和累計量，最后實時顯示在液晶顯示屏上。

關(guān)鍵詞：壓電傳感器；ARM；數(shù)據(jù)處理；固體顆粒檢測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）34-0196-02

由于我國的油田的地理環(huán)境等因素，很多地方的實際采收率較低，因此提高石油采收率、解決油氣井產(chǎn)是當下石油行業(yè)亟需解決的問題。而其中一項問題就是油氣管道內(nèi)固體顆粒問題。固體顆粒有來自地層的砂粒，也有來自壓裂的顆粒材料，這些都會造成油氣井管道的阻塞或磨損，所以要提高油氣井的采收率，保證油氣井的正常作業(yè)，就需要對油氣井內(nèi)固體顆粒進行評估，可以使決策者了解油氣井內(nèi)固體顆粒含量的情況，并根據(jù)實時獲取的信息制定合理的策略，達到提高油氣井產(chǎn)能的最終目的。

1 原理分析

1.1 碰撞信號的產(chǎn)生

在經(jīng)過封閉管道時，流體對其中的固體顆粒具有一定的裹攜能力，固體顆粒撞擊管壁的信號正是由于流體攜帶的這些固體顆粒撞擊彎頭處的管壁產(chǎn)生的超聲波信號，如圖1-1所示。由于固體顆粒撞擊管壁的位置和方向具有隨機性，撞擊力度的大小也不全部相同，所以有用信號也不是固定不變的。另外，由于各種外界風中裹攜的砂礫等撞擊管壁，大氣中的電磁干擾和現(xiàn)場工作人員作業(yè)時都會引起的被測管道的相應(yīng)振動，這些都是隨機的噪聲信號，所以對內(nèi)部固體顆粒撞擊管壁的信號和噪聲信號要區(qū)別開分析，否則會影響監(jiān)測結(jié)果。

1.2理論分析

根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電材料受擠壓而產(chǎn)生的電荷和其受到的作用力的大小是成正比的，即當壓電材料受到壓力大小為F的作用力時，在壓電材料的兩個極上分別產(chǎn)生數(shù)量相等而不同極性的電荷，這就因為壓電效應(yīng)而形成了電場。所以將固體顆粒撞擊管壁的信號轉(zhuǎn)換為電信號需要用到由壓電材料組成的壓電傳感器。壓電傳感器能利用壓電效應(yīng)將固體顆粒撞擊管壁的機械振動信號轉(zhuǎn)換為電信號。同時壓電傳感器相當于一個電容，如果其被施加的外力大小方向不變，則在該電容兩端上產(chǎn)生的電荷量能保持不變。在壓電傳感器兩端上產(chǎn)生的電荷量與被施加外力的關(guān)系如式（1）所示。

由（4）可知，最后的端電壓與撞擊管壁的固體顆粒的動能是成線性相關(guān)的。也就是說，壓電傳感器產(chǎn)生的電信號是與撞擊管壁的固體顆粒的質(zhì)量和速度是相關(guān)的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路主要由ARM和A/D轉(zhuǎn)換芯片以及LCD液晶顯示電路構(gòu)成。將超聲波探頭固定在管壁上后，接收到固體固體顆粒撞擊到管壁產(chǎn)生的超聲波信號后，首先進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給ARM進行數(shù)據(jù)處理，然后將結(jié)果顯示在LCD上。本設(shè)計的系統(tǒng)總體框圖如2所示：

3 軟件設(shè)計

本作品的軟件設(shè)計，主要在于ARM的編程，具體包括系統(tǒng)的初始化，A/D轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動子程序，LCD顯示的驅(qū)動子程序，計算瞬時量和累計量的運算子程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程框圖如圖6所示。

4 總結(jié)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完成后，對于顯示本設(shè)計對流體的流速有些要求，不能低于10m/s，然后當顆粒直徑大小小于0.18mm時，測量效果不理想。原因是顆粒直徑較小時，有可能由于撞擊信號太微弱，被淹沒在噪聲信號當中，提取信號困難；也有可能傳感器的靈敏度限制，太微弱的信號捕捉不到造成的。

最后經(jīng)過測試整個系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計中還是在精度上還是有些不太理想，尤其是在低流速和固體顆粒較小的情況下更嚴重。這說明在傳感器的靈敏度方面還有待提高，并且數(shù)據(jù)處理的算法還有待優(yōu)化，對于噪聲的處理還不夠。

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