基于分層注水量測試的電磁流量計設計

袁濤　黨博

摘要：提出了基于正弦波勵磁方式的電磁流量計設計，采用更加簡單可靠的軟、硬件設計及信號處理算法，從復雜信號中提取出流量信息。實驗結(jié)果表明，在相對較低勵磁頻率下，能夠有效提高流量測量精度，對于小流量注水階段，測量誤差明顯降低，而且性能穩(wěn)定，滿足了井下各層注水量測試要求。

關鍵詞：分層注水；電磁流量計；正弦波勵磁；STM32F103RCT6

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0240-02

Design of Electromagnetic Flowmeter Based on Separate-layer Water Flooding Measuring

YUAN Tao，DANG Bo

（Key Laboratory of Education Ministry for Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065， China）

Abstract： Design of electromagnetic flowmeter Based on sine waveform exciting is proposed. The more convenient and reliable method for signal processing， and software and hardware design is adopted， extracting flow information from complex signals. The experimental results show that relatively lower-frequency exciting could effectively enhance accuracy of measuring. At the stage of low water flooding， measurement errors are obviously reduced and performance is stable. The electromagnetic flowmeter meet test requirements of down hole separate-layer water injection.

Key words：Separate-layer water flooding； Electromagnetic flowmeter； Sine waveform exciting； STM32F103RCT6

分層注水是實現(xiàn)驅(qū)油替水，提高采收率的重要措施，其技術(shù)水平直接影響著注水開發(fā)油田的整體開發(fā)效果。而分層注水量精確測量是分層注水工藝的難點，特別是對于低滲透油藏的小分量注水尤為困難。注水量的精確測量配合自動控制的可調(diào)水嘴，解決了傳統(tǒng)注水工藝調(diào)節(jié)周期長，不能夠精細注水問題，對于實現(xiàn)油田的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[1]。分層注水量測量主要采用浮子式流量計，差壓式流量計等，由于內(nèi)部存在活動部件和阻流元件，測量精度低，影響注水效果。而電磁流量計結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高，在石油化工行業(yè)得到了越來越廣泛的應用[2，3]。

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應原理測量導電性液體體積流量的儀表[4，5]。在電磁流量計中，管內(nèi)有導電性液體流過時，傳感器檢測電極就會產(chǎn)生正比于流體流速的感應電動勢，其一般表達式為[E=kBDv]，其中：[k]為儀表系數(shù)，[D]為管道內(nèi)徑，[B]為磁感應強度，[v]為管內(nèi)平均流速，[E]為感應電動勢。但電磁流量計測量信號存在嚴重干擾，造成測量精度低，難以滿足井下分層注水流量測量要求。本文在已有電磁流量計研究基礎上，基于32位ARM微處理器，采用了新型信號處理方法提取流量信息，設計了適用于分層注水流量測量的電磁流量計。

1 硬件電路設計

采用正弦波勵磁電磁流量計硬件電路設計如圖1所示，主要由勵磁模塊、信號處理模塊和微處理器模塊三部分組成，小型電源模塊將220V交流電壓轉(zhuǎn)化為±12V、+3.3V、+9V為其各部分供電。

1.1 勵磁模塊

由于是正弦波勵磁，采用文氏橋作為信號產(chǎn)生電路，通過調(diào)整電阻電容值來選擇不同勵磁頻率，供電電壓幅值決定勵磁信號幅值，選擇高精度元器件實現(xiàn)信號穩(wěn)定輸出。但文氏橋電路輸出信號小，難以驅(qū)動勵磁線圈，通過運放對勵磁信號電壓放大，甲乙類功率放大對勵磁信號電流放大，將放大后的信號輸入電磁流量計勵磁線圈作為勵磁電壓。

1.2 信號處理模塊

測量電極輸出信號微弱，且信號源內(nèi)阻高，供電電源耦合到電路帶來的工頻干擾以及磁場交變所產(chǎn)生的干擾等幅值遠大于流量信號，必須采取有效的信號處理電路提取流速信息。

信號處理模塊首先采用高輸入阻抗前置放大器ADA4077-1差分放大，但由于信號干擾多，放大倍數(shù)不能過大。信號經(jīng)過ADA4077-1放大后，采用雙端輸出方式，通過電容隔直，濾去直流分量，僅保留信號的交流分量。交流信號中共模干擾嚴重，采用高共模抑制比的差動放大器提高信號的共模抑制比。

信號處理后仍包含正交干擾、同相干擾等，還是無法準確得到流量信號。因此，在傳感器勵磁線圈中串接一個定值電阻[R]，[R]兩端電壓與勵磁電流是同波形同相位，將處理后電極兩端電壓[E]與電阻[R]兩端電壓差分輸入四象限高精度模擬乘法器AD633，輸出信號濾波取其直流分量，則可得到流量信號[6]。

若勵磁磁場[B=Bmsinwt]，[R]上的電壓[UR=Umsinwt]，只考慮正交干擾和同相干擾，測量電極兩端電壓可表示為：endprint

其中：[dBdt]為正交干擾，[d2Bdt2]為同相干擾

乘法器輸出信號為：

將（2）式整理，濾除交流分量得到直流分量為：

從（3）式中得到了電壓信號對應管道中流速變化情況。采用STM32F103RCT6芯片內(nèi)部12位A/D采樣，信號電壓輸入范圍0～3.3V，而（3）式輸出信號是雙極性，需要通過電平提升轉(zhuǎn)化為單極性信號。微處理器復位電路將NRST引腳拉高VCC，引起系統(tǒng)復位。采用0.96寸OLED顯示流量信息，通過8080并行接口方式控制通信。同時提供時鐘日歷，實時顯示相對流量的時間信息。

2 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法，主要包括主程序、初始化子程序、中斷程序、A/D采樣、OLED顯示和實時時鐘等。在測量狀態(tài)下，將實時顯示流速、流量和日歷信息等。流量A/D采集過程如圖2所示，以10個周期為一個測量過程，每個周期采樣點數(shù)為100，求平均值后換算后得到流量信息。通過求平均值來達到濾波目的，避免了由于偶爾誤差引起數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，平均值就是通過軟件濾波得到的流量信號[7]。

3 實驗結(jié)果

實驗所用電磁流量計傳感器測量管徑為47mm，實驗介質(zhì)為水，實驗環(huán)境為室溫，采用標準計量罐進行標定[8]。本實驗在一定測量環(huán)境下，比較不同勵磁頻率對流量測量結(jié)果影響。

從表1可以看出，隨著勵磁頻率增加，測量誤差也在不斷增加。一定勵磁頻率下，流速在1m/s～ 2m/s范圍內(nèi)相比較高流速測量誤差小，更適合小流量測量。說明勵磁頻率在3Hz左右時，分層注水小流量注水測量精度高，性能相對穩(wěn)定。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用新型硬件電路及信號處理算法，有效提高了流量測量精度。在相對低的勵磁頻率下，提高了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了分層注水小流量實時準確測量，而且電磁流量計性能穩(wěn)定、成本較低，在油田分層注水方面具有重要的實用價值。

參考文獻：

[1] 羅必林， 巨亞鋒， 申曉莉，等. 分層注水可調(diào)水嘴調(diào)節(jié)能力仿真計算與分析[J]. 石油天然氣學報， 2014（9）：141-146.

[2] 杜勝雪， 孔令富， 李英偉，等. 電磁流量計矩形與鞍狀線圈感應磁場的數(shù)值仿真[J]. 計量學報， 2016（1）.

[3] 趙保生， 吳蓉， 劉志森，等. 電磁流量計發(fā)展及趨勢[J]. 自動化儀表， 2017， 38（5）：67-71.

[4] 李曦， 張小章. 插入式電磁流量計的理論研究[J]. 計量技術(shù)， 2008（2）：3-6.

[5] 王守志. 基于低頻正弦波勵磁方式的電磁流量計設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2011， 30（2）：119-121.

[6] 王儉. 電磁流量計低頻正弦波勵磁方法的研究[D]. 浙江大學， 2006.

[7] 黃皎， 姚春， 丁婷，等. 基于新型勵磁方式的電磁流量計設計[J]. 傳感技術(shù)學報， 2010， 23（2）：215-219.

[8] 胡長嶺， 張乃祿， 張家田. 流量計標定系統(tǒng)[J]. 油氣田地面工程， 2007， 26（5）：40-40.endprint