超聲波頻差法流量計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

宋汐瑾，張麗娟

（西安石油大學(xué) 教育部光電檢測(cè)與測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710065）

1 引言

油氣井生產(chǎn)過程中會(huì)伴隨有砂粒、水、氣泡等物質(zhì)產(chǎn)生，井下的溫度、壓力、粘度和導(dǎo)電率等因素也會(huì)影響測(cè)量精度，因此，從這一因素考慮則應(yīng)該使用超聲波頻差法流量計(jì)[1]。由多普勒原理知：發(fā)出的超聲波頻率與觀測(cè)者觀察到的超聲波頻率由于存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同。超聲波在此種流體中的傳播路徑會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，當(dāng)流體靜止時(shí)，不產(chǎn)生多普勒頻移，所以沒有零點(diǎn)漂移問題[2]。

2 超聲波探頭工作原理

頻差法超聲波流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)探頭，一個(gè)用于發(fā)射，激勵(lì)源提供給探頭一個(gè)電振蕩信號(hào)，使得探頭的磁場發(fā)生變化，機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)力，探頭處于震動(dòng)狀態(tài)[3]。接收探頭與發(fā)射探頭相反，發(fā)射探頭促使與之接觸的介質(zhì)也產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，通過流體的傳播，接收探頭也處于震動(dòng)狀態(tài)，從而接收探頭的磁場發(fā)生變化，在探頭的接收端產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。

壓電效應(yīng)就是頻差法超聲波探頭的工作原理。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)電介質(zhì)受到一定方向的外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，即：在電介質(zhì)的兩端出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)失去外力時(shí)，此現(xiàn)象消失，電介質(zhì)兩端無電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)[4]，且外力的大小與形成的電荷量成正比，如圖1所示。逆壓電效應(yīng)與之相反，在電介質(zhì)的兩端加上電場，電介質(zhì)發(fā)生形變，去掉電場時(shí)，形變也同時(shí)消失，此為逆壓電效應(yīng)[4]，如圖2所示。

圖1 正壓電效應(yīng)

圖2 逆壓電效應(yīng)

發(fā)射探頭形成的機(jī)械振動(dòng)使得接收探頭也處于震動(dòng)狀態(tài)，這就相當(dāng)于給壓電陶瓷一個(gè)壓力，同時(shí)探頭就有電荷輸出。電荷大小Q與作用力F之間的關(guān)系為

d代表壓電陶瓷的壓力系數(shù)。

壓電陶瓷可以看作為一個(gè)電容C，則電容U、電壓Q與電荷 之間的關(guān)系為

由關(guān)系式（1）和（2）得

所以，壓電陶瓷的壓力系數(shù)與輸出電壓成正比，壓力系數(shù)越大，探頭的靈敏度越高，輸出電壓越大[5]。

3 流量監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)

3.1 模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)試該壓電陶瓷傳感器性能的流量監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 流量監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)

其中1是循環(huán)桶；裝有一定比例混合起來的石油和水；2是動(dòng)力系統(tǒng)，為系統(tǒng)循環(huán)提供動(dòng)力；3是循環(huán)管道，流體前進(jìn)道路；4是超聲波多普勒傳感器，發(fā)射和接收超聲信號(hào)；5是硬件電路，處理系統(tǒng)中流體的流速信息并顯示；6標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，測(cè)量此裝置內(nèi)的流體流量。

循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力上電后，流體從油桶中流出，經(jīng)管道循環(huán)通過傳感器和流量計(jì)后又流入油桶。裝置中利用壓電陶瓷制作的超聲波流量監(jiān)測(cè)傳感器，安裝在流體管道的兩側(cè)，根據(jù)多普勒原理測(cè)試流體中的數(shù)據(jù)，分析傳感器的靈敏度和系統(tǒng)的測(cè)試精度。

該系統(tǒng)裝置利用多普勒原理來測(cè)量管道內(nèi)的流體的速度，然后再根據(jù)流速與管道橫截面積的關(guān)系從而得到流體的流量信息。流量的計(jì)算公式為[2]

其中D代表管道的內(nèi)徑，c代表超聲波的波速。因此若得到了管道內(nèi)徑；超聲探頭T發(fā)射的頻率fT；超波聲波進(jìn)入流體中的方向角θ與多普勒頻差Δf即可計(jì)算出流體的流量Q大小[1]。

3.2 信號(hào)處理原理

信號(hào)處理采用美國德州儀器（TI）公司研發(fā)的TMS320F2812芯片，該芯片在C2000系列中性價(jià)比高、在工業(yè)上應(yīng)用廣泛[5]。其12位16通道的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，還可以實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣功能，并且它32位的高運(yùn)算精度以及150MIP的系統(tǒng)處理功能等功能模塊使它尤其適用于超聲波法測(cè)流體流量[1]。CPU發(fā)出命令使探頭驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)，由多普勒效應(yīng)可知，接收探頭處接收到的超聲波信號(hào)頻率已經(jīng)發(fā)生改變，并由信號(hào)接收電路將接收到的信號(hào)傳輸給低噪聲放大電路，經(jīng)解調(diào)電路產(chǎn)生差頻信號(hào)傳輸給DSP，中央處理器對(duì)得到的差頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到流體的流速與流量信息。本文設(shè)計(jì)的超聲波多普勒流量信號(hào)處理系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 流量信號(hào)處理系統(tǒng)原理框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述模擬系統(tǒng)環(huán)境下調(diào)整動(dòng)力機(jī)，將油和水按照一定的比例混合，打開動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)充分?jǐn)嚢瑁到y(tǒng)流量穩(wěn)定后，將本文提供的超聲波頻差法探頭接入測(cè)量裝置中，開始測(cè)量流體的流量，觀察并記錄該頻差法流量計(jì)的示數(shù)和普通流量計(jì)的示數(shù)。實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓下進(jìn)行的，選用的油為32號(hào)礦物機(jī)械油，水為自來水，在不同油、水比例下多次試驗(yàn)得到如下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表1 40Hz轉(zhuǎn)速下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1所示數(shù)據(jù)是在動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為40Hz，循環(huán)系統(tǒng)中流體流量為3.584m3/h，含水率分別為18.6%，32.5%，43.1%時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中誤差最大為0.53%，誤差最小時(shí)為0.03%，在這三種油水比例9次試驗(yàn)中總共有3次實(shí)驗(yàn)誤差為0.03%，1次0.08%，2次0.14%，1次0.20%，1次0.42%，1次0.53%。誤差平均值為0.1%左右，誤差相對(duì)較小。

表2 50Hz轉(zhuǎn)速下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2所示數(shù)據(jù)是在動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為50Hz，循環(huán)系統(tǒng)中流體流量為4.415m3/h，含水率分別為18.6%，32.5%，43.1%時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中誤差最大為0.54%，誤差最小時(shí)為0.05%。這9此實(shí)驗(yàn)中有1次0.05%，3次0.07%，1次0.09%，2次0.11%，1次0.36%，1次0.54%。誤差平均值為0.1%左右，誤差相對(duì)較小。

結(jié)果表明：這六組18次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與循環(huán)系統(tǒng)中流體的真實(shí)數(shù)據(jù)相近，整體誤差在0.1%左右，誤差相對(duì)較小。因此該壓電陶瓷探頭可以用作頻差法超聲波流量計(jì)的傳感器，在此模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可稍加改進(jìn)應(yīng)用于油田現(xiàn)場。

[1]張麗娟.超聲波多普勒流量測(cè)量技術(shù)的研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017(02)：258-260.

[2]涂曉立，楊道業(yè)，陳靜，等.超聲波多普勒流量計(jì)的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表與傳感器，2010(3)：41-43.

[3]朱倩倩.油氣井出砂在線監(jiān)測(cè)方法研究[D].西安石油大學(xué)，2016.

[4]殷光．超聲波流量測(cè)量技術(shù)研究[D]．西安：西安石油大學(xué)，2012．

[5]高翠云，江朝暉，孫冰.基于TMS320F2812的DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009(01)：83-85.