基于超聲流量計(jì)的井下測(cè)調(diào)儀

張博涵， 尤 文＊， 劉占華

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春銳利科技有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130031）

0 引 言

油田在投入使用以后，隨著開采時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，油層能量的不斷消耗，油層壓力的不斷下降，使得原油大量脫氣，粘度升高，最終導(dǎo)致油田的產(chǎn)出率不斷下降。為了實(shí)現(xiàn)油田的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，就必須通過(guò)人工注水來(lái)對(duì)油田進(jìn)行能量補(bǔ)充［1］。在石油注水井中，注水量的多少直接影響到石油的產(chǎn)出水平與地面的能耗，所以水的流量調(diào)節(jié)顯得尤為重要。很早就有人研究過(guò)利用超聲波測(cè)量技術(shù)來(lái)檢測(cè)液體、氣體的流量，但是由于之前的技術(shù)水平有限，因此沒(méi)有得到很大的發(fā)展。近幾十年來(lái)，電子技術(shù)的進(jìn)步使得超聲波流量檢測(cè)技術(shù)日益完善，超聲波流量計(jì)獲得了推廣與應(yīng)用［2］。

1 超聲測(cè)調(diào)儀的總體方案設(shè)計(jì)

地面與井下采用單纜載波的通訊方式，井下測(cè)調(diào)儀采用PIC18F1320－E－P作為專用通信芯片，用DSPIC30F4013－30I／PT作為數(shù)據(jù)采集處理的主控單元，這樣分開的設(shè)計(jì)為主控芯片分擔(dān)了工作量，加快了系統(tǒng)的運(yùn)行速率。井下測(cè)調(diào)儀包含了以下模塊：

1）井下模組——電源部分；

2）井下模組——電機(jī)控制部分；

3）井下模組——超聲測(cè)量部分；

4）井下模組——主控部分；

5）井下模組——發(fā)碼、收碼部分；

6）井下模組——溫度壓力檢測(cè)部分［3］。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 井下測(cè)調(diào)儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

測(cè)調(diào)儀的電纜接頭電壓是50V，首先用4個(gè)470Ω／3W的功率電阻來(lái)進(jìn)行分壓，然后進(jìn)入三端穩(wěn)壓芯片LM317。系統(tǒng)的總工作電流大約為200mA，經(jīng)分壓后進(jìn)入LM317的電壓大約為25V，再用TIP127進(jìn)行擴(kuò)流，這樣就增大了LM317的帶載能力［4］。為了避免電源芯片過(guò)熱，而且后面的發(fā)碼電路需要用到18V的電壓，所以第一級(jí)的電壓輸出設(shè)置為18V。同理，18V輸入進(jìn)入第二級(jí)的LM317進(jìn)一步降壓，設(shè)置第二級(jí)輸出10V電壓。第三級(jí)的輸出為5V，給單片機(jī)供電。由于TDC芯片對(duì)電源的要求很高，所以采用ADP150AUJZ－3.3－R7專用穩(wěn)壓輸出芯片輸出3.3V對(duì)TDC供電。為了防止引進(jìn)干擾，井下整個(gè)的供電系統(tǒng)全部采用LDO，沒(méi)有用開關(guān)電源。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

在測(cè)調(diào)儀中，電機(jī)是用來(lái)帶動(dòng)堵塞器，通過(guò)調(diào)節(jié)堵塞器開度來(lái)調(diào)節(jié)注水量的大小。所以電機(jī)的控制需求是實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。電機(jī)通過(guò)橋式電路完成驅(qū)動(dòng)，并由單片機(jī)發(fā)出高低電平來(lái)控制正反轉(zhuǎn)［5］。電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)量是由霍爾傳感器與鑲嵌在電機(jī)軸上的4個(gè)磁鋼來(lái)完成的。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 超聲測(cè)量部分電路設(shè)計(jì)

超聲測(cè)量部分是整個(gè)電路的核心，超聲飛行時(shí)間差測(cè)量的準(zhǔn)確性關(guān)系到最后流量測(cè)量的精度，所以，選取ACAM公司的TDC－GP21芯片來(lái)進(jìn)行時(shí)差的測(cè)量。該芯片典型的分辨率為45ps，高精度的分辨率為精確的時(shí)差測(cè)量奠定基礎(chǔ)。為了防止電源干擾，采用兩個(gè)3.3V的電源分別給VCC和VIO供電［6］。探頭選擇的中心頻率是1MHz，探頭的驅(qū)動(dòng)選用高速開關(guān)管2SC3733［7］，基極接TDC的脈沖輸出，集電極接51Ω的上拉電阻至10V電源。為了防止接收回波的芯片引腳被灌入大電流，因此設(shè)計(jì)了鉗位二極管，使之進(jìn)入接收引腳的電壓被限制在2V左右。

超聲測(cè)量部分電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖2 電源部分電路設(shè)計(jì)

圖3 電機(jī)控制電路

2.4 主控部分電路設(shè)計(jì)

控制電路由兩個(gè)單片機(jī)構(gòu)成，其中DSPIC30F4013－30I／PT［8］負(fù)責(zé)采集超聲時(shí)差數(shù)據(jù)和溫度壓力數(shù)據(jù)、對(duì)電流電壓進(jìn)行采樣以及通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)臂、導(dǎo)向臂進(jìn)行調(diào)節(jié)控制等工作。PIC18F1320－E－P負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過(guò)電纜傳到地面控制端［9］。具體設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖4 超聲測(cè)量部分電路設(shè)計(jì)

3 井下測(cè)調(diào)儀超聲測(cè)量部分軟件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波測(cè)量過(guò)程

圖5 主控部分電路設(shè)計(jì)

3.2 超聲測(cè)量流程圖

超聲測(cè)量流程圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在示波器上看到了預(yù)先設(shè)置的脈沖波形，脈沖的頻率1MHz，幅值7.8V，個(gè)數(shù)為15個(gè)。實(shí)驗(yàn)波形圖如圖7所示。

從發(fā)波回波的波形分析，未引進(jìn)干擾。從單片機(jī)計(jì)算的計(jì)算結(jié)果分析，測(cè)量準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的精度。

圖6 超聲測(cè)量流程圖

圖7 實(shí)驗(yàn)波形圖

5 結(jié) 語(yǔ)

基于超聲流量計(jì)井下測(cè)調(diào)儀的研發(fā)重點(diǎn)在于超聲流量計(jì)的精度與可靠性。本款測(cè)調(diào)儀的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

環(huán)境溫度：－40～125℃；

壓力范圍：0～70MPa；

測(cè)量范圍：2～300m3／d；

測(cè)量精度：1%。

此款測(cè)調(diào)儀在大慶油田、遼河油田、吉林油田得到了順利推廣，預(yù)計(jì)明年將投入使用。

［1］崔春生，馬鐵華，裴東興.新一代石油井下測(cè)試儀多采樣策略研究［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007，33（3）：74－76.

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