數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在含水率測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊和慶+王攀

摘要：在我國的石油工業(yè)中原油管道的含水率是很重要的一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)，能夠動(dòng)態(tài)的測(cè)量油井產(chǎn)出液含水率的變化對(duì)于指導(dǎo)油井的開采計(jì)劃有很重要的意義，本文提出了一種非接觸式的含水率測(cè)量方法，對(duì)比傳統(tǒng)的測(cè)量方式有很明顯的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)介紹了硬件的實(shí)現(xiàn)及信號(hào)的發(fā)射、接收以及中間信號(hào)處理的過程。該方法經(jīng)驗(yàn)證可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出測(cè)量管段中被測(cè)流體含水率的變化。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量效率較高。

關(guān)鍵詞：含水率；非接觸式；信號(hào)處理

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）23-0152-04

針對(duì)目前我國石油工業(yè)中油井產(chǎn)出液高含水的現(xiàn)狀，研制出適用于原油管線含水率測(cè)量的儀器設(shè)備，具有非常重大的意義。含水率作為多相流動(dòng)過程的重要參數(shù)之一，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)油井生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)油田數(shù)據(jù)化管理，及時(shí)有效調(diào)整油井開采生產(chǎn)計(jì)劃具有指導(dǎo)性的意義。

目前相含率測(cè)量的方法主要有：快關(guān)閥法、壓差法、電導(dǎo)法、電阻探針法、電容法、射線法、光纖探針法、聲學(xué)法、熱學(xué)法、核磁共振法、微波法等。上述方法中主要分為接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法兩大類。原油在管道運(yùn)輸?shù)倪^程中，種類眾多的化學(xué)物質(zhì)對(duì)接觸法測(cè)量含水率中的傳感器造成的腐蝕和原油結(jié)蠟等現(xiàn)象都會(huì)直接降低傳感器的靈敏度，從而降低測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，甚至造成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)無法正常工作的嚴(yán)重后果。目前應(yīng)用在油田上的非接觸測(cè)量方法主要是射線法，放射源的存放和使用都需要昂貴而笨重的防護(hù)設(shè)備以防止對(duì)操作人員的身體產(chǎn)生直接傷害，該方法存在的成本高、安全系數(shù)低等缺陷造成了其無法廣泛應(yīng)用的結(jié)果。

基于目前原油含水率測(cè)量?jī)x所存在的種種弊端，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了一種非接觸的含水率在線測(cè)量?jī)x器。該儀器能夠在既不影響流體流型又不影響油井生產(chǎn)的情況下及時(shí)獲取原油含水率信息，并且避免了原油對(duì)測(cè)量電極的腐蝕和結(jié)蠟現(xiàn)象對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1 測(cè)量原理

本含水率測(cè)量?jī)x所使用的傳感器是基于電磁感應(yīng)線圈系的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，當(dāng)油水混合流體經(jīng)過傳感器測(cè)量管段時(shí)，由于油相和水相的電參數(shù)存在差異，使得規(guī)則分布的磁場(chǎng)發(fā)生改變，引起接受線圈輸出信號(hào)發(fā)生變化，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理分析，就可以得到測(cè)量管段含水率的變化情況。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分由DDS信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)功率放大電路、信號(hào)調(diào)理電路以及單片機(jī)控制的AD轉(zhuǎn)換和串口收發(fā)電路組成，整體設(shè)計(jì)如圖1所示：

2.1 DDS信號(hào)發(fā)生電路

DDS芯片即為直接數(shù)字式頻率合成芯片，DDS技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)，與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的DDS芯片為AD9833，它的內(nèi)部集成了一個(gè)32位的相位累加器，正弦和余弦函數(shù)表，還有一個(gè)十位的D/A，它可以在單片機(jī)的控制下產(chǎn)生0-50MHz的頻率、相位可調(diào)的正弦波信號(hào)。DDS信號(hào)發(fā)生電路的原理圖如圖2所示。

該芯片是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗，可編程的波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波，本設(shè)計(jì)中利用PIC單片機(jī)PIC16F877控制AD9833產(chǎn)生頻率相位可調(diào)的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)。DDS芯片產(chǎn)生的信號(hào)幅值很小而且?guī)缀鯖]有帶負(fù)載能力，需要將該信號(hào)進(jìn)行功率放大后才能加到發(fā)射線圈上。DDS芯片產(chǎn)生的正弦波如圖3所示。

2.2 功率放大電路

功率放大電路把DDS輸出的信號(hào)進(jìn)行放大并且利用其帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈。功率放大電路主要由運(yùn)算放大器OP27和功率放大芯片LM1875組成。OP27組成一個(gè)電壓跟隨器，減小功放芯片LM1875對(duì)DDS產(chǎn)生信號(hào)的影響。LM1875將OP27輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈。功率放大電路的原理圖如圖4所示：

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

接收線圈接收到的信號(hào)除了載有含水率信息的有用信號(hào)外還存在較多的雜波干擾，需要用信號(hào)調(diào)理電路將收到的信號(hào)進(jìn)行放大并濾除無用信號(hào)。接收線圈接收到的信號(hào)如圖6中黃色信號(hào)所示，其中藍(lán)色信號(hào)為發(fā)射線圈發(fā)射的信號(hào)。

信號(hào)調(diào)理電路處于對(duì)電極系傳感器的測(cè)量電極輸出的流動(dòng)噪聲信號(hào)處理的最前端，它的主要作用是抑制雜波干擾，放大有用信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路的工作情況，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和分辨率等重要指標(biāo)。

信號(hào)調(diào)理電路由LM358構(gòu)成的差動(dòng)放大電路和由INA118P構(gòu)成的可調(diào)增益放大電路構(gòu)成。差動(dòng)放大電路又叫差分電路，能夠放大有效信號(hào)，減小由于電源波動(dòng)和隨溫度變化造成的零點(diǎn)漂移，所以得到廣泛的應(yīng)用。差動(dòng)放大電路最大的特點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，對(duì)共模信號(hào)有很好的抑制，只對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大，所以常被用于多級(jí)放大器的前置級(jí)。基本差動(dòng)放大電路的輸入端需引入兩個(gè)信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的差信號(hào)為有用的需要放大的信號(hào)，對(duì)于干擾信號(hào)，在這兩個(gè)信號(hào)做差值的時(shí)候已經(jīng)減掉了，所以干擾信號(hào)的有效輸入為零，起到了抗共模信號(hào)干擾的作用。信號(hào)調(diào)理電路的原理圖如圖7所示：

經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理過后的信號(hào)波形如圖8中藍(lán)色信號(hào)所示，其中黃色信號(hào)為信號(hào)調(diào)理之前的信號(hào)。從波形圖可以看出該電路有較好的放大濾波效果。

2.4 峰值保持電路

接收信號(hào)的幅值變化包含了含水率變化的信息，所以需要將信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理之后的信號(hào)根據(jù)采樣定理進(jìn)行采樣，將采樣的信息發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)的還原，從而可以求出接收信號(hào)幅值的變化，進(jìn)而分析出含水率的變化。但是該方案需要的采樣率較高，數(shù)據(jù)量也比較大，對(duì)MCU的處理速度、串口數(shù)據(jù)的發(fā)送速度以及AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換速度要求都比較高。這里采用了由峰值保持芯片PKD01構(gòu)成的峰值保持電路來直接采集調(diào)理過后的信號(hào)的幅值，再將幅值信息發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。該方案既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又提高了幅值采樣的精度。峰值保持電路的原理圖如圖所示。兩個(gè)PKD01芯片分別保持信號(hào)的最大值與最小值，分別對(duì)其進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換即可得到信號(hào)的幅值。峰值保持電路的原理圖如圖9所示。

2.5 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路輸出的信號(hào)為載有含水率信息的模擬信號(hào)，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能在上位機(jī)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)中使用PIC16F877作為主控芯片，控制AD974進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD974是AD公司生產(chǎn)的一種多通道16位高速ADC，具有較高的通過率和和轉(zhuǎn)換精度，而且集成了時(shí)鐘電路和內(nèi)部基準(zhǔn)等功能，大大簡(jiǎn)化了外圍電路，同時(shí)采用串行接口，具有數(shù)據(jù)傳輸率高、接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

PIC16F877與AD974之間通過SPI接口進(jìn)行連接，SPI接口的全稱是“Serial Peripheral Interface”，意為串行外圍接口，主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線SCLK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和從機(jī)選擇線NSS，由于AD974工作時(shí)只需要MCU發(fā)送控制信號(hào)而不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，所以PIC16F877與AD974通信的SPI接口只用了SCK、MISO和NSS三條線，連接非常簡(jiǎn)潔方便，同時(shí)在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到幾Mbps。AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖10所示。

2.6 串口收發(fā)電路

PIC16F877采集到AD974轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)后需要經(jīng)過RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理，雖然PIC16F877支持標(biāo)準(zhǔn)串行接口，但是收發(fā)電平與RS-232并不兼容，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換之后才能實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的串行通信，在該設(shè)計(jì)中我們使用了MAX232作為串行通信的電平轉(zhuǎn)換 芯片。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5V單電源供電，僅需要極少的外圍器件就解決了單片機(jī)與PC進(jìn)行串口通信時(shí)電平不兼容的問題。串口收發(fā)電路的原理圖如圖11所示。

2.7 PCB

綜合以上各部分電路再加上單片機(jī)及電源部分就構(gòu)成了完整的原理圖，通過該原理圖畫成的PCB如圖12所示。

上位機(jī)中用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果的顯示，LabVIEW具有友好的人機(jī)交互界面，圖形化的語言便于編程人員快速掌握其編程技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)串口數(shù)據(jù)的采集，還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并通過相應(yīng)的算法處理對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，最終實(shí)現(xiàn)含水率信息的實(shí)時(shí)示。上位機(jī)軟件的流程圖如圖13所示。

4 結(jié)束語

通過對(duì)比不同的含水率測(cè)量方法，研究電磁場(chǎng)的基本理論，針對(duì)原油管線含水率測(cè)量的特點(diǎn)，根據(jù)不同流體成分之間的電參數(shù)差異，建立了一套電磁感應(yīng)法測(cè)量含水率的理論，并設(shè)計(jì)了具體的實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的硬件電路和上位機(jī)軟件，利用電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行含水率的測(cè)量避免了與測(cè)量液體的直接接觸，不會(huì)因?yàn)樵偷母g、結(jié)蠟等現(xiàn)象降低傳感器的靈敏度，保證了長(zhǎng)期測(cè)量的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任笑瑩. 原油管線含水率測(cè)量[D]. 西安：西安石油大學(xué)， 2015.

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