一種基于時(shí)差法的超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

黨瑞榮++劉陽(yáng)++宋汐瑾

摘要：為了提高油田注水開(kāi)發(fā)工作的效率，設(shè)計(jì)了一種面向油田注水井參數(shù)測(cè)量的基于時(shí)差法的高精度超聲流量計(jì)，并在室內(nèi)流體循環(huán)系統(tǒng)上進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整螺桿泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量大小，將質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)定儀器，試驗(yàn)結(jié)果論證了設(shè)計(jì)的超聲流量計(jì)的測(cè)量精度基本滿(mǎn)足油田注水參數(shù)測(cè)量的使用要求。

關(guān)鍵詞：超聲流量計(jì)；時(shí)差法；注水井

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）09-0107-03

Design and Experimental Research of Ultrasonic Flowmeter Based on Time Difference Method

DANG Rui-rong，LIU Yang，SONG Xi-jin

（Xian Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian 710065， China）

Abstract：To improve the efficiency of oilfield water flooding， designed an ultrasonic flowmeter which based on the time difference method. Experimental was conducted on the basis of the indoor fluid cycle system. The speed of fluid is controlled by the screw pump and a mass flow meter is used as a marking apparatus. The experimental results show that the measuring accuracy of ultrasonic flow meter can basically meet the demands of oilfield water flooding.

Key words： ultrasonic flowmeter； time difference method； oilfield water injection well

隨著油田開(kāi)發(fā)工作進(jìn)入到中后期，各層間的矛盾越發(fā)突出。注水開(kāi)發(fā)就是向油層注水增壓以保障油藏的壓力安全，但是一味加大注水量會(huì)導(dǎo)致油藏的含水率過(guò)高進(jìn)而影響石油的采收率，所以進(jìn)行及時(shí)、高效并且精確地注水參數(shù)測(cè)量可以保障油田穩(wěn)定高質(zhì)量地生產(chǎn)，有效提高油田注水開(kāi)發(fā)效率。因此針對(duì)油田注水開(kāi)發(fā)研制出高精度的流量測(cè)量?jī)x器對(duì)于提高注水工作效率和石油采收率具有重要的意義[1]。

目前，油田注水工作主要使用的流量計(jì)有：渦輪流量計(jì)，電磁流量計(jì)等。由于電磁流量計(jì)的電極直接接觸被測(cè)流體，容易受到腐蝕[2]；渦輪流量計(jì)容易纏繞雜物或者結(jié)水垢，機(jī)械結(jié)構(gòu)也容易磨損導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不可靠。相較而言超聲流量計(jì)機(jī)械損壞率更低，有著更高的可靠性和測(cè)量精度 [3]，本文設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)差法的高精度超聲流量計(jì)，它不與被測(cè)流體直接接觸因此不擾動(dòng)被測(cè)流體的流動(dòng)特性[2]。該裝置非常適用于油田應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單相流體的非接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為解決油田注水問(wèn)題提供了有效的手段。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的是Silicon Labs公司推出的C8051f500單片機(jī)，該單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理的格式和處理速度完全滿(mǎn)足超聲法時(shí)間差測(cè)量的技術(shù)要求。C8051單片機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)有：系統(tǒng)集成度高，總線(xiàn)時(shí)鐘可達(dá)25M，全兼容8051指令集，增加了中斷源，集成了豐富的模擬資源和豐富的外設(shè)接口并且增強(qiáng)了信號(hào)處理性能等[7]。高精度計(jì)時(shí)電路選用的是德國(guó)ACAM公司推出的一款高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片TDC-GP2，選擇合適的測(cè)量范圍可使它的測(cè)量精度達(dá)到PS級(jí)[8]。TDC-GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止信號(hào)使能，時(shí)鐘控制和溫度測(cè)量等功能，這些功能模塊使它尤其適用于超聲波法測(cè)流體流量[9]。

系統(tǒng)總體圍繞C8051和TDC-GP2來(lái)設(shè)計(jì)外圍電路?？傮w框圖如圖2所示：

C8051主要用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，GP2主要用來(lái)采集換能器收、發(fā)信號(hào)的時(shí)間差。系統(tǒng)硬件主要包括高精度計(jì)時(shí)電路、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、放大濾波電路、通道切換電路等。在測(cè)量過(guò)程中，GP2在C8051的控制下實(shí)現(xiàn)與流量相關(guān)的時(shí)間參數(shù)的測(cè)量，并存在GP2的內(nèi)部寄存器里，C8051將參數(shù)讀出后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。

系統(tǒng)上電后，存儲(chǔ)在C8051內(nèi)部ROM中的程序被引導(dǎo)進(jìn)C8051內(nèi)部運(yùn)行。C8051首先完成對(duì)自身和GP2的初始化設(shè)置，然后給模擬開(kāi)關(guān)一個(gè)確定信號(hào)，使之處于一個(gè)確定狀態(tài)，這樣就可以確定兩個(gè)超聲波換能器是順流測(cè)量還是逆流測(cè)量。然后C8051給GP2發(fā)送命令， GP2的FIRE引腳發(fā)射信號(hào)，給一個(gè)超聲波傳感器提供激勵(lì)，同時(shí)也給GP2提供START信號(hào)。另一個(gè)超聲波傳感器接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波電路、調(diào)理電路后送回GP2，將其作為STOP信號(hào)，GP2通過(guò)計(jì)算START信號(hào)和STOP信號(hào)之間的時(shí)間差得出超聲波在流體中的傳播時(shí)間。然后，C8051改變模擬開(kāi)關(guān)的通道開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)切換兩個(gè)超聲換能器的收發(fā)狀態(tài)，再進(jìn)行一次測(cè)量并得到一個(gè)傳播時(shí)間。將這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)代入超聲時(shí)差法原理測(cè)流速的公式中即可計(jì)算出流體流速，然后C8051將計(jì)算的結(jié)果存入外部存儲(chǔ)器中。在測(cè)量完成后，將電路和計(jì)算機(jī)連接，將所測(cè)數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行流速曲線(xiàn)的繪制并作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)差法超聲波測(cè)流速的理論，流體流速與超聲波在流體中順流、逆流之間傳播的時(shí)間差成正比，只要獲取到超聲波順、逆流傳播的時(shí)間差即可計(jì)算出流速[10]，流量和累計(jì)流量也可以根據(jù)管徑和測(cè)量時(shí)長(zhǎng)分別求得。采集流速的軟件流程框圖如圖3所示：

首先C8051對(duì)自身和對(duì)TDC-GP2進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)TDC-GP2，打開(kāi)中斷。判斷中斷的有無(wú)，等待中斷來(lái)臨后C8051通過(guò)TDC-GP2的SPI口讀取測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。然后切換測(cè)量通道，重復(fù)以上的測(cè)量過(guò)程。等待中斷再次來(lái)臨，讀出測(cè)量數(shù)據(jù)。判斷循環(huán)是否達(dá)10次，若未達(dá)到10次，則重復(fù)以上過(guò)程；若循環(huán)已達(dá)10次，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后根據(jù)時(shí)間差計(jì)算流速并相應(yīng)地計(jì)算出流量和累計(jì)流量。待數(shù)據(jù)處理完畢，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，以備數(shù)據(jù)回放和繪制曲線(xiàn)。

4 室內(nèi)試驗(yàn)裝置與流程

該試驗(yàn)在室內(nèi)的油氣井管道流體循環(huán)系統(tǒng)上進(jìn)行，試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其結(jié)構(gòu)包括螺桿泵、管路、閥門(mén)、回收罐及各種輔助器件。

將質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)定儀器，流體為自來(lái)水，將超聲換能器探頭置于與質(zhì)量流量計(jì)同路徑的較長(zhǎng)的直管段部分，探頭位置選取原則是換能器探頭前后的直管段長(zhǎng)度要分別大于管徑的10倍和5倍，通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿泵的轉(zhuǎn)速可以模擬不同流速下的管道流量，給回收罐注入足夠多的水量從而保證流體滿(mǎn)管流動(dòng)，通過(guò)控制各管段上的閥門(mén)開(kāi)關(guān)讓流體在管道和回收罐之間循環(huán)流動(dòng)。

測(cè)試流程是先把整個(gè)系統(tǒng)裝好在被測(cè)管道上進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)量所得流量數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)器中，測(cè)量完畢再把系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，系統(tǒng)接收到計(jì)算機(jī)的指令后在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)回放與處理。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

由該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文實(shí)現(xiàn)的超聲波流量計(jì)在單相流量測(cè)量中的測(cè)量誤差隨著管道流體流速的減小而增大。當(dāng)變頻器的頻率設(shè)置在20Hz、25Hz時(shí)，流速相對(duì)誤差最高達(dá)到5.19%；當(dāng)變頻器的頻率分別設(shè)置為30 Hz、35Hz、40Hz、45Hz和50Hz時(shí)，采用本文所設(shè)計(jì)的超聲流量計(jì)測(cè)得的流速其相對(duì)誤差大概在3.3%以?xún)?nèi)，室內(nèi)模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)其測(cè)量精度基本滿(mǎn)足油田注水參數(shù)的計(jì)量要求。

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