液面測試儀的計量量傳溯源技術(shù)與方法初探

林中雨，王東明，段　文.中國石油大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司（黑龍江　大慶　634）.中國石油大慶油田有限責任公司第二采油廠（黑龍江　大慶　63000）

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計量

液面測試儀的計量量傳溯源技術(shù)與方法初探

林中雨1，王東明2，段文1
1.中國石油大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司（黑龍江大慶163114）
2.中國石油大慶油田有限責任公司第二采油廠（黑龍江大慶163000）

長期以來液面測試儀器無法進行量值溯源和量值傳遞，通過對比排除法，論述了采用聲波法來校準液面測試儀的可行性。研制了液面測試儀檢定器，實現(xiàn)了液面測試儀的校準，證明此方法能夠?qū)崿F(xiàn)量值的溯源和傳遞，能夠順利完成液面測試儀的校準工作。結(jié)合行業(yè)標準，完善了校準的操作方法和誤差計算公式，確保了液面測試儀校準的標準化操作。

液面測試儀；量值溯源；量值傳遞；校準

采油井的液面測試資料是了解其泵況和油層供液能力的一項重要指標，抽油機要根據(jù)示功圖和液面資料進行參數(shù)的調(diào)整，使抽油機處于合理的工作狀態(tài)。液面測試資料還能夠了解油層經(jīng)過相關(guān)措施后所見到的效果。錄取液面資料的裝置稱為液面測試儀器，目前具有液面測試功能的儀器有綜合測試儀、示功儀和液面自動監(jiān)測儀。

液面測試儀在投入測試時要進行校準。目前有關(guān)液面測試儀的校準方法沒有建立，想要實現(xiàn)對液面測試儀的檢測和校準，沒有適用的標準器具或設(shè)備，更沒有相關(guān)的校準規(guī)程來執(zhí)行。通過分析對比和實驗，找到了適用于液面測試儀器校準的標準源，經(jīng)過實驗制定出切實可行的校準方法，并且建立了完整的量值溯源和傳遞體系，然后制定出液面測試儀器校準規(guī)程，實現(xiàn)液面測試儀器校準的標準化管理。

1　標準源的選擇和確定

1.1室外模擬井校準

液面測試儀的校準應(yīng)該建立深度大于2 000m的標準模擬井，在模擬井內(nèi)安裝n個音標，還需要一套加壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。此方法存在的問題：一是投資巨大，需要幾百萬元；二是模擬井的量值傳遞無法進行；三是如果模擬井建在室外，給管理和校準工作帶來諸多不便；四是模擬井存在進入液體的危險。所以此方法一直無法實施。

1.2室內(nèi)模擬井校準

在室內(nèi)安裝一定長度的軟管作為模擬井，將軟管在地面盤成圓圈以減少占地面積，采用計算機自動控制氣體加壓，整個模擬井系統(tǒng)的投資在10萬元左右。此方法存在的問題：一是如果模擬井太淺（假設(shè)200m），根本無法檢測液面測試儀的誤差，如果安裝1 000m以上的模擬井，室內(nèi)沒有那么大的空間；二是無法進行量值傳遞。因此該方法實施起來困難很大。

1.3利用聲波法校準

以往用于液面測試的儀器是雙頻道回聲儀。其液面測試檢定方法是：將5Hz的信號源輸入到線路板的微音器信號入口處，以此來檢測回聲儀的走紙誤差（圖1）。這種方法顯然不是對液面測試功能的整個線路（包括微音器在內(nèi)）進行檢定。

圖1　雙頻道回聲儀液面檢測示意框圖

經(jīng)過進一步分析，液面測試是利用微音器對抽油機井環(huán)形空間內(nèi)的聲波進行測試，首先利用油管接箍波計算聲速，再利用液面波的反射時間乘以聲速確定液面深度。由此可以確定采用聲波法對液面測試儀進行校準是可行的。又因為液面深度是通過聲速和液面波反射時間的乘積計算的，聲速又是通過幾根已知長度的油管除以聲波在此段油管上的傳播時間計算的，這里起關(guān)鍵作用的是時間，這里所指的時間是液面測試儀對接箍波和液面波傳播時間的測量。因此可以通過采用固定頻率的聲波對液面測試儀進行校準，見圖2。

圖2　雙頻道回聲儀液面檢測示意框圖

2　校準裝置的研制

2.1液面測試儀檢定器的研制

采用聲波法校準液面測試儀，首先要有一定強度的聲源，為此設(shè)計加工了液面測試儀檢定器（圖3），采用標準井深測試儀5Hz的信號源（圖4），其輸出幅度為20mV,經(jīng)前置放大為500mV至1 000mV。再經(jīng)過功率放大后，輸出功率大于20W的聲波信號（圖5），用于液面測試儀的校準。

圖3　液面測試儀檢定器

圖4　井深測試儀5Hz信號源

2.2液面測試儀檢定器技術(shù)指標

輸入電壓為（220±10）V；額定功率為15W；信號源輸出為5Hz、20mV；功率放大輸出中頻率為5Hz、功率為0～30W；直流電源為±15V、+10V。

圖5　功率放大后的5Hz信號

3　液面測試儀校準過程

3.1液面測試儀對標準聲波測試

將液面測試儀檢定器的喇叭對準液面測試儀的井口裝置接口處，啟動校準裝置工作，同時液面測試儀進入測試狀態(tài)，對標準聲波進行測試。具體情況見圖6、圖7。

圖6　液面檢測儀測試曲線1

圖7　液面檢測儀測試曲線2

從圖6和圖7可看出，液面測試儀檢定器高頻信號較弱，在測試曲線上響應(yīng)不夠明顯，低頻信號液面測試儀響應(yīng)較好，因此利用低頻波對液面測試儀進行誤差分析和計算。

3.2液面測試誤差計算

液面測試誤差采用如下公式，選取N個周期的液面測試波，液面的誤差計算公式：

式中：δT為被校準綜合測試儀液面深度示值誤差，%；TC為被校準綜合測試儀N個周期測試波的持續(xù)時間，s；TN為N個周期標準聲源的持續(xù)時間，s；V為聲波速度，m/s。根據(jù)實際試驗測試情況，建議N應(yīng)大于25。

4　量值溯源與傳遞圖

任何計量標準都要進行量值溯源和傳遞，液面測試儀檢定器的量值溯源與傳遞圖如圖8所示。

5　應(yīng)用

5.1ZJY-3型液面自動監(jiān)測儀的校準

圖6和圖7是ZJY-3型液面自動監(jiān)測儀校準的曲線，通過液面測試儀檢定器已經(jīng)對在用的17臺液面自動監(jiān)測儀進行了校準。

5.2HYKJ型、CYZ-2B型液面自動監(jiān)測儀的校準

儀器能夠測試出波形，但需要廠家修改儀器軟件，才能對該兩種型號液面自動監(jiān)測儀進行校準。

6　標準的制定

2014年在制定國家行業(yè)標準過程中，采用“聲波法”校準液面測試儀器的方法，已經(jīng)寫入了標準的條款當中，此標準已經(jīng)申報國家專業(yè)標準化技術(shù)委員會進行標準審核。采用“聲波法”校準液面測試儀的方法已經(jīng)申報國家專利。

圖8　綜合測試儀校準量值溯源與傳遞圖

采用“聲波法”校準液面測試儀，具有如下優(yōu)勢：

1）投入少，操作簡單方便，誤差計算沒有中間變量，不受井深和室內(nèi)空間限制。

2）標準聲波的頻率誤差為±4.0×10-4Hz，遠小于液面測試儀±0.5%的誤差要求，符合不確定度的測量要求。

7　結(jié)論

1）采用“聲波法”校準液面測試儀具有操作簡便、投資低的特點，實踐證明這是切實可行的方法。

2）液面測試儀檢定器不但具有量值可溯源性，還能夠?qū)崿F(xiàn)量值的正常傳遞，實現(xiàn)了液面測試儀的正常校準。

3）液面測試儀校準工作的開展，結(jié)束了液面測試儀無法校準的歷史，通過行業(yè)標準的制定，使液面測試儀的校準走上了標準化和專業(yè)化的軌道。

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[5]陳有卿.通用集成電路應(yīng)用與實例分析[M].北京：中國電力出版社，2007.

The quantity value traceability and quantity value transfer of the liquid level measuring instrument can not be finished for a long time. The feasibility of calibrating the liquid level measuring instrument using sound wave method is expounded by comparative ex?clusion method. The tester of the liquid level measuring instrument is developed, and the calibration of it is realized. It is proved that this method can realize the traceability and transmission of the quantity value, and can finish the calibration work of the level measuring instrument. Combined with the industry standard, the calibration method and the error calculation formula are improved, and the stan?dardization operation of the calibration of the liquid level measuringinstrument is ensured.

liquid level measuringinstrument; quantity value traceability；quantity value transfer；calibration

林中雨（1964-），男，高級工程師，現(xiàn)從事測試儀器維修與檢定工作。

本文編輯：左學(xué)敏2015-12-10