超聲波多普勒流量測量技術(shù)的研究

張麗娟

摘要：超聲波多普勒原理測量多相流流體流量技術(shù)是一種有效的方法。本文對(duì)超聲波多普勒流量測量的原理進(jìn)行了推導(dǎo)，設(shè)計(jì)了一套用于超聲波多普勒流量測量的軟、硬件，建立了油田生產(chǎn)現(xiàn)場流體流量測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在此平臺(tái)上通過控制其他條件不變，改變流體中水和油的比例多次試驗(yàn)得到：該流量測量原理的測量誤差隨著管道流速的增加逐漸減小。

關(guān)鍵詞：超聲波；多普勒；流量測量；油田生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）02-0258-03

Study on Ultrasonic Doppler Flow Measurement Technology

ZHANG Li-juan

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

Abstract：Ultrasonic Doppler principle is an effective method to measure multiphase fluid flow.In this paper， it deduced the principle of ultrasonic Doppler flow measurement， designed a set of software and hardware for ultrasonic Doppler flow measurement ， and set up a fluid flow measurement experiment platform .And in this platform by controlling other conditions remain unchanged， changing the proportion of water in the oil several tests to be ： The measurement error of the flow measurement principle decreases with the increase of the pipe flow rate .

Key words：Ultrasonic； Doppler； flow measurement； oil field production

1引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，油田不斷被開發(fā)，流量測量技術(shù)也在不斷地提高[1]。現(xiàn)如今，流量測量方法多種多樣，主要有以下幾類：渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、壓差式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、浮子式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)[2]。在眾多流量計(jì)中超聲波流量計(jì)以其不與流體接觸、不改變流體流動(dòng)狀態(tài)、傳感器拆裝方便等許多優(yōu)點(diǎn)深受廣大使用者青睞[3]。

油田開采過程中，其生產(chǎn)的流體不僅僅為單一介質(zhì)，是含有其他流體的混合流體，在測量這類流體流量時(shí)最好的測量方式是使用超聲波多普勒式流量計(jì)[4]。超聲波多普勒法適用于大管徑，大流量的流體流量測量，測量值與流體中聲速無關(guān)，所以這種方法對(duì)流體的壓力、溫度、粘度、密度和導(dǎo)電率等因素的變化不敏感；由于當(dāng)流體靜止不流動(dòng)時(shí)，不產(chǎn)生多普勒頻移，所以沒有零點(diǎn)漂移問題；超聲波多普勒流量計(jì)的分辨率高，對(duì)流體的變化響應(yīng)快；其測量條件不變時(shí)測量重復(fù)性好等[5]。

2 超聲波多普勒流量測量原理

超聲波多普勒流量測量原理是對(duì)物理學(xué)上著名的多普勒原理的應(yīng)用。由于波源和觀察者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)的觀測頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象，稱之為多普勒原理[6]。在超聲波多普勒流量測量過程中，超聲探頭[T]發(fā)射一個(gè)頻率為[fT]的超聲波到管道中，管道中的雜質(zhì)顆粒與此超聲探頭之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，此雜質(zhì)顆粒接收到的超聲波變?yōu)閇f]，同理，此雜質(zhì)顆粒作為聲源將接收到的頻率為[f]超聲波發(fā)射出去，超聲波探頭[R]接收到[fR]的超聲波。超聲波多普勒流量測量技術(shù)原理圖如圖1所示。

其中[S]代表管道的橫截面積，[D]代表管道的內(nèi)徑。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)算出流體的流量大小[7]。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波多普勒流量測量原理，本文設(shè)計(jì)了一套多相流的測量流量裝置，包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件模塊設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。

3.1硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主控芯片選用的是美國德州儀器（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[8]。該芯片包含128kB的Flash存儲(chǔ)器、4kB的引導(dǎo)ROM、2kB的OTP ROM、電機(jī)控制外設(shè)、數(shù)學(xué)運(yùn)算表、串口通信外設(shè)和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流體流量[9]。

該超聲波多普勒流量測量系統(tǒng)除主控芯片模塊外還包括波形生成電路、信號(hào)放大電路、探頭驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)接收電路、選頻電路、低噪聲放大電路、解調(diào)電路、C/V電路、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信這幾部分。本文設(shè)計(jì)的超聲波多普勒流量測量技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

超聲波多普勒流量測量系統(tǒng)以DSP為核心，該芯片內(nèi)部自帶一個(gè)具有12位分辨率、流水線結(jié)構(gòu)的ADC模塊，該模塊分為2組，16個(gè)信號(hào)采集通道，方便信號(hào)的采集和處理。

DSP發(fā)出一個(gè)命令使波形生成電路產(chǎn)生一個(gè)正弦波用于信號(hào)發(fā)射，經(jīng)過信號(hào)放大電路將此信號(hào)進(jìn)行一定功率的放大，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)射一個(gè)超聲波進(jìn)入流體管道[10]。根據(jù)多普勒原理，在超聲波傳播過程中由于流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生頻率差。信號(hào)接收電路接收此信號(hào)，選頻電路對(duì)此微弱的信號(hào)先進(jìn)行選頻放大，在經(jīng)過低噪聲放大電路對(duì)此微弱信號(hào)二次放大，提高有用信號(hào)的幅度。被二次放大的有用信號(hào)在進(jìn)入解調(diào)電路，產(chǎn)生的差頻信號(hào)就是用于計(jì)算管道內(nèi)流體流速的多普勒信號(hào)。該多普勒信號(hào)為電流信號(hào)，經(jīng)過C/V電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過TMS320F2812的A/D）進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)流速、流量的計(jì)算以及存儲(chǔ)和傳輸。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分的設(shè)計(jì)決定了軟件設(shè)計(jì)理念，軟件設(shè)計(jì)使得硬件系統(tǒng)能夠有效地工作。本文的軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)DSP芯片進(jìn)行的，采用C語言完成軟件的編寫。本文軟件部分的設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，方便整個(gè)程序及各個(gè)模塊功能的調(diào)試。

根據(jù)超聲波多普勒流量測量原理，流體的流量與超聲波在流體中介質(zhì)所感受到聲波的頻率和波源所發(fā)出的頻率差成正比，只要取得超聲波的頻率差即可算出流速，流量也可以根據(jù)本文給出的超聲波多普勒流量計(jì)量公式計(jì)算出來。此系統(tǒng)流量采集計(jì)算的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

首先對(duì)DSP進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、外部引腳設(shè)置、中斷設(shè)置等，以完成系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換、波形生成、串口通信以及顯示等功能。當(dāng)DSP發(fā)出一個(gè)波形生成命令給硬件電路，硬件電路反饋流體中流量的信息回來經(jīng)過軟件部分的處理、分析，即可計(jì)算出流體的流速。根據(jù)本文給出的流量、流速關(guān)系公式可得到流體的流量情況，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)。

3.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

利用超聲波多普勒法測量管道內(nèi)流體的流量，系統(tǒng)主要有傳感器、測量電路、有流體流動(dòng)的管道循環(huán)裝置、上位機(jī)軟件部分。先將測量系統(tǒng)在室內(nèi)完成測試，為進(jìn)一步完善測量系統(tǒng)以及最終形成成品提供技術(shù)支持[11]。

實(shí)驗(yàn)前，先將石油和水倒入油桶中攪拌，使其充分混合。開泵使整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，觀察流量計(jì)的示數(shù)并記錄，待系統(tǒng)流量穩(wěn)定后用本文提供的流量測量裝置開始測量流體的流量。改變油、水比例，多次試驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。室內(nèi)超聲波多普勒流量測量裝置如圖4所示。

其中1是油桶；里面裝有石油、水，以模擬油井出油時(shí)的流體環(huán)境；2是動(dòng)力機(jī)，為系統(tǒng)循環(huán)提供動(dòng)力；3是流體管道，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是測量電路，發(fā)射正弦波、處理接收回來的信號(hào)；6是流量計(jì)，測量此裝置內(nèi)的流體流量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述超聲波多普勒流量測量裝置圖搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該流量測量系統(tǒng)在螺桿泵的轉(zhuǎn)速為40Hz時(shí)開始數(shù)據(jù)測量，得到如下表所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1所示數(shù)據(jù)是在含水率為38.5%含油率為61.5%時(shí)測得的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：管道內(nèi)的流量很小時(shí)，流量的真實(shí)值為1.138m3/h，利用本文研究的超聲波多普勒流量測量技術(shù)測得的流量值為1.190m3/h，其誤差值較大，為4.56%；當(dāng)流體的真實(shí)流量增大，真實(shí)值為8.031m3/h是時(shí)，利用本文所研究的流量測量技術(shù)測得的值為8.062m3/h，誤差為0.38%。相比較而言，管道內(nèi)流體流量越大，該超聲波多普勒流量測量技術(shù)測得的值越為準(zhǔn)確，誤差越小。

單一油、水比例測得的結(jié)果不能直接說明結(jié)論，因此本文在含油水率61.7%含油率38.3%時(shí)再次實(shí)驗(yàn)得到與表1相同的結(jié)果：油、水比例一定，流體的流量越小，最小為1.032m3/h，誤差越大，為4.32%；流體的流量越大，最大值為8.135m3/h，誤差越小，誤差為0.52%。

本文根據(jù)超聲波多普勒流量測量原理通過對(duì)不同油、水比例下的流量大小的測量得到：隨著管道流速的增加，超聲波多普勒流量測量系統(tǒng)的測量誤差減小。

鑒于試驗(yàn)環(huán)境和測量方法的局限性，本試驗(yàn)研究還將進(jìn)行長期的更深入的現(xiàn)場試驗(yàn)測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅守南.基于超聲多普勒方法的管道流量測量研究[D].北京：清華大學(xué)，2004.

[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] 李定川.流量計(jì)未來發(fā)展方向及應(yīng)用前景[J].智慧工廠，2016，2（1）：45-49.

[4] E.A.Addiego-Guevara，et al.Insurance Value of Intelligent Well Technology against Reservoir Uncertainty [A].SPE 113918，2008.

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

[6] 張培芬，崔曉朵，徐玥，等.基于超聲多普勒的井下多相流量測量控制系統(tǒng)[J].電子測試，2010（11）：6-9.

[7] Ho-Jeen Su，Ali H.Dogru. Modeling of Equalizer Priduction System and Smart_Well Applications in Full-Field Studies [A]. SPE 111288， 2009.

[8] 梁璐.超聲波流量計(jì)的信號(hào)處理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].西安石油大學(xué)，2013.

[9] 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.

[10] 杜泓霖.超聲波流量計(jì)的研究[J].電子制作，2016（21）：18-19.

[11] 黨瑞榮，劉陽，宋汐瑾.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[M].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016（09）：107-109.