井下恒功率熱式流量計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(1.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院　湖北　荊州　434023；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司　陜西　西安　710077)

0　引　言

對(duì)于我國(guó)很多低產(chǎn)液油井，目前常用的渦輪流量計(jì)無法很好地在線檢測(cè)這類油井的井下流量[1-3]。熱式流量計(jì)分為恒溫差型和恒功率型兩種。恒溫差熱式流量計(jì)主要用于地面上對(duì)氣體的流量測(cè)量，而對(duì)于井下液相流量測(cè)量的熱式流量計(jì)還未有過[4]。本文進(jìn)行了熱式流量計(jì)測(cè)量井下液相流量的研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種可以應(yīng)用于液相流量測(cè)量的恒功率熱式流量計(jì)。該熱式流量計(jì)在低流量測(cè)量時(shí)具有良好的靈敏度，可作為低產(chǎn)液井在線流量檢測(cè)的一種解決方案的手段。

1　熱式流量計(jì)檢測(cè)原理

熱式流量計(jì)是根據(jù)熱擴(kuò)散原理[5]，通過流體流量與熱源熱量的熱交換關(guān)系來測(cè)量流體流速的流量計(jì)。熱式流量計(jì)測(cè)量裝置由2個(gè)鉑電阻溫度傳感器、加熱器以及測(cè)量電路構(gòu)成。一個(gè)鉑電阻溫度傳感器用于測(cè)量流速變化時(shí)加熱器的溫度，稱為測(cè)速傳感器；另一個(gè)鉑電阻溫度傳感器用于測(cè)量流體環(huán)境溫度，稱為測(cè)溫傳感器。熱式流量計(jì)在測(cè)量時(shí)將測(cè)速傳感器與加熱器封裝在一起且放置在流體下游，測(cè)溫傳感器放置在流體上游且與加熱器相距一定距離。熱式流量計(jì)工作原理圖如圖1所示。

圖1　熱式流量計(jì)工作原理圖

測(cè)量時(shí)，給加熱器接通電源使其加熱。在熱平衡狀態(tài)下，加熱器與流體的對(duì)流換熱關(guān)系為：

P=hAΔT=hπl(wèi)d(Th-Te)

(1)

式中，P為加熱器加熱功率；h為流體對(duì)流換熱系數(shù)；A為加熱器的表面積，對(duì)于圓柱形加熱器，A=πl(wèi)d，其中l(wèi)為加熱器長(zhǎng)度，d為加熱器直徑；Th為加熱器溫度；Te為流體環(huán)境溫度；ΔT為兩者溫度之差。

若給出流體對(duì)流換熱系數(shù)h，就能夠通過式(1)來給出流體的熱平衡關(guān)系。根據(jù)傳熱學(xué)研究引入以下參數(shù)：

(2)

(3)

(4)

式(2)～ 式(4)中，Nμ為努塞爾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；Re為雷諾數(shù)；λf為被測(cè)流體熱導(dǎo)率；η為流體動(dòng)力粘度；Cp為流體定壓比熱容；ρ為流體密度；V為流體流速。

根據(jù)Kramers提出的換熱公式[6]，Nμ可以表示為：

(5)

則聯(lián)立式(2)和式(5)，h可以表示為：

(6)

將式(6)代入式(1)得：

(7)

P=(Ac+BcV0.5)(Th-Te)

(7)

當(dāng)加熱器的尺寸和被測(cè)流體的物性一定時(shí)，Ac和Bc均為常數(shù)。因此，若加熱器加熱功率恒定，只要加熱器結(jié)構(gòu)和被測(cè)流體的物性參數(shù)一定，就可以根據(jù)加熱器與環(huán)境的溫差來檢測(cè)流體的流速。

2　熱式流量計(jì)傳感器設(shè)計(jì)

恒功率法是通過檢測(cè)加熱器與流體環(huán)境的溫差來計(jì)算流體流速的方法，而加熱器與流體環(huán)境的溫差是通過檢測(cè)2個(gè)鉑電阻的阻值來計(jì)算，因此要求鉑電阻對(duì)溫度的變化具有良好的靈敏度。在0 ℃～850 ℃溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系為[7]：

RT=R0(1+AT+BT2)

(8)

式中，T為鉑電阻所檢測(cè)的溫度；RT為鉑電阻在溫度為T的環(huán)境下的電阻值；R0為0 ℃時(shí)鉑電阻阻值；T為的檢測(cè)的鉑電阻溫度；A、B分別為分度常數(shù)，A=3.9×10-3，B=-5.8×10-7。目前常用的鉑電阻有PT20、PT100、PT1000，它們?cè)? ℃時(shí)的阻值分別為20 Ω、100 Ω、1 000 Ω。當(dāng)溫度變化到1 ℃時(shí)，由式(8)計(jì)算PT20、PT100、PT1000的阻值分別約為0.078 Ω、0.39 Ω、3.9 Ω。因此，PT1000不僅在相同溫度條件下的電阻值要遠(yuǎn)大于PT20和PT100，而且對(duì)溫度變化的靈敏感度也遠(yuǎn)大于PT20和PT100?？紤]到測(cè)溫電阻應(yīng)對(duì)流體的溫度影響要小，對(duì)溫度變化的靈敏度要高，因此選擇鉑電阻PT1000作為測(cè)溫傳感器。

當(dāng)測(cè)速鉑電阻Rh和測(cè)溫鉑電阻Re均選用PT1000時(shí)，兩電阻的阻值之差為：

Rh-Re=1 000×[3.9×10-3-5.8×10-7×(Th+Te)](Th-Te)

(9)

井下環(huán)境溫度Te最高為150 ℃，若設(shè)置加熱器溫度Th最高為200 ℃,即(Th+Te)≤350 ℃，則式(9)中括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)5.8×10-7×(Th+Te)可以忽略，兩電阻的阻值之差與兩者的溫差成正比，可近似為：

Rh-Re=1 000×3.9×10-3×(Th-Te)=3.9×(Th-Te)

(10)

因此當(dāng)2個(gè)鉑電阻均選用PT1000時(shí)，就可以根據(jù)檢測(cè)2個(gè)鉑電阻的差值來計(jì)算加熱器和流體環(huán)境的溫差。

為了保證加熱器的功率恒定，避免在加熱器兩端電壓一定時(shí)加熱器的阻值隨著溫度的變化導(dǎo)致加熱功率的變化，加熱器材料電阻的溫度系數(shù)應(yīng)越小越好。實(shí)際選擇0Cr21Al6電阻電熱合金作為電加熱材料。當(dāng)溫度從100 ℃變化到200 ℃時(shí)，0Cr21Al6材料的電阻值僅僅增加了2‰，由此引起的功率的變化忽略不計(jì)。

3　熱式流量計(jì)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

恒功率熱式流量計(jì)檢測(cè)電路總體框圖如圖2所示。測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻將測(cè)得的溫度信號(hào)通過溫差檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為與被測(cè)溫差成正比的電壓信號(hào)U1；由于全水流量最大時(shí)實(shí)際加熱器溫度高于流體溫度，導(dǎo)致全水流量最大時(shí)溫差檢測(cè)電路輸出電壓U1可能不為零，為此設(shè)置了調(diào)零電路，通過調(diào)整外加偏置電壓使測(cè)量全水流量最大時(shí)調(diào)零電路輸出的電壓U2為零；在流量測(cè)量過程中，U2經(jīng)放大電路放大后輸出U3，再經(jīng)低通濾波器濾除信號(hào)中的高頻干擾后送入A/D轉(zhuǎn)換器將其數(shù)字化。

圖2　恒功率熱式流量計(jì)檢測(cè)電路總體框圖

3.1　信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路由溫差檢測(cè)電路和調(diào)零電路構(gòu)成，如圖3所示。

圖3　信號(hào)調(diào)理電路

兩路大小為1 mA的電流源分別送入測(cè)溫鉑電阻Re和測(cè)速鉑電阻Rh，2個(gè)電阻上的電壓分別為Ue(1 mA×Re)和Uh(1 mA×Rh)，分別送到儀表放大器進(jìn)行差分放大，輸出為：

(11)

式中，Rg為儀表放大器增益調(diào)節(jié)電阻。

由于加熱器溫度不會(huì)低于流體環(huán)境溫度，即便在流體為全水且流量最大時(shí)，輸出的差分電壓U1仍大于0。若刻度全水流量達(dá)到最大時(shí)的輸出電壓為零，則應(yīng)對(duì)U1

調(diào)零。放大器A1、反相器A2和D/A轉(zhuǎn)換器(AD5541A)組成了調(diào)零電路。D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓UDA經(jīng)反相器A2后形成負(fù)的調(diào)零電壓在A1的同相端與U1相加，即：

(12)

因此,在全水流量達(dá)到最大值時(shí)，通過改變D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓UDA使其等于U1，則此時(shí)U2=0。

3.2　放大濾波電路

放大濾波電路由放大電路和低通濾波器構(gòu)成，如圖4所示。

圖4　放大濾波電路

設(shè)置放大電路，并選擇數(shù)字可編程增益儀表放大器，主要是考慮很方便地將被檢測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器最佳量程范圍內(nèi)。由于油的熱擴(kuò)散系數(shù)要低于水的熱擴(kuò)散系數(shù)，因此當(dāng)被測(cè)流體為全油，且流量為零時(shí)，加熱器和流體之間的溫差最大，導(dǎo)致溫差檢測(cè)電路輸出電壓U1最大，因此放大器增益調(diào)整的原則是保證將該最大電壓放大到后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器的二分之一滿量程至滿量程的范圍內(nèi)。

設(shè)置低通濾波器，主要是考慮溫差的變化是一種慢變化，為了避免高頻信號(hào)的干擾，防止信號(hào)采樣時(shí)引入折疊噪聲，實(shí)際采用截止頻率為100 Hz的二階巴特沃斯低通濾波器，通帶內(nèi)增益為1，頻率響應(yīng)曲線具有最大平坦度，通帶外按-12 dB每倍頻程衰減。

3.3　A/D轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)檢測(cè)2.5～20 m3/d的流量要求，分析表明對(duì)應(yīng)的放大濾波后有效電壓范圍約為0.001～2 V，信號(hào)動(dòng)態(tài)約66 dB。如要保證對(duì)0.001 V的最小有效電壓有20 dB的量化精度，實(shí)際量化器的動(dòng)態(tài)應(yīng)不低于86 dB。實(shí)際選用AD7988-1，它是一款16位高精度逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)輸出速率為100 kSPS，具有87 dB的信噪比，-114 dB的總諧波失真等交流特性，積分線性誤差最大為±1.25 LSB。當(dāng)參考電壓為+2.5 V時(shí)，其最小量化分辨率為0.000 038 1 V，滿足對(duì)最小信號(hào)0.001 V的采集要求。

4　多相流試驗(yàn)裝置上實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試按照上述設(shè)計(jì)開發(fā)的恒功率熱式流量計(jì)的流量檢測(cè)特性，利用多相流模擬試驗(yàn)裝置分別在純水和純油的不同流量環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同流量下恒功率熱式流量計(jì)輸出電壓值

由圖5，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)由于恒功率熱式流量計(jì)測(cè)量的溫差與流體流速的平方根成反比，因此對(duì)于低流量測(cè)量具有良好的靈敏度。

2)隨著流量的增大，流體帶走加熱器的熱量增多，加熱器和流體的溫差逐漸減小，導(dǎo)致熱式流量計(jì)輸出電壓值單調(diào)減小。

3)由于水與油物性參數(shù)的差異，水的熱擴(kuò)散系數(shù)大于油的熱擴(kuò)散系數(shù)，因此在相同流量下水帶走加熱器熱量要多，導(dǎo)致流體為水的溫差比流體為油的溫差要小，因此測(cè)量介質(zhì)為全水時(shí)輸出的電壓值比測(cè)量介質(zhì)為全油時(shí)輸出的電壓值要小。

5　結(jié)束語

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可以應(yīng)用于液相流量測(cè)量的恒功率熱式流量計(jì)。通過試驗(yàn)研究，恒功率熱式流量計(jì)對(duì)于液相低流量測(cè)量具有良好的靈敏度，輸出電壓值隨著流量的增大而減小。恒功率熱式流量計(jì)適用于低產(chǎn)液井井下在線流量檢測(cè)。

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