基于USB的油氣水三相流流動參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計

胡 實 ，韓連福 ，趙 鳴 ，張自成 ，王延軍 ，劉興斌 ，

（1.東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江大慶1634533）

油氣水三相流流動過程中，各相態(tài)之間存在界面效應(yīng)和相對速度，且組分分布在時間和空間上是隨機(jī)變化的，使其流動特性和特征參數(shù)遠(yuǎn)比單相流動復(fù)雜的多。氣體的可壓縮性導(dǎo)致油氣水三相間存在可變形的界面且相分布狀況不均勻，致使三相流在物理特性和數(shù)學(xué)描述上也要比單相流復(fù)雜的多[1-2]。故需采集油氣水三相流流動參數(shù)為測井工程提供可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以串口為傳輸通道，但筆記本無串口，串口轉(zhuǎn)USB不穩(wěn)定，工業(yè)現(xiàn)場需要靈活方便的USB通信方式，故設(shè)計基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。LabVIEW軟件具有數(shù)據(jù)處理方便、接口設(shè)計簡單，便于編程調(diào)試等優(yōu)勢，有利于研究領(lǐng)域開發(fā)[4]。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 硬件系統(tǒng)框架

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)制電路、數(shù)據(jù)采集卡和USB接口這4大模塊組成。傳感器將表征油氣水三相流流動參數(shù)的物理量轉(zhuǎn)換成電信號，信號電路負(fù)責(zé)將電信號調(diào)理至適合數(shù)據(jù)卡，數(shù)據(jù)采集卡采集電信號并通過USB傳輸至上位機(jī)。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

1.2 數(shù)據(jù)采集卡與傳感器選擇

系統(tǒng)需4個物理通道，其中3個模擬通道，1個數(shù)字通道，并需為擴(kuò)展采集系統(tǒng)功能做3通道冗余，故設(shè)計需7路通道。單采樣頻率高于200 Ks/s且要求體積小、易攜帶。NI公司6210采集卡由USB總線供電，內(nèi)部包含多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入；250 Ks/s單通道采樣率；4路數(shù)字輸入線；4路數(shù)字輸出線；數(shù)字觸發(fā)；2個計數(shù)器/定時器。滿足需求，故采用該采集卡。

由于采集卡可接受不同的輸入信號，如電流、電壓和頻率等[5-6]。但為了減少工業(yè)設(shè)計的復(fù)雜性，所以在傳感器選擇上盡可能選擇輸出方式相同，連接簡易方便，抗干擾能力強(qiáng)的傳感器。經(jīng)過選擇此次設(shè)計使用輸出為電流，輸出范圍為（4～20 mA）的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)傳感器，溫度傳感器型號：西安新敏電子SBYW；壓力傳感器型號：西安新敏電子CYB13；流速和光纖傳感器自制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程方式[7-8]，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。LabVIEW提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。系統(tǒng)需要采集溫度、壓強(qiáng)、光纖折射率和相態(tài)4個物理量[9-11]。根據(jù)需求，需要4個物理通道其中3個模擬通道，1個數(shù)字通道。

如圖2，首先根據(jù)DAQ物理通道創(chuàng)建虛擬通道和DAQ任務(wù)，得到該任務(wù)的Handle；設(shè)置采樣模式、采樣點和采樣頻率；設(shè)置觸發(fā)方式；寫入或讀取DAQ設(shè)備；清除任務(wù)釋放DAQ資源。

圖2 DAQ程序設(shè)計步驟

將DAQ程序封裝成子Vi，設(shè)計美化前后面板，優(yōu)化后的后面板如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)后面板程序圖

3 實 驗

3.1 采集系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)驗證目的是在真實系統(tǒng)工作環(huán)境下通過與系統(tǒng)的需求定義作比較[12]，檢驗完整的軟件配置項能否和系統(tǒng)正確連接，發(fā)現(xiàn)軟件與系統(tǒng)/子系統(tǒng)設(shè)計文檔和系統(tǒng)設(shè)計要求不符合或與之矛盾的地方。是為了發(fā)現(xiàn)缺陷并度量系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量，按照系統(tǒng)的功能和性能需求進(jìn)行的驗證。系統(tǒng)驗證是度量系統(tǒng)功能和質(zhì)量的重要手段之一[13]，也是系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分。

系統(tǒng)需驗證的主要參數(shù):波形、幅度、頻率、占空比以及失真性。為減少隨機(jī)誤差驗證采用3種波形；正弦波、方波、三角波。驗證系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 驗證系統(tǒng)

波形參數(shù)：正弦波：幅度4 V、占空比50%。方波：幅度6 V、占空比50%。三角波：幅度6 V、占空比50%。正弦波、方波和三角波驗證結(jié)果分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 正弦波采集結(jié)果

圖6 方波采集結(jié)果

由圖5、圖6和圖7可知，3種波形失真性均極小，與原波形基本一致。如圖6所示，正弦波峰值、頻率和占空比分別為4 V、50%和25 Hz，與原正弦波參數(shù)一致；如圖8所示，三角波峰值、頻率和占空比分別為4 V、50%和25 Hz，與原三角波參數(shù)一致；如圖7，方波峰值、頻率和占空比分別為5 V、50%和25 Hz，與原方波參數(shù)相比存在微小失真，在高低電平轉(zhuǎn)換時沒有瞬時完成，如圖8所示。

圖7 方波采集結(jié)果

圖8 高低電平轉(zhuǎn)換失真圖

由圖8分析高低電平轉(zhuǎn)換時脈沖上升時間0.002 s，對其采集系統(tǒng)來說只產(chǎn)生0.932%的誤差[14]，該誤差對于系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)最大允許誤差3.000%來說可以忽略不計。本次實驗驗證主要得到以下兩點結(jié)論：

1）通過實驗數(shù)據(jù)分析可知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的波形和占空比與原參數(shù)相同，證明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可準(zhǔn)確完成多線程采集任務(wù)。也驗證了系統(tǒng)通訊方式的準(zhǔn)確、高速和穩(wěn)定。

2）經(jīng)數(shù)據(jù)計算分析可知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最大誤差0.932%小于系統(tǒng)最大允許誤差3.000%，證明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可完成高精度采集任務(wù)。

3.2 油氣水采集實驗

實驗使用的混合三相流流量參數(shù)為：油10 m3/d、氣10 m3/d、水20 m3/d。由于測試現(xiàn)場電壓干擾性很強(qiáng)，為增強(qiáng)抗干擾性使用V/F轉(zhuǎn)換電路將表示三相流參數(shù)的電壓轉(zhuǎn)換為頻率信號，實驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖9所示。

為驗證采集系統(tǒng)的精度、重復(fù)性否能夠達(dá)到設(shè)計要求，實驗還采集溫度、壓強(qiáng)、頻率參數(shù)的實際測量數(shù)據(jù)，將實測數(shù)據(jù)與理論值作對比[15]，對比結(jié)果如圖10和表1所示。

圖9 實驗采集數(shù)據(jù)圖

圖10 數(shù)據(jù)對比結(jié)果圖

表1 數(shù)據(jù)分析對比表

由圖11可知實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，由表1可知最大相對誤差僅為1.151%，故系統(tǒng)精度高。

為驗證系統(tǒng)重復(fù)性[16]，在實驗條件不變的情況下，選取3個時間點，在每個時間點下做實驗15次，采集結(jié)果如圖11，重復(fù)性一般采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD表示，其值應(yīng)小于10%，經(jīng)公式（1）計算重復(fù)性如表2所示。

圖11 第一時間點采集數(shù)據(jù)

表2 重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)分析表

由圖11可知數(shù)據(jù)離散程度較低，由表2可知3次試驗結(jié)果最大相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.111%，遠(yuǎn)小于10%，故系統(tǒng)重復(fù)性好。

4 結(jié) 論

為方便現(xiàn)場測試，設(shè)計了基于USB的油氣水三相流流動參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)驗證和油氣水三相流流動參數(shù)采集實驗，得到如下結(jié)論：

1）系統(tǒng)驗證表明：本系統(tǒng)采集波形與原波形基本一致、失真性小，系統(tǒng)最大誤差0.932%，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可完成高精度采集任務(wù)。

2）油氣水實驗表明：實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，可最大相對誤差僅為1.151%，系統(tǒng)精度高，數(shù)據(jù)離散程度較低，最大相對標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.111%，系統(tǒng)重復(fù)性好。

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