分層采油流量測(cè)量的一種超聲波發(fā)射接收電路

黨瑞榮，王羅娜，顧雨晴

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065）

近二十年來(lái)，中國(guó)石油工業(yè)取得了顯著的發(fā)展成果，石化經(jīng)濟(jì)總量居世界第二位。石油行業(yè)迅速發(fā)展，并為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)，然而石油行業(yè)發(fā)展方式依然較粗放，發(fā)展質(zhì)量較國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍有很大差距。所以國(guó)內(nèi)的大部分油田都需要多種精確的測(cè)量手段來(lái)提升石油行業(yè)發(fā)展的精細(xì)程度，在油氣田分層開(kāi)采這項(xiàng)工藝中，為了提高產(chǎn)量和采收率，提出了適合油氣田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的超聲流量測(cè)量法，流量測(cè)量是對(duì)各生產(chǎn)層產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，也是調(diào)節(jié)效果的重要依據(jù)，對(duì)產(chǎn)出液的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，基于這種工業(yè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)差法的收發(fā)一體電路。

1 超聲時(shí)差法測(cè)量原理

圖1 時(shí)差法換能器安裝

根據(jù)檢測(cè)原理的不同，超聲波流量測(cè)量方法可分為多種測(cè)量方法，如時(shí)差法，多普勒法和互相關(guān)法。超聲波時(shí)差法是一種常用于工業(yè)應(yīng)用的超聲波流量測(cè)量方法。超聲時(shí)差法是基于下游流動(dòng)的超聲信號(hào)的時(shí)間差來(lái)獲得流體速度。超聲波時(shí)差法換能器的安裝（見(jiàn)圖1）。此外，在本文的研究中超聲波換能器為接觸式安裝，所以不考慮管道表面反射和折射的問(wèn)題。

傳感器A、傳感器B 分時(shí)接收和發(fā)射超聲波信息。超聲波順流和逆流通過(guò)流體的時(shí)間，超聲波信號(hào)沿流體正流速方向傳播所用的時(shí)間：

超聲波信號(hào)沿流體負(fù)流速方向傳播所用的時(shí)間：

式中：d-管道內(nèi)徑；c-超聲波在特定混合流體中的聲速，需要分情況具體討論；v-管道中流體的流速；θ-傳感器進(jìn)入流體的角度；τ-除流體以外的超聲波傳播時(shí)間和其他延遲時(shí)間之和。

超聲波逆順流傳播的時(shí)間差：

由于c 的值遠(yuǎn)大于v，所以此式可化簡(jiǎn)為：

進(jìn)而得出流體流速的公式：

2 換能器收發(fā)一體電路研究

超聲波換能器（即超聲波傳感器）其收發(fā)電路在超聲波時(shí)差流量測(cè)量電路中起著重要作用。電路的這一部分決定了整個(gè)系統(tǒng)電路可以實(shí)現(xiàn)的測(cè)試性能和測(cè)量精度。選擇傳感器時(shí)，還要確定其性能參數(shù)，包括阻抗，等效電容和機(jī)械共振頻率。本文提到的超聲換能器是壓電超聲換能器，它對(duì)壓電晶體的正負(fù)電壓起作用，壓電晶體振蕩產(chǎn)生超聲波。當(dāng)一定頻率的電信號(hào)施加到兩個(gè)極點(diǎn)，并且所施加的頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶體將振蕩。并且產(chǎn)生共振板的振動(dòng)以產(chǎn)生超聲波，并且此時(shí)它是超聲波發(fā)生器[1]。相反，當(dāng)壓電晶體的兩個(gè)電極之間沒(méi)有施加電壓時(shí)，諧振板接收超聲信號(hào)，并且諧振板按壓壓電晶片以將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此時(shí)它就成為超聲波接收器了[2]。本文研究了一種使信號(hào)傳輸傳感器發(fā)出的信號(hào)更好的電路。脈沖信號(hào)，方波信號(hào)和正弦波信號(hào)基于超聲波檢測(cè)應(yīng)用的場(chǎng)景確定使用哪種類型的發(fā)送信號(hào)。本文討論了超聲波時(shí)差法流量測(cè)量收發(fā)電路，選擇脈沖信號(hào)，并通過(guò)時(shí)間差來(lái)計(jì)算流體流量。

因?yàn)橐m應(yīng)井下的高溫高壓環(huán)境，在本設(shè)計(jì)中換能器采用自制的換能器，自制的換能器核心為壓電晶體片，其阻值，共振頻率等參數(shù)都是可以選擇的，外殼采用特制的金屬外殼，聲阻抗較低，且耐高溫高壓，本文設(shè)計(jì)的傳感器收發(fā)集成電路（見(jiàn)圖2）。

圖2 收發(fā)一體電路

圖3 測(cè)試電路的收發(fā)信號(hào)

本電路設(shè)計(jì)中采用LC 串聯(lián)諧振電路來(lái)提升換能器上的發(fā)射電壓，串聯(lián)諧振中的電感部分即為變壓中周的次級(jí)線圈，串聯(lián)諧振的電容部分即為傳感器的電容特性，調(diào)整電感和電容的參數(shù)使這個(gè)電路在超聲波的發(fā)射頻率下進(jìn)行串聯(lián)諧振，使從中周初級(jí)傳過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)達(dá)到50 V 以上，并且由于不用進(jìn)行電壓放大或功率放大，此電路的電源可以只使用5 V 的輸入，極大的節(jié)省了整塊電路的能耗。其中的MOS 管柵極輸入的脈沖信號(hào)本身一般只有3 V 左右，這個(gè)脈沖信號(hào)起開(kāi)關(guān)的作用，變壓中周的初級(jí)次級(jí)線圈匝數(shù)比為1：10，但因?yàn)榉抢硐肭闆r，只可將幅度為VCC 的脈沖放大5～7 倍，又經(jīng)過(guò)LC 串聯(lián)諧振，將脈沖幅度進(jìn)一步放大，而這么高的電壓無(wú)法直接接到后端的處理電路上，在此電路中又加入了一個(gè)二極管隔離電路，此部分電路的作用是將加到傳感器上的較高的電壓，限定在VCC和0 V 以內(nèi)，保護(hù)后端信號(hào)處理電路，此電路中的R2和R3 一般選阻值相等的電阻，避免信號(hào)中加入直流分量。當(dāng)此電路當(dāng)做接收電路使用時(shí)，信號(hào)通過(guò)二極管橋，直接進(jìn)入后端電路。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室中，構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的超聲波收發(fā)器來(lái)測(cè)試該電路的性能。然后使用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件模擬分層油回收站處的流量測(cè)量裝置，并將設(shè)計(jì)的回路添加到測(cè)試中并進(jìn)行測(cè)試。電路設(shè)計(jì)完成后，使用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件：示波器，信號(hào)源，直流電源和自制的超聲波換能器探頭通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)試裝置組裝而成。直流電源為電路供電。用示波器觀察接收板接收到的信號(hào)。觀察的結(jié)果（見(jiàn)圖3）。藍(lán)色脈沖信號(hào)是由信號(hào)源提供給發(fā)送板的輸入信號(hào)，紫色信號(hào)的后半部分是從接收板接收的信號(hào)。因?yàn)閮蓚€(gè)換能器之間有一定距離，所以有一定的延時(shí)，黃色的信號(hào)是經(jīng)過(guò)后端處理電路處理后得到的信號(hào)。

4 總結(jié)

本文依據(jù)脈沖信號(hào)下超聲波時(shí)差法的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)出了一種基于自制換能器的超聲波收發(fā)一體電路，并對(duì)其進(jìn)行了調(diào)試和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了利用脈沖信號(hào)下的超聲波時(shí)差法測(cè)量流量的原理進(jìn)行井下分層采油流量測(cè)量的功能。該電路測(cè)試結(jié)果比較穩(wěn)定，達(dá)到了一定的測(cè)量精度。