超聲波頻差法流量計關鍵技術研究

宋汐瑾，張麗娟

（西安石油大學 教育部光電檢測與測井重點實驗室 陜西 西安 710065）

1 引言

油氣井生產過程中會伴隨有砂粒、水、氣泡等物質產生，井下的溫度、壓力、粘度和導電率等因素也會影響測量精度，因此，從這一因素考慮則應該使用超聲波頻差法流量計[1]。由多普勒原理知：發出的超聲波頻率與觀測者觀察到的超聲波頻率由于存在相對運動而不同。超聲波在此種流體中的傳播路徑會發生改變，產生多普勒效應，當流體靜止時，不產生多普勒頻移，所以沒有零點漂移問題[2]。

2 超聲波探頭工作原理

頻差法超聲波流量計系統設計有兩個探頭，一個用于發射，激勵源提供給探頭一個電振蕩信號，使得探頭的磁場發生變化，機械振動系統產生動力，探頭處于震動狀態[3]。接收探頭與發射探頭相反，發射探頭促使與之接觸的介質也產生機械振動，通過流體的傳播，接收探頭也處于震動狀態，從而接收探頭的磁場發生變化，在探頭的接收端產生一個電信號。

壓電效應就是頻差法超聲波探頭的工作原理。壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。當電介質受到一定方向的外力作用時，會產生極化現象，即：在電介質的兩端出現正負相反的電荷，當失去外力時，此現象消失，電介質兩端無電荷，這種現象稱為正壓電效應[4]，且外力的大小與形成的電荷量成正比，如圖1所示。逆壓電效應與之相反，在電介質的兩端加上電場，電介質發生形變，去掉電場時，形變也同時消失，此為逆壓電效應[4]，如圖2所示。

圖1 正壓電效應

圖2 逆壓電效應

發射探頭形成的機械振動使得接收探頭也處于震動狀態，這就相當于給壓電陶瓷一個壓力，同時探頭就有電荷輸出。電荷大小Q與作用力F之間的關系為

d代表壓電陶瓷的壓力系數。

壓電陶瓷可以看作為一個電容C，則電容U、電壓Q與電荷 之間的關系為

由關系式（1）和（2）得

所以，壓電陶瓷的壓力系數與輸出電壓成正比，壓力系數越大，探頭的靈敏度越高，輸出電壓越大[5]。

3 流量監測模擬系統

3.1 模擬系統結構及工作原理

本文設計了一套用于測試該壓電陶瓷傳感器性能的流量監測模擬系統，如圖3所示。

圖3 流量監測模擬系統

其中1是循環桶；裝有一定比例混合起來的石油和水；2是動力系統，為系統循環提供動力；3是循環管道，流體前進道路；4是超聲波多普勒傳感器，發射和接收超聲信號；5是硬件電路，處理系統中流體的流速信息并顯示；6標準流量計，測量此裝置內的流體流量。

循環系統的動力上電后，流體從油桶中流出，經管道循環通過傳感器和流量計后又流入油桶。裝置中利用壓電陶瓷制作的超聲波流量監測傳感器，安裝在流體管道的兩側，根據多普勒原理測試流體中的數據，分析傳感器的靈敏度和系統的測試精度。

該系統裝置利用多普勒原理來測量管道內的流體的速度，然后再根據流速與管道橫截面積的關系從而得到流體的流量信息。流量的計算公式為[2]

其中D代表管道的內徑，c代表超聲波的波速。因此若得到了管道內徑；超聲探頭T發射的頻率fT；超波聲波進入流體中的方向角θ與多普勒頻差Δf即可計算出流體的流量Q大小[1]。

3.2 信號處理原理

信號處理采用美國德州儀器（TI）公司研發的TMS320F2812芯片，該芯片在C2000系列中性價比高、在工業上應用廣泛[5]。其12位16通道的高性能數模轉換模塊，還可以實現雙通道信號同步采樣功能，并且它32位的高運算精度以及150MIP的系統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[1]。CPU發出命令使探頭驅動電路驅動壓電陶瓷傳感器發射超聲波信號，由多普勒效應可知，接收探頭處接收到的超聲波信號頻率已經發生改變，并由信號接收電路將接收到的信號傳輸給低噪聲放大電路，經解調電路產生差頻信號傳輸給DSP，中央處理器對得到的差頻信號模數轉換，從而得到流體的流速與流量信息。本文設計的超聲波多普勒流量信號處理系統原理框圖如圖4所示。

圖4 流量信號處理系統原理框圖

4 實驗結果與分析

在上述模擬系統環境下調整動力機，將油和水按照一定的比例混合，打開動力循環系統充分攪拌，待系統流量穩定后，將本文提供的超聲波頻差法探頭接入測量裝置中，開始測量流體的流量，觀察并記錄該頻差法流量計的示數和普通流量計的示數。實驗是在常溫常壓下進行的，選用的油為32號礦物機械油，水為自來水，在不同油、水比例下多次試驗得到如下的實驗數據：

表1 40Hz轉速下得到的實驗數據

表1所示數據是在動力機轉速頻率為40Hz，循環系統中流體流量為3.584m3/h，含水率分別為18.6%，32.5%，43.1%時測得的數據。此次試驗中誤差最大為0.53%，誤差最小時為0.03%，在這三種油水比例9次試驗中總共有3次實驗誤差為0.03%，1次0.08%，2次0.14%，1次0.20%，1次0.42%，1次0.53%。誤差平均值為0.1%左右，誤差相對較小。

表2 50Hz轉速下得到的實驗數據

表2所示數據是在動力機轉速頻率為50Hz，循環系統中流體流量為4.415m3/h，含水率分別為18.6%，32.5%，43.1%時測得的數據。此次試驗中誤差最大為0.54%，誤差最小時為0.05%。這9此實驗中有1次0.05%，3次0.07%，1次0.09%，2次0.11%，1次0.36%，1次0.54%。誤差平均值為0.1%左右，誤差相對較小。

結果表明：這六組18次實驗得到的數據與循環系統中流體的真實數據相近，整體誤差在0.1%左右，誤差相對較小。因此該壓電陶瓷探頭可以用作頻差法超聲波流量計的傳感器，在此模擬系統的基礎上可稍加改進應用于油田現場。

[1]張麗娟.超聲波多普勒流量測量技術的研究[J].電腦知識與技術，2017(02)：258-260.

[2]涂曉立，楊道業，陳靜，等.超聲波多普勒流量計的設計[J].儀器儀表與傳感器，2010(3)：41-43.

[3]朱倩倩.油氣井出砂在線監測方法研究[D].西安石油大學，2016.

[4]殷光．超聲波流量測量技術研究[D]．西安：西安石油大學，2012．

[5]高翠云，江朝暉，孫冰.基于TMS320F2812的DSP最小系統設計[M].電氣電子教學學報，2009(01)：83-85.