多相流量計自動檢測系統的設計和應用分析

吳生杰 解安偉

青海北捷新材料科技有限公司，青海西寧 810021

在石油開采行業，對輸油管道中的油、水、氣多相流的檢測，是能監控油田開采量和計算出油量的方法。傳統的監測計量方式為將油、水、氣多相流進行分離再逐一計量，其缺點是儀器設備多、監測計量復雜、精確度低、造價昂貴。隨著科學技術的快速發展，多相流量計因無須將油、水、氣預分離，在線實時檢測計量、計量精確度高、可靠性強等優點，多相流量計得到廣泛應用與推廣。本文以輸油管道中的油、水、氣多相流為設計對象，采用壓差傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等傳感檢測元件，監測與測量多相流的參數數據來反映被測多相流的流動特征，并運用數字模擬信號處理、信號通信技術對測量的參數數據進行傳輸、處理，實現對多相流的自動檢測功能。

1 多相流量計自動檢測系統整體設計

多相流量計自動檢測系統采用模塊化設計思路，既滿足系統可擴展性，又保證系統模塊可更新換代。其硬件有上位機、模塊化的傳感器部分、通訊總線。其中模塊化的傳感器部分可有溫度檢測模塊、壓力檢測模塊、超聲波檢測模塊等，模塊間、模塊與上位機間的通訊采用CAN總線連接，CAN模塊完成CAN總線上的數據和RS-232串行數據之間的轉換，實現數據上傳與下達；各傳感器檢測模塊以單片機為主，分別配有各類傳感器如：電導含水傳感器、超聲波傳感器、流體溫度傳感器、環境溫度傳感器、流體壓力傳感器等，以及與CAN總線通訊的CAN接口電路，來實現測量油、氣、水多相流溫度和壓力、流體的平均流速等功能。其系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統框架圖

其自動檢測流程為：但系統的電自檢后，上位機發出參數檢測指令，各傳感器檢測模塊接受指令再自檢狀態，并在上位機顯示傳感器檢測模塊的狀態情況。上位機通過通信中學定時從各傳感器檢測模塊讀取各檢測參數數據，計算處理、存儲顯示，可得溫度、壓力、流速、瞬時流量和累計流量等多相流參數，用戶可在上位機操作界面讀取各類參數，也可修改控制。但在系統出現故障或異常數據時，可及時報警并將故障事件存檔。

2 多相流量計的傳感器檢測模塊設計

多相流量計的傳感器檢測模塊部分可有溫度檢測模塊、壓力檢測模塊、超聲波檢測模塊等，其各檢測模塊設計是設計核心重點。

2.1 超聲波檢測模塊硬件設計

多相流體的含水率、含氣率和含油率可通過超聲波檢測模塊測量出來。其原理是激勵超聲波發射器，發射固定頻率的超聲波，穿過被測多相流體或裝有多相流體的管道介質，超聲波有能量損耗，超聲波接收器接收和輸出對應的信號到計算控制單位，計算超聲波前后的能量損失，并結合多相流體的測截面含水率，求解方程組從而求得含油率和含氣率，同時利用溫度傳感器檢測模塊和壓力傳感器模塊測量的多相流體的溫度和壓力修正含水率、含氣率和含油率的數值。硬件包括C8051F041單片機、超聲波發射電路、超聲波發射轉換器、接收器及接收電路等元件組成，其中超聲波發射換能器需要發射電路驅動、產生固定脈沖寬度和固定頻率的超聲波脈沖穿透被測多相流體。而超聲波接收器需配合接收電路，將超聲波信號進行濾波、放大、半波整流電路處理，得到滿足要求的脈沖信號，最后送入單片機進行數據處理，提取出所要測量的參數。如圖2所示。

圖2 超聲波檢測模塊原理圖

2.2 溫度和壓力檢測模塊硬件設計

多相流體的溫度和壓力數據采樣和測量計算是通過溫度和壓力傳感器檢測模塊進行的。其傳感器選擇Pt100溫度傳感器和CERAMET壓阻式壓力傳感器，數據處理以C8051F041單片機為核心，再通過通信總線向溫度和壓力傳感器檢測模塊發送檢測指令，接收請求數據命令或修改儀表參數命令并做出相應信號測量和數據傳輸。其中Pt100溫度傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數關系的特性來進行測溫，當溫度范圍在-40～80℃時，溫度/阻值對應關系可簡化為，t為溫度，R0為(0℃時的電阻值。CERAMET壓阻式壓力傳感器的優勢是堅固的陶瓷結構、卓越的抗腐蝕和抗磨損能力、抗沖擊和振動、寬的工作溫度范圍；高精度以及高穩定性。

2.3 電導檢測模塊硬件設計

多相流體的含水率和流速采樣與測量是通過電導檢測模塊進行的。其采樣測量原理為：多電極電導傳感器的測量電極2、5是測量多相流體的截面含水率，再與測量電極2、3測量預處理信號和測量電極4、5測量預處理信號進行比對，得出表征流體流速的互相關信號x(t)和y(t)關系，進行相關處理后得到多相流的流速，再利用溫度和壓力檢測模塊傳送的多相流體溫度和壓力建立修正模型進行數據初步修正，最后，通過網絡總線與上位機進行數據通信，結合其他被測量參數和參數間的關聯性，計算并修正被測多相流體的流速、瞬時體積流量和累計流量等參數。其硬件組成為電源模塊、恒流源激勵電路、C8051F041單片機、含水率信號預處理電路、相關測速信號預處理電路等，如圖3所示。

圖3 電導檢測模塊原理圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括：上位機軟件設計、傳感器檢測模塊部分可有溫度檢測模塊、壓力檢測模塊、超聲波檢測模塊等單片機軟件設計及CAN總線通訊軟件設計。本文簡述上位機通過CAN總線獲取超聲波檢測模塊、電導檢測模塊以及溫度和壓力檢測模塊等傳感器檢測模塊的測量值，通過數據處理和計算與修正得到流體流速、各相含率、瞬時流量和累計流量等，并通過采集的溫度和壓力以及油、氣、水多相流的其他相關參數，建立PVT模型，對計算值進行修正和轉換，減少測量誤差，從而獲取多相流體的油、氣、水各相的體積流量。

4 結語

該設計以高含水率油、氣、水多相流的流量測量為研究內容，針對多相流體的流動特性和測量參數多樣，提出了一種基于溫度和壓力、超聲波、電導等多傳感器的檢測方案。該多相流量計自動檢測系統具有非侵入式、無放射性、無可動部件和低成本等優點。在實際應用中，其應用價值高，實用性好，可值得借鑒并推廣。