一種原油超聲波相關(guān)流量計(jì)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)油田單井計(jì)量的困局，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種單井原油流量測(cè)量?jī)x器。氣液分離預(yù)處理環(huán)節(jié)解決氣液分離和油液滿管通過計(jì)量油管，由兩對(duì)超聲波傳感器構(gòu)成的檢測(cè)環(huán)節(jié)解決非接觸測(cè)量，而由超聲波接收換能器和DSP構(gòu)成的信號(hào)處理環(huán)節(jié)解決快速在線計(jì)量，在軟件上運(yùn)用基于超聲波傳感器的相關(guān)算法解決測(cè)量精度?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該流量計(jì)的計(jì)量誤差很小。其特點(diǎn)在于從硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面較好地解決了原油非接觸在線計(jì)量。
關(guān)鍵詞：超聲波；相關(guān)流量計(jì)；預(yù)處理；檢測(cè)；DSP

0 引言
    目前，在油田原油開采中面臨的一個(gè)困難問題就是對(duì)開采的原油進(jìn)行在線計(jì)量。主要原因是原油的成分非常復(fù)雜，原油中含油、水、氣和其他雜質(zhì)，屬于多相復(fù)雜的流體，而且單井原油又是間歇流動(dòng)，因此一般的流量計(jì)是無法滿足的。本文設(shè)計(jì)了基于超聲波相關(guān)流量計(jì)算的計(jì)量系統(tǒng)，較好地解決了原油非接觸在線計(jì)量問題。

1 超聲波相關(guān)流量計(jì)原理
    相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流體流量。測(cè)量精度與流體中的聲速無關(guān)，測(cè)量精度高，適用于多相流，干擾大的流體的測(cè)量。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如果含有其他雜質(zhì)，其內(nèi)部就存在著各種各樣的隨機(jī)擾動(dòng)，從而產(chǎn)生了與流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)信號(hào)，并具有一定的統(tǒng)計(jì)特性。相關(guān)法流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。A，A’和B，B’是兩組超聲波發(fā)射和接收換能器，L為上游換能器和下游換能器之間的距離。當(dāng)超聲波信號(hào)穿過管道時(shí)，超聲波信號(hào)會(huì)受到流體中噪聲的調(diào)制，調(diào)制后的超聲波信號(hào)中就包含了流體速度場(chǎng)的信息，對(duì)此超聲波信號(hào)進(jìn)行分析，提取與流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)信號(hào)A(t)和B(t)，且將A(t)和B(t)作相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)函數(shù)RAB(τ)：
   
    該函數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移為τ，就是流體從上游換能器傳遞到下游換能器的時(shí)間，即該系統(tǒng)中的傳遞時(shí)間(也稱渡越時(shí)間)。流速的計(jì)算公式為：
   
    根據(jù)流速，進(jìn)而求得流量：
   
    式中：D為管道的直徑。

2 單井原油超聲波相關(guān)流量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，單井流量測(cè)量系統(tǒng)主要由氣液分離預(yù)處理，超聲波檢測(cè)，信號(hào)處理三部分構(gòu)成。下面分別對(duì)這三部分進(jìn)行分析。

2．1 氣液分離預(yù)處理部分
    預(yù)處理部分其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)處理部分的功能一是進(jìn)行液氣分離(抽油機(jī)抽出的原油中除了油液混合外，還含有氣體和其他雜質(zhì)，氣體對(duì)油液測(cè)量會(huì)帶來較大的誤差，所以在對(duì)油液測(cè)量時(shí)必須進(jìn)行氣液分離)；二是解決間歇流動(dòng)時(shí)的滿管測(cè)量(抽油機(jī)工作時(shí)每次抽出的原油不等，而且是間歇流動(dòng)，這樣造成管道中油液可能不是滿管，也會(huì)帶來很大的測(cè)量誤差)?；谶@些原因在對(duì)油液測(cè)量前要進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后實(shí)現(xiàn)氣液分離和油液滿管通過計(jì)量油管，減小計(jì)量誤差。工作原理是：原油從進(jìn)油口經(jīng)沉沙罐后進(jìn)入儲(chǔ)油罐，在儲(chǔ)油罐里進(jìn)行油氣分離，分離的氣體從儲(chǔ)油罐上閥門(出氣閥)經(jīng)氣管道輸出，當(dāng)儲(chǔ)油罐中的油液達(dá)到一定高度時(shí)，浮球上浮打開下閥門(出油閥)，同時(shí)上閥門封堵氣口，建立壓力，儲(chǔ)油罐中的油在壓力的作用下，通過測(cè)量管道流向出油口，當(dāng)儲(chǔ)油罐中的油液下降到一定的液位時(shí)，浮球下沉封堵下閥門，打開上閥門，這樣重復(fù)工作完成氣液分離。
2．2 超聲波檢測(cè)部分
    檢測(cè)部分主要是由兩對(duì)超聲波傳感器構(gòu)成。超聲波傳感器的檢測(cè)是通過超聲波的發(fā)射和接收能量來完成的，核心是換能器(將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，可逆換能器是指以相等的效率對(duì)兩種形式的能量做相互轉(zhuǎn)換的換能器)。常見的換能器有壓電晶體振子、磁致伸縮振子等。用于相關(guān)流量測(cè)量的超聲波一般有正弦波與脈沖波兩種形式。脈沖超聲波和正弦波的相關(guān)流量計(jì)都是對(duì)流場(chǎng)橫截面的速度信息進(jìn)行積分而得到流速的。本設(shè)計(jì)采用壓電晶體超聲波傳感器，中心頻率為200 kHz。為了克服駐波影響，超聲波采用鎖相環(huán)脈沖信號(hào)發(fā)生器。
2．3 信號(hào)處理部分
    信號(hào)處理部分主要由超聲波接收換能器和DSP構(gòu)成。
    信號(hào)調(diào)理電路由接收換能器、三級(jí)放大電路、濾波電路和包絡(luò)檢波電路組成。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構(gòu)成，二級(jí)放大器和末級(jí)放大器由INA128精密低功耗儀表用放大器構(gòu)成；濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構(gòu)成的一個(gè)帶通濾波器，中心頻率為200 kHz，由TL14構(gòu)成低通濾波器，主要取出檢波后的信號(hào)，包絡(luò)檢波電路由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波器。
    另一部分是由DSP模塊組成的數(shù)據(jù)采集處理電路。該電路選用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前過程控制領(lǐng)域中，它是最先進(jìn)的DSP微處理器，與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，它具有功能強(qiáng)、資源豐富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并綜合最佳的外設(shè)接口，它集成了閃存、高速A／D轉(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等。
    測(cè)量時(shí)，上、下游發(fā)射換能器發(fā)射出高頻超聲波，超聲波在流體中傳播時(shí)，流動(dòng)信號(hào)對(duì)超聲波會(huì)產(chǎn)生幅值、相位和頻率調(diào)制，接收換能器接收的高頻調(diào)制信號(hào)，經(jīng)濾波和放大后進(jìn)行解調(diào)，獲得流動(dòng)信號(hào)，送至A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的信息送至DSP進(jìn)行相關(guān)處理，獲得流體的流量。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)包括DSP初始化、計(jì)算模塊、流量顯示、中斷處理模塊等部分。
    主程序流程圖如圖3所示，主程序完成初始化后，進(jìn)入一個(gè)循環(huán)程序，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨時(shí)響應(yīng)外部A／D中斷請(qǐng)求、串口通信中斷請(qǐng)求和定時(shí)器中斷請(qǐng)求，同時(shí)還要隨時(shí)判斷流量顯示定時(shí)是否到達(dá)。主程序響應(yīng)以上各中斷請(qǐng)求并調(diào)用各個(gè)相應(yīng)的處理程序，完成數(shù)據(jù)的采集和處理。

    初始化一方面是設(shè)置DSP的工作環(huán)境，另一方面是為后面的信號(hào)處理做準(zhǔn)備。系統(tǒng)初始化程序包括影響DSP芯片CPU運(yùn)行的內(nèi)部初始化和影響各個(gè)外設(shè)工作的外設(shè)初始化，以及外圍可編程器件(如A／D，D／A等)的初始化等幾個(gè)方面，具體地說包括以下功能：設(shè)置時(shí)鐘發(fā)生器，設(shè)置定時(shí)器，初始化各狀態(tài)寄存器，開中斷等。
    中斷處理模塊包括三個(gè)中斷：定時(shí)器中斷處理模塊用于啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器和控制采樣頻率，串行通信中斷處理模塊用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，A／D中斷處理模塊用于讀取A／D轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù)，其流程圖如圖4所示。
    顯示模塊定時(shí)刷新儀表，顯示瞬時(shí)流量值和累積流量值。
    系統(tǒng)處理過程為：設(shè)定定時(shí)周期，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，此中斷啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A／D轉(zhuǎn)換器向DSP請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)中斷，DSP響應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器中斷請(qǐng)求，調(diào)用A／D中斷處理模塊，讀取采樣數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于流體是間歇流動(dòng)，所以DSP接收到上、下游信號(hào)的N點(diǎn)數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，判斷流體是否流動(dòng)，如流動(dòng)則調(diào)用計(jì)算程序，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，尋找相關(guān)函數(shù)的峰值，確定渡越時(shí)間T，并根據(jù)儀表參數(shù)、溫度補(bǔ)償，獲得瞬時(shí)流量值和累積流量值，并將結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，供顯示儀表顯示。
    在相關(guān)流量測(cè)量中，關(guān)鍵問題之一是相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法，要求能高速、準(zhǔn)確地完成對(duì)大量的隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的采集、相關(guān)積分運(yùn)算和相關(guān)函數(shù)的峰值搜索。相關(guān)函數(shù)的算法主要有極性重合法和零點(diǎn)穿越法兩種。為了提高運(yùn)算速度，本系統(tǒng)采用頻域中的相關(guān)運(yùn)算。輸入的數(shù)據(jù)通過FFT變換后，即可求出頻域中的相關(guān)運(yùn)算。然后通過IFFT可得到時(shí)域中的相關(guān)結(jié)果，可以用來進(jìn)行峰值搜索。其流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語
    在分析油田單井工況和相關(guān)流量測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種適合單井原油計(jì)量的裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得了較好的效果，其誤差小于2％。但還存在以下幾個(gè)問題：一是信號(hào)的起伏較大，主要是原油中含氣，含雜質(zhì)不定，所以造成了信號(hào)差別大，需要檢測(cè)電路增加AGC電路。二是修正系數(shù)的整定困難，不同的井含水量不同，油液的粘度差別很大，同時(shí)在不同的溫度下，油液的流動(dòng)性差別也很大，所以要在不同的環(huán)境下多次調(diào)整修正系數(shù)，給使用帶來不便。三是在流速較低時(shí)誤差比較大。這些都是今后研究中要加以改進(jìn)的方面。