超声多普勒流量模拟器研究

2011-03-16贾伟王小敏

电子测试 2011年11期

贾伟，王小敏

(1 西安航天恒星科技实业（集团）公司西安 710061；2 陕西陕煤韩城矿业有限公司下峪口煤矿通讯信息部韩城 715405)

0 引言

随着数字油田的不断发展,多普勒流量计在流量测量中扮演着越来越重要的角色，对高性能多普勒流量计的研制和性能评价提出了更加迫切的需求[1]。作者在多年的研究与应用中发现,现有的超声波多普勒流量测量装置在现场应用中,会出现许多实验室难以发现的问题,其主要原因是油田现场的环境非常复杂,测量信号中包括了各种振动噪声和电磁干扰,从而使得实验调试好的流量计在现场无法工作。但在现场进行调试不仅周期长,费时费力,而且有关的调试和检测手段也不够完善。在这种情况下,本文研制了一种超声波多普勒流量测量模拟器，其目的是模拟复杂的现场环境，以考核超声波多普勒流量计对复杂环境的适应能力，并考核其性能指标。

多普勒流量测量模拟器可模拟的信号包括不同流速产生的超声波信号、各种电动机和管道振动引起的噪声。模拟系统中设有计算机软件和相关的硬件电路，以考核流量计的各种指标，这样,就使多普勒流量计在实验室的模拟环境中,得到充分的测试。并可通过计算机对各项参数进行设置。应用本模拟器后,可以在很短的时间内进行多次重复测试,复现调试现象,验证试验结果,从而极大地提高调试效率。这对降低研制成本、缩短研制周期、提高性能指标都有积极的作用。

1 多普勒频移估算

生产过程中，原油中不可避免地含有油气水三相流，其流速由（1）式给出，式中， v 表示流速，单位为m/s；p表示日产液量,单位为m3/d；油管半径为r,单位为m,若单井日产液量为10～50m3，油管内径为55mm，则计算出流速为0.0487～0.243 m/s。

超声波多普勒发送频率与接收频率的关系如式（2）[2]；式中 f ' 为接收频率， f0发射源频率， u '为接收器的速度，u为波源的移动速度为， v 为波的传播速度。

若以管道为参考系，即取 u =0,（2）式可简化为：

发射源频率为650kHz,声波在介质中的传播速度为1500m/s。据公式（3）可得频移范围为20～106Hz，在实际应用中，多普勒频差会超过这个范围。

DDS有其独特的技术特点，DDS频率变化响应速度快；频率由数字控制字控制，频率变化控制范围大,有48位控制字；频率稳定度取决于频率综合器所提供的频率稳定度，由此可见利用DDS技术可以方便的实现模拟器功能。

2 模拟器使用系统构成

模拟器使用平台如图1 所示，系统平台由PC、多普勒流量计、多普勒流量模拟器构成。PC协调其他两个设备工作。通过PC能方便地对多普勒流量计和多普勒流量模拟器进行设置及数据提取。

图1 模拟器使用平台框图

系统工作流程图如图2所示，PC控制多普勒流量计开始工作，流量模拟器接收多普勒流量计的信号后，开始发送带有流量信息的回波信号。流量信息可通过计算机进行调整。流量测量结果同时也送至计算机进行显示与计算。计算机可发回修正系数，以便对测量结果进行修正。这样可以快速准确地对流量计性能进行测试，从而为多普勒流量计的研发提供了有力的测试工具。

图2 系统工作流程图

3 多普勒流量模拟器设计

在过去的模拟器中大多采用锁相技术。由于多普勒频移与载频相比非常小,而且又是变量,因此用上述方法将它们分开是极其困难的。过去的电路设计师和元器件设计师为此付出了巨大的努力，例如,在锁相环中尽可能降低鉴相频率,以提高多普勒频移的分辨率；增加单边带电路级数，以便分开小的多普勒频移；研制性能优良的滤波器及双平衡混频器等器件来滤除或抵消载频。但其结果是,电路日趋复杂，成本也很高，而稳定性却有所下降。

本文提出了一种采用直接数字合成(DDS)技术的多普勒流量模拟器。这种模拟器主要采用数字技术,电路简单、频率变化控制范围大、分辨率高、成本低,具有一定的先进性和实用性。