液面测试仪的计量量传溯源技术与方法初探

林中雨，王东明，段　文.中国石油大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司（黑龙江　大庆　634）.中国石油大庆油田有限责任公司第二采油厂（黑龙江　大庆　63000）



计量

液面测试仪的计量量传溯源技术与方法初探

林中雨1，王东明2，段文1
1.中国石油大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司（黑龙江大庆163114）
2.中国石油大庆油田有限责任公司第二采油厂（黑龙江大庆163000）

长期以来液面测试仪器无法进行量值溯源和量值传递，通过对比排除法，论述了采用声波法来校准液面测试仪的可行性。研制了液面测试仪检定器，实现了液面测试仪的校准，证明此方法能够实现量值的溯源和传递，能够顺利完成液面测试仪的校准工作。结合行业标准，完善了校准的操作方法和误差计算公式，确保了液面测试仪校准的标准化操作。

液面测试仪；量值溯源；量值传递；校准

采油井的液面测试资料是了解其泵况和油层供液能力的一项重要指标，抽油机要根据示功图和液面资料进行参数的调整，使抽油机处于合理的工作状态。液面测试资料还能够了解油层经过相关措施后所见到的效果。录取液面资料的装置称为液面测试仪器，目前具有液面测试功能的仪器有综合测试仪、示功仪和液面自动监测仪。

液面测试仪在投入测试时要进行校准。目前有关液面测试仪的校准方法没有建立，想要实现对液面测试仪的检测和校准，没有适用的标准器具或设备，更没有相关的校准规程来执行。通过分析对比和实验，找到了适用于液面测试仪器校准的标准源，经过实验制定出切实可行的校准方法，并且建立了完整的量值溯源和传递体系，然后制定出液面测试仪器校准规程，实现液面测试仪器校准的标准化管理。

1　标准源的选择和确定

1.1室外模拟井校准

液面测试仪的校准应该建立深度大于2 000m的标准模拟井，在模拟井内安装n个音标，还需要一套加压系统和控制系统。此方法存在的问题：一是投资巨大，需要几百万元；二是模拟井的量值传递无法进行；三是如果模拟井建在室外，给管理和校准工作带来诸多不便；四是模拟井存在进入液体的危险。所以此方法一直无法实施。

1.2室内模拟井校准

在室内安装一定长度的软管作为模拟井，将软管在地面盘成圆圈以减少占地面积，采用计算机自动控制气体加压，整个模拟井系统的投资在10万元左右。此方法存在的问题：一是如果模拟井太浅（假设200m），根本无法检测液面测试仪的误差，如果安装1 000m以上的模拟井，室内没有那么大的空间；二是无法进行量值传递。因此该方法实施起来困难很大。

1.3利用声波法校准

以往用于液面测试的仪器是双频道回声仪。其液面测试检定方法是：将5Hz的信号源输入到线路板的微音器信号入口处，以此来检测回声仪的走纸误差（图1）。这种方法显然不是对液面测试功能的整个线路（包括微音器在内）进行检定。

图1　双频道回声仪液面检测示意框图

经过进一步分析，液面测试是利用微音器对抽油机井环形空间内的声波进行测试，首先利用油管接箍波计算声速，再利用液面波的反射时间乘以声速确定液面深度。由此可以确定采用声波法对液面测试仪进行校准是可行的。又因为液面深度是通过声速和液面波反射时间的乘积计算的，声速又是通过几根已知长度的油管除以声波在此段油管上的传播时间计算的，这里起关键作用的是时间，这里所指的时间是液面测试仪对接箍波和液面波传播时间的测量。因此可以通过采用固定频率的声波对液面测试仪进行校准，见图2。

图2　双频道回声仪液面检测示意框图

2　校准装置的研制

2.1液面测试仪检定器的研制

采用声波法校准液面测试仪，首先要有一定强度的声源，为此设计加工了液面测试仪检定器（图3），采用标准井深测试仪5Hz的信号源（图4），其输出幅度为20mV,经前置放大为500mV至1 000mV。再经过功率放大后，输出功率大于20W的声波信号（图5），用于液面测试仪的校准。

图3　液面测试仪检定器

图4　井深测试仪5Hz信号源

2.2液面测试仪检定器技术指标

输入电压为（220±10）V；额定功率为15W；信号源输出为5Hz、20mV；功率放大输出中频率为5Hz、功率为0～30W；直流电源为±15V、+10V。

图5　功率放大后的5Hz信号

3　液面测试仪校准过程

3.1液面测试仪对标准声波测试

将液面测试仪检定器的喇叭对准液面测试仪的井口装置接口处，启动校准装置工作，同时液面测试仪进入测试状态，对标准声波进行测试。具体情况见图6、图7。

图6　液面检测仪测试曲线1

图7　液面检测仪测试曲线2

从图6和图7可看出，液面测试仪检定器高频信号较弱，在测试曲线上响应不够明显，低频信号液面测试仪响应较好，因此利用低频波对液面测试仪进行误差分析和计算。

3.2液面测试误差计算

液面测试误差采用如下公式，选取N个周期的液面测试波，液面的误差计算公式：

式中：δT为被校准综合测试仪液面深度示值误差，%；TC为被校准综合测试仪N个周期测试波的持续时间，s；TN为N个周期标准声源的持续时间，s；V为声波速度，m/s。根据实际试验测试情况，建议N应大于25。

4　量值溯源与传递图

任何计量标准都要进行量值溯源和传递，液面测试仪检定器的量值溯源与传递图如图8所示。

5　应用

5.1ZJY-3型液面自动监测仪的校准

图6和图7是ZJY-3型液面自动监测仪校准的曲线，通过液面测试仪检定器已经对在用的17台液面自动监测仪进行了校准。

5.2HYKJ型、CYZ-2B型液面自动监测仪的校准

仪器能够测试出波形，但需要厂家修改仪器软件，才能对该两种型号液面自动监测仪进行校准。

6　标准的制定

2014年在制定国家行业标准过程中，采用“声波法”校准液面测试仪器的方法，已经写入了标准的条款当中，此标准已经申报国家专业标准化技术委员会进行标准审核。采用“声波法”校准液面测试仪的方法已经申报国家专利。

图8　综合测试仪校准量值溯源与传递图

采用“声波法”校准液面测试仪，具有如下优势：

1）投入少，操作简单方便，误差计算没有中间变量，不受井深和室内空间限制。

2）标准声波的频率误差为±4.0×10-4Hz，远小于液面测试仪±0.5%的误差要求，符合不确定度的测量要求。

7　结论

1）采用“声波法”校准液面测试仪具有操作简便、投资低的特点，实践证明这是切实可行的方法。

2）液面测试仪检定器不但具有量值可溯源性，还能够实现量值的正常传递，实现了液面测试仪的正常校准。

3）液面测试仪校准工作的开展，结束了液面测试仪无法校准的历史，通过行业标准的制定，使液面测试仪的校准走上了标准化和专业化的轨道。

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The quantity value traceability and quantity value transfer of the liquid level measuring instrument can not be finished for a long time. The feasibility of calibrating the liquid level measuring instrument using sound wave method is expounded by comparative ex⁃clusion method. The tester of the liquid level measuring instrument is developed, and the calibration of it is realized. It is proved that this method can realize the traceability and transmission of the quantity value, and can finish the calibration work of the level measuring instrument. Combined with the industry standard, the calibration method and the error calculation formula are improved, and the stan⁃dardization operation of the calibration of the liquid level measuringinstrument is ensured.

liquid level measuringinstrument; quantity value traceability；quantity value transfer；calibration

林中雨（1964-），男，高级工程师，现从事测试仪器维修与检定工作。

本文编辑：左学敏2015-12-10