一种改进音叉式流体密度检测装置的设计与实现

王珊珊，吴凌云，余厚全 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

陈强 (中国石油集团测井有限公司，陕西 西安 710077)

郭帅 (中石油渤海钻探工程有限公司测井分公司，天津 300280)

一种改进音叉式流体密度检测装置的设计与实现

王珊珊，吴凌云，余厚全 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

陈强 (中国石油集团测井有限公司，陕西 西安 710077)

郭帅 (中石油渤海钻探工程有限公司测井分公司，天津 300280)

针对现有井下流体密度检测方法的不足，提出了一种音叉式流体密度检测方法。依据音叉传感器的谐振频率与待测流体密度成一一对应的函数关系的原理，提出了闭环自激振荡的设计方案，即将检测到的频率信号反馈给音叉传感器，使其做自激振荡。通过测量其振动频率就能测出液体密度，并据此设计了一种音叉式流体密度检测装置。试验结果表明，该检测装置电路结构简单，在密度为0.832～1.27g/cm3测量范围内，最大测量误差为0.0065g/cm3，分辨率可达到0.01g/cm3，可以满足高精度流体密度测量要求。

压电音叉；流体密度；锁相环；自激驱动；谐振频率

在油田油气开发过程中，流体密度常与持水率曲线结合使用，用于确定多相流体中油、气、水的含量及沿井筒的分布规律[1]。因此，流体密度在线测量具有非常重要的意义。

目前，最主要的流体密度测量方法有放射性密度测量法和压差密度测量法，但它们都存在着各自的缺点。放射性密度计测量范围窄，响应速度慢，灵敏性差，且需要放射性射线源，如果不能正确使用和防护会对人体、环境造成危害。压差密度测量方法虽然环保，但受井斜、井内流体流速、管柱尺寸等影响较大[2]。因此，研究一种测量精度更高、稳定性更好、抗干扰能力更强而且环保的井下流体密度检测方法具有明显的应用价值。

谐振传感器是一种基于谐振子谐振特性的新型传感器，其谐振频率与待测流体的密度成一一对应的函数关系，因而只要测量出其谐振频率，就可得待测流体的密度。音叉式流体密度传感器具有结构小巧、稳定性高、不受井下环境影响等优点[3]，适用于测量井下流体密度。目前国内制作的音叉式流体密度传感器性能稳定，但是由于采用它激的开环驱动方式，无法实时在线获得井下流体密度。为此，笔者提出了闭环自激驱动方案，即采用自激驱动方式来驱动音叉传感器的振动，并在闭环回路中加入了频率跟踪环节，旨在能实时跟踪音叉传感器谐振频率的变化，并维持其工作在谐振频率处，实现在线测量。

1 传感器结构及基本检测原理

图1 音叉传感器结构图

音叉传感器主要由音叉体和压电陶瓷组成，其结构图如图1所示。音叉体作为谐振子，用来检测被测流体的密度。压电陶瓷包括压电激励器和压电拾振器，分别贴装在2个叉体的基部。

压电激励器将驱动电压信号转换成机械振动信号，激励音叉振动。压电拾振器将音叉机械振动信号转换成电信号输出[4]。

当给音叉施加一个激励时，叉体按照自身的固有频率振动。如果将音叉置于不同密度的流体中时，它的振动频率会发生改变。根据振动理论可知，在阻尼较小或可忽略的情况下,音叉的谐振频率f与其质量mg和被测对象粘附在叉体上的质量mc成反比，可用式(1)表示[4]:

(1)

式中，k是比例因子，为常数。

假设粘附在叉体上的流体体积V固定，由式(1)推导可得被测流体密度ρ：

(2)

由于准确测量mg和V的值比较困难，因此通常用已知密度的介质(如空气、水等)来进行未知密度介质的测量。假设空气、水、被测流体的密度分别为ρ气(空气密度近似真空的密度ρ气=0)、ρ水、ρ流，音叉传感器在空气、水、被测流体中振动频率分别为f气、f水、f流。根据式(2)推导可得：

(3)

(4)

所以有：

(5)

由式(5)可知，通过测量音叉传感器在待测流体中的谐振频率，即可以确定待测流体的密度。

2 总体方案设计

图2 开环驱动方式系统工作框图

目前市面上的音叉密度传感器通常采用开环驱动方式来驱动音叉振动，其系统工作框图如图2所示。微处理器产生一定范围的扫频方波信号，通过放大电路，作用于压电激励器，驱动音叉的振动。压电拾振器拾取音叉振动的信号，通过放大滤波电路处理后一路经峰值检测电路、A/D转换电路后变为电压信号，输入给微处理器进行数据处理、保存。另一路直接送入微处理器进行频率检测后与电压信号一并传输给上位机。通过上位机绘出频率-电压曲线，找到最大电压值对应的频率。该频率即为音叉传感器的谐振频率，最后将其换算为密度值[5]。

开环驱动方式的检测电路较为复杂，而且检测精度与A/D转换的精度有关，对器件选型的要求较高。另外，从频率和电压信号的处理、采集到发送给上位机绘制频率-电压曲线有一定的延迟时间，所以不能实现在线实时测量。因此，笔者提出了驱动音叉传感器振动的闭环自激驱动方式，音叉传感器在振动系统本身反馈回来的交变电压的作用下产生周期性振动,此时音叉传感器的振动频率为其谐振频率。

图3 自激驱动方式系统工作框图

自激驱动方式的系统工作框图如图3所示，主要由电源模块、传感器模块、驱动电路、检测电路和信号处理及通讯模块组成。其中驱动电路是维持音叉传感器谐振、实现实时在线测量的关键，与检测电路和传感器模块组成闭环回路，使音叉传感器做自激振动。

自激驱动方式系统的工作过程如下：电路上电后，压电拾振器将拾取到的振动信号经过检测电路处理后反馈到驱动电路，驱动音叉的振动。微处理器对滤波整形后的方波信号进行频率测量，然后将频率转换成密度值发送给上位机。

3 关键技术的实现

由于被测流体密度变化会引起音叉传感器谐振频率发生偏移，因此为维持音叉传感器工作在谐振频率处，要求驱动信号频率实时跟随音叉振动频率的变化，也就是说驱动电路要具备频率跟踪功能。方案采用集成锁相环CD4046来实现其频率跟踪。

图4 带解锁的频率跟踪电路图

在测量过程中，音叉传感器在外界随机干扰信号的作用下，振动频率突然变大，远远超过锁相环的上限频率, 导致锁相环死锁在上限频率,这时需要人为重新启动, 才能恢复跟踪状态。锁相环的这种缺点不利于实现实时在线测量。因此，笔者提出了改进方案，即在锁相环的频率跟踪电路中加入解锁模块[6]。带解锁的频率跟踪电路如图4所示。

将检测电路处理后的信号作为锁相环的输入信号Ui，压控振荡器的输出信号Uo作为音叉传感器的驱动信号。调节Rp1使电压比较器U1的反向输入端电压略低于电源电压，与压控振荡器的控制电压Ud进行比较，用来检测锁相环是否进入上限死锁。脉冲展宽电路主要用来控制模拟开关的闭合，完成解锁功能。压控振荡器的频率调节范围由R1、R2和C1决定，其上限频率为[4]：

(6)

下限频率为：

(7)

电路的工作过程为：当锁相环进入上限死锁时，压控振荡器的控制电压Ud等于电源电压，比较器U1输出为高电平。脉冲展宽电路产生一个宽脉冲，使模拟开关闭合，滤波电容C2通过R4、R5放电，9脚电压降低为零，压控振荡器输出频率复位到下限频率fL，电压比较器输出低电平，模拟开关断开。此时锁相环重新扫频，并再次锁定到音叉传感器的谐振频率上。

4 试验结果及分析

试验前对音叉密度传感器进行2点刻度，分别测得音叉在空气和水中的振动频率为f气=318.3Hz和f水=245.0Hz，空气和水的密度为ρ气=0g/cm3和ρ水=1.001g/cm3。在目前所能得到的精确密度样本基础上对音叉式流体密度传感器进行测试，利用单片机来测量其输出信号频率，并将其与刻度的数据代入式(5)，得到ρ1，试验数据记入表1。其中样本1至样本10是由柴油和水混合配置的密度小于1的乳状样品；样本11至样本28是由蔗糖、水以及盐混合配制的密度大于1的样品。表1中，ρ为被测样本实际密度，ρ1表示测量密度，ρ1-ρ表示测量误差，f为音叉传感器的谐振频率。将表1中实测样本密度与振动频率的平方值做二次曲线拟合，得到的图形见图5。

表1 音叉式流体密度传感器测试试验数据

图5 试验数据拟合曲线

从表1中数据可以看到，在密度为0.832～1.27g/cm3测量范围内，最大测量误差为0.0065g/cm3,分辨率可达到0.01g/cm3。从图5及其拟合公式中可以看出，拟合得到的二次曲线的R2值(R为相关系数)均为0.9974，说明实测点线性相关性很高。

5 结语

为了实现流体密度的在线实时检测，设计了一种基于闭环自激振荡原理的音叉式流体密度检测装置。采用自激驱动方式，并在闭环反馈回路中加入了带解锁的频率跟踪电路，有效的消除了由于外界干扰引起的上限死锁，有较好的稳频作用和良好的频率跟踪性能。该检测系统电路结构简单、集成度高。试验结果证明，该检测系统具有测量精度高、分辨率高、性能稳定、便于实现等特点，适用于石油化工、食品加工、造纸和纺织印染等行业的液体密度检测。

[1]韩波.音叉密度测井仪的测量原理及电路设计[J].内蒙古石油化工,2014(4):59～60.

[2] 王友春,李疾翎.FDI音叉密度仪的原理及应用效果分析[J].国外测井技术，2014(3):65～67.

[3] 桂兴春,王华,张滨华.一种音叉式液体密度传感器的研究[J].自动化仪表，2006,27(3):28～30.

[4] 范跃龙，邹炎，万学华，等.压电音叉及其应用[J].压电与声光，2006,28(2):173～175.

[5] 徐军.石英音叉谐振式温度传感器及关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

[6] 王艳东,李赫,王敏慧,等.锁相环跟踪超声振动系统谐振频率的改进[J].声学技术,2007, 26(2): 253～256.

[编辑] 易国华

2016-12-17

王珊珊(1993-)，女，硕士生，现主要从事测井方法与仪器方面的研究工作。

吴凌云(1963-)，女，硕士，副教授，现主要从事自动检测与控制及自动化技术应用方面的教学与研究工作,1806353726@qq.com。

TP212

A

1673-1409(2017)05-0049-05

[引著格式]王珊珊，吴凌云，余厚全，等.一种改进音叉式流体密度检测装置的设计与实现[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(5)：49～53.