基于分层注水量测试的电磁流量计设计

2018-02-03袁涛党博

电脑知识与技术 2018年2期

袁涛　党博

摘要：提出了基于正弦波励磁方式的电磁流量计设计，采用更加简单可靠的软、硬件设计及信号处理算法，从复杂信号中提取出流量信息。实验结果表明，在相对较低励磁频率下，能够有效提高流量测量精度，对于小流量注水阶段，测量误差明显降低，而且性能稳定，满足了井下各层注水量测试要求。

关键词：分层注水；电磁流量计；正弦波励磁；STM32F103RCT6

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0240-02

Design of Electromagnetic Flowmeter Based on Separate-layer Water Flooding Measuring

YUAN Tao，DANG Bo

（Key Laboratory of Education Ministry for Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065， China）

Abstract： Design of electromagnetic flowmeter Based on sine waveform exciting is proposed. The more convenient and reliable method for signal processing， and software and hardware design is adopted， extracting flow information from complex signals. The experimental results show that relatively lower-frequency exciting could effectively enhance accuracy of measuring. At the stage of low water flooding， measurement errors are obviously reduced and performance is stable. The electromagnetic flowmeter meet test requirements of down hole separate-layer water injection.

Key words：Separate-layer water flooding； Electromagnetic flowmeter； Sine waveform exciting； STM32F103RCT6

分層注水是实现驱油替水，提高采收率的重要措施，其技术水平直接影响着注水开发油田的整体开发效果。而分层注水量精确测量是分层注水工艺的难点，特别是对于低渗透油藏的小分量注水尤为困难。注水量的精确测量配合自动控制的可调水嘴，解决了传统注水工艺调节周期长，不能够精细注水问题，对于实现油田的高产稳产具有重要意义[1]。分层注水量测量主要采用浮子式流量计，差压式流量计等，由于内部存在活动部件和阻流元件，测量精度低，影响注水效果。而电磁流量计结构简单、测量精度高，在石油化工行业得到了越来越广泛的应用[2，3]。

电磁流量计是根据法拉第电磁感应原理测量导电性液体体积流量的仪表[4，5]。在电磁流量计中，管内有导电性液体流过时，传感器检测电极就会产生正比于流体流速的感应电动势，其一般表达式为[E=kBDv]，其中：[k]为仪表系数，[D]为管道内径，[B]为磁感应强度，[v]为管内平均流速，[E]为感应电动势。但电磁流量计测量信号存在严重干扰，造成测量精度低，难以满足井下分层注水流量测量要求。本文在已有电磁流量计研究基础上，基于32位ARM微处理器，采用了新型信号处理方法提取流量信息，设计了适用于分层注水流量测量的电磁流量计。

1 硬件电路设计

采用正弦波励磁电磁流量计硬件电路设计如图1所示，主要由励磁模块、信号处理模块和微处理器模块三部分组成，小型电源模块将220V交流电压转化为±12V、+3.3V、+9V为其各部分供电。

1.1 励磁模块

由于是正弦波励磁，采用文氏桥作为信号产生电路，通过调整电阻电容值来选择不同励磁频率，供电电压幅值决定励磁信号幅值，选择高精度元器件实现信号稳定输出。但文氏桥电路输出信号小，难以驱动励磁线圈，通过运放对励磁信号电压放大，甲乙类功率放大对励磁信号电流放大，将放大后的信号输入电磁流量计励磁线圈作为励磁电压。

1.2 信号处理模块

测量电极输出信号微弱，且信号源内阻高，供电电源耦合到电路带来的工频干扰以及磁场交变所产生的干扰等幅值远大于流量信号，必须采取有效的信号处理电路提取流速信息。

信号处理模块首先采用高输入阻抗前置放大器ADA4077-1差分放大，但由于信号干扰多，放大倍数不能过大。信号经过ADA4077-1放大后，采用双端输出方式，通过电容隔直，滤去直流分量，仅保留信号的交流分量。交流信号中共模干扰严重，采用高共模抑制比的差动放大器提高信号的共模抑制比。

信号处理后仍包含正交干扰、同相干扰等，还是无法准确得到流量信号。因此，在传感器励磁线圈中串接一个定值电阻[R]，[R]两端电压与励磁电流是同波形同相位，将处理后电极两端电压[E]与电阻[R]两端电压差分输入四象限高精度模拟乘法器AD633，输出信号滤波取其直流分量，则可得到流量信号[6]。

若励磁磁场[B=Bmsinwt]，[R]上的电压[UR=Umsinwt]，只考虑正交干扰和同相干扰，测量电极两端电压可表示为：endprint

其中：[dBdt]为正交干扰，[d2Bdt2]为同相干扰

乘法器输出信号为：

将（2）式整理，滤除交流分量得到直流分量为：

从（3）式中得到了电压信号对应管道中流速变化情况。采用STM32F103RCT6芯片内部12位A/D采样，信号电压输入范围0～3.3V，而（3）式输出信号是双极性，需要通过电平提升转化为单极性信号。微处理器复位电路将NRST引脚拉高VCC，引起系统复位。采用0.96寸OLED显示流量信息，通过8080并行接口方式控制通信。同时提供时钟日历，实时显示相对流量的时间信息。

2 软件系统设计

系统软件采用模块化设计方法，主要包括主程序、初始化子程序、中断程序、A/D采样、OLED显示和实时时钟等。在测量状态下，将实时显示流速、流量和日历信息等。流量A/D采集过程如图2所示，以10个周期为一个测量过程，每个周期采样点数为100，求平均值后换算后得到流量信息。通过求平均值来达到滤波目的，避免了由于偶尔误差引起数据不稳定，平均值就是通过软件滤波得到的流量信号[7]。

3 实验结果

实验所用电磁流量计传感器测量管径为47mm，实验介质为水，实验环境为室温，采用标准计量罐进行标定[8]。本实验在一定测量环境下，比较不同励磁频率对流量测量结果影响。

从表1可以看出，随着励磁频率增加，测量误差也在不断增加。一定励磁频率下，流速在1m/s～ 2m/s范围内相比较高流速测量误差小，更适合小流量测量。说明励磁频率在3Hz左右时，分层注水小流量注水测量精度高，性能相对稳定。

4 总结

本系统采用新型硬件电路及信号处理算法，有效提高了流量测量精度。在相对低的励磁频率下，提高了测量系统的稳定性，实现了分层注水小流量实时准确测量，而且电磁流量计性能稳定、成本较低，在油田分层注水方面具有重要的实用价值。

参考文献：

[1] 罗必林，巨亚锋，申晓莉，等. 分层注水可调水嘴调节能力仿真计算与分析[J]. 石油天然气学报， 2014（9）：141-146.

[2] 杜胜雪，孔令富，李英伟，等. 电磁流量计矩形与鞍状线圈感应磁场的数值仿真[J]. 计量学报， 2016（1）.

[3] 赵保生，吴蓉，刘志森，等. 电磁流量计发展及趋势[J]. 自动化仪表， 2017， 38（5）：67-71.

[4] 李曦，张小章. 插入式电磁流量计的理论研究[J]. 计量技术， 2008（2）：3-6.

[5] 王守志. 基于低频正弦波励磁方式的电磁流量计设计[J]. 传感器与微系统， 2011， 30（2）：119-121.

[6] 王俭. 电磁流量计低频正弦波励磁方法的研究[D]. 浙江大学， 2006.