超声波频差法流量计关键技术研究

宋汐瑾，张丽娟

（西安石油大学 教育部光电检测与测井重点实验室 陕西 西安 710065）

1 引言

油气井生产过程中会伴随有砂粒、水、气泡等物质产生，井下的温度、压力、粘度和导电率等因素也会影响测量精度，因此，从这一因素考虑则应该使用超声波频差法流量计[1]。由多普勒原理知：发出的超声波频率与观测者观察到的超声波频率由于存在相对运动而不同。超声波在此种流体中的传播路径会发生改变，产生多普勒效应，当流体静止时，不产生多普勒频移，所以没有零点漂移问题[2]。

2 超声波探头工作原理

频差法超声波流量计系统设计有两个探头，一个用于发射，激励源提供给探头一个电振荡信号，使得探头的磁场发生变化，机械振动系统产生动力，探头处于震动状态[3]。接收探头与发射探头相反，发射探头促使与之接触的介质也产生机械振动，通过流体的传播，接收探头也处于震动状态，从而接收探头的磁场发生变化，在探头的接收端产生一个电信号。

压电效应就是频差法超声波探头的工作原理。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。当电介质受到一定方向的外力作用时，会产生极化现象，即：在电介质的两端出现正负相反的电荷，当失去外力时，此现象消失，电介质两端无电荷，这种现象称为正压电效应[4]，且外力的大小与形成的电荷量成正比，如图1所示。逆压电效应与之相反，在电介质的两端加上电场，电介质发生形变，去掉电场时，形变也同时消失，此为逆压电效应[4]，如图2所示。

图1 正压电效应

图2 逆压电效应

发射探头形成的机械振动使得接收探头也处于震动状态，这就相当于给压电陶瓷一个压力，同时探头就有电荷输出。电荷大小Q与作用力F之间的关系为

d代表压电陶瓷的压力系数。

压电陶瓷可以看作为一个电容C，则电容U、电压Q与电荷 之间的关系为

由关系式（1）和（2）得

所以，压电陶瓷的压力系数与输出电压成正比，压力系数越大，探头的灵敏度越高，输出电压越大[5]。

3 流量监测模拟系统

3.1 模拟系统结构及工作原理

本文设计了一套用于测试该压电陶瓷传感器性能的流量监测模拟系统，如图3所示。

图3 流量监测模拟系统

其中1是循环桶；装有一定比例混合起来的石油和水；2是动力系统，为系统循环提供动力；3是循环管道，流体前进道路；4是超声波多普勒传感器，发射和接收超声信号；5是硬件电路，处理系统中流体的流速信息并显示；6标准流量计，测量此装置内的流体流量。

循环系统的动力上电后，流体从油桶中流出，经管道循环通过传感器和流量计后又流入油桶。装置中利用压电陶瓷制作的超声波流量监测传感器，安装在流体管道的两侧，根据多普勒原理测试流体中的数据，分析传感器的灵敏度和系统的测试精度。

该系统装置利用多普勒原理来测量管道内的流体的速度，然后再根据流速与管道横截面积的关系从而得到流体的流量信息。流量的计算公式为[2]

其中D代表管道的内径，c代表超声波的波速。因此若得到了管道内径；超声探头T发射的频率fT；超波声波进入流体中的方向角θ与多普勒频差Δf即可计算出流体的流量Q大小[1]。

3.2 信号处理原理

信号处理采用美国德州仪器（TI）公司研发的TMS320F2812芯片，该芯片在C2000系列中性价比高、在工业上应用广泛[5]。其12位16通道的高性能数模转换模块，还可以实现双通道信号同步采样功能，并且它32位的高运算精度以及150MIP的系统处理功能等功能模块使它尤其适用于超声波法测流体流量[1]。CPU发出命令使探头驱动电路驱动压电陶瓷传感器发射超声波信号，由多普勒效应可知，接收探头处接收到的超声波信号频率已经发生改变，并由信号接收电路将接收到的信号传输给低噪声放大电路，经解调电路产生差频信号传输给DSP，中央处理器对得到的差频信号模数转换，从而得到流体的流速与流量信息。本文设计的超声波多普勒流量信号处理系统原理框图如图4所示。

图4 流量信号处理系统原理框图

4 实验结果与分析

在上述模拟系统环境下调整动力机，将油和水按照一定的比例混合，打开动力循环系统充分搅拌，待系统流量稳定后，将本文提供的超声波频差法探头接入测量装置中，开始测量流体的流量，观察并记录该频差法流量计的示数和普通流量计的示数。实验是在常温常压下进行的，选用的油为32号矿物机械油，水为自来水，在不同油、水比例下多次试验得到如下的实验数据：

表1 40Hz转速下得到的实验数据

表1所示数据是在动力机转速频率为40Hz，循环系统中流体流量为3.584m3/h，含水率分别为18.6%，32.5%，43.1%时测得的数据。此次试验中误差最大为0.53%，误差最小时为0.03%，在这三种油水比例9次试验中总共有3次实验误差为0.03%，1次0.08%，2次0.14%，1次0.20%，1次0.42%，1次0.53%。误差平均值为0.1%左右，误差相对较小。

表2 50Hz转速下得到的实验数据

表2所示数据是在动力机转速频率为50Hz，循环系统中流体流量为4.415m3/h，含水率分别为18.6%，32.5%，43.1%时测得的数据。此次试验中误差最大为0.54%，误差最小时为0.05%。这9此实验中有1次0.05%，3次0.07%，1次0.09%，2次0.11%，1次0.36%，1次0.54%。误差平均值为0.1%左右，误差相对较小。

结果表明：这六组18次实验得到的数据与循环系统中流体的真实数据相近，整体误差在0.1%左右，误差相对较小。因此该压电陶瓷探头可以用作频差法超声波流量计的传感器，在此模拟系统的基础上可稍加改进应用于油田现场。

[1]张丽娟.超声波多普勒流量测量技术的研究[J].电脑知识与技术，2017(02)：258-260.

[2]涂晓立，杨道业，陈静，等.超声波多普勒流量计的设计[J].仪器仪表与传感器，2010(3)：41-43.

[3]朱倩倩.油气井出砂在线监测方法研究[D].西安石油大学，2016.

[4]殷光．超声波流量测量技术研究[D]．西安：西安石油大学，2012．

[5]高翠云，江朝晖，孙冰.基于TMS320F2812的DSP最小系统设计[M].电气电子教学学报，2009(01)：83-85.