多相流量计自动检测系统的设计和应用分析

吴生杰 解安伟

青海北捷新材料科技有限公司，青海西宁 810021

在石油开采行业，对输油管道中的油、水、气多相流的检测，是能监控油田开采量和计算出油量的方法。传统的监测计量方式为将油、水、气多相流进行分离再逐一计量，其缺点是仪器设备多、监测计量复杂、精确度低、造价昂贵。随着科学技术的快速发展，多相流量计因无须将油、水、气预分离，在线实时检测计量、计量精确度高、可靠性强等优点，多相流量计得到广泛应用与推广。本文以输油管道中的油、水、气多相流为设计对象，采用压差传感器、温度传感器、超声波传感器等传感检测元件，监测与测量多相流的参数数据来反映被测多相流的流动特征，并运用数字模拟信号处理、信号通信技术对测量的参数数据进行传输、处理，实现对多相流的自动检测功能。

1 多相流量计自动检测系统整体设计

多相流量计自动检测系统采用模块化设计思路，既满足系统可扩展性，又保证系统模块可更新换代。其硬件有上位机、模块化的传感器部分、通讯总线。其中模块化的传感器部分可有温度检测模块、压力检测模块、超声波检测模块等，模块间、模块与上位机间的通讯采用CAN总线连接，CAN模块完成CAN总线上的数据和RS-232串行数据之间的转换，实现数据上传与下达；各传感器检测模块以单片机为主，分别配有各类传感器如：电导含水传感器、超声波传感器、流体温度传感器、环境温度传感器、流体压力传感器等，以及与CAN总线通讯的CAN接口电路，来实现测量油、气、水多相流温度和压力、流体的平均流速等功能。其系统框架图如图1所示。

图1 系统框架图

其自动检测流程为：但系统的电自检后，上位机发出参数检测指令，各传感器检测模块接受指令再自检状态，并在上位机显示传感器检测模块的状态情况。上位机通过通信中学定时从各传感器检测模块读取各检测参数数据，计算处理、存储显示，可得温度、压力、流速、瞬时流量和累计流量等多相流参数，用户可在上位机操作界面读取各类参数，也可修改控制。但在系统出现故障或异常数据时，可及时报警并将故障事件存档。

2 多相流量计的传感器检测模块设计

多相流量计的传感器检测模块部分可有温度检测模块、压力检测模块、超声波检测模块等，其各检测模块设计是设计核心重点。

2.1 超声波检测模块硬件设计

多相流体的含水率、含气率和含油率可通过超声波检测模块测量出来。其原理是激励超声波发射器，发射固定频率的超声波，穿过被测多相流体或装有多相流体的管道介质，超声波有能量损耗，超声波接收器接收和输出对应的信号到计算控制单位，计算超声波前后的能量损失，并结合多相流体的测截面含水率，求解方程组从而求得含油率和含气率，同时利用温度传感器检测模块和压力传感器模块测量的多相流体的温度和压力修正含水率、含气率和含油率的数值。硬件包括C8051F041单片机、超声波发射电路、超声波发射转换器、接收器及接收电路等元件组成，其中超声波发射换能器需要发射电路驱动、产生固定脉冲宽度和固定频率的超声波脉冲穿透被测多相流体。而超声波接收器需配合接收电路，将超声波信号进行滤波、放大、半波整流电路处理，得到满足要求的脉冲信号，最后送入单片机进行数据处理，提取出所要测量的参数。如图2所示。

图2 超声波检测模块原理图

2.2 温度和压力检测模块硬件设计

多相流体的温度和压力数据采样和测量计算是通过温度和压力传感器检测模块进行的。其传感器选择Pt100温度传感器和CERAMET压阻式压力传感器，数据处理以C8051F041单片机为核心，再通过通信总线向温度和压力传感器检测模块发送检测指令，接收请求数据命令或修改仪表参数命令并做出相应信号测量和数据传输。其中Pt100温度传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温，当温度范围在-40～80℃时，温度/阻值对应关系可简化为，t为温度，R0为(0℃时的电阻值。CERAMET压阻式压力传感器的优势是坚固的陶瓷结构、卓越的抗腐蚀和抗磨损能力、抗冲击和振动、宽的工作温度范围；高精度以及高稳定性。

2.3 电导检测模块硬件设计

多相流体的含水率和流速采样与测量是通过电导检测模块进行的。其采样测量原理为：多电极电导传感器的测量电极2、5是测量多相流体的截面含水率，再与测量电极2、3测量预处理信号和测量电极4、5测量预处理信号进行比对，得出表征流体流速的互相关信号x(t)和y(t)关系，进行相关处理后得到多相流的流速，再利用温度和压力检测模块传送的多相流体温度和压力建立修正模型进行数据初步修正，最后，通过网络总线与上位机进行数据通信，结合其他被测量参数和参数间的关联性，计算并修正被测多相流体的流速、瞬时体积流量和累计流量等参数。其硬件组成为电源模块、恒流源激励电路、C8051F041单片机、含水率信号预处理电路、相关测速信号预处理电路等，如图3所示。

图3 电导检测模块原理图

3 系统软件设计

系统软件设计包括：上位机软件设计、传感器检测模块部分可有温度检测模块、压力检测模块、超声波检测模块等单片机软件设计及CAN总线通讯软件设计。本文简述上位机通过CAN总线获取超声波检测模块、电导检测模块以及温度和压力检测模块等传感器检测模块的测量值，通过数据处理和计算与修正得到流体流速、各相含率、瞬时流量和累计流量等，并通过采集的温度和压力以及油、气、水多相流的其他相关参数，建立PVT模型，对计算值进行修正和转换，减少测量误差，从而获取多相流体的油、气、水各相的体积流量。

4 结语

该设计以高含水率油、气、水多相流的流量测量为研究内容，针对多相流体的流动特性和测量参数多样，提出了一种基于温度和压力、超声波、电导等多传感器的检测方案。该多相流量计自动检测系统具有非侵入式、无放射性、无可动部件和低成本等优点。在实际应用中，其应用价值高，实用性好，可值得借鉴并推广。