原油流量超聲波相關流量計設計

目前，在油田原油開采中面臨的一個困難問題就是對開采的原油進行在線計量。主要原因是原油的成分非常復雜，原油中含油、水、氣和其他雜質，屬于多相復雜的流體，而且單井原油又是間歇流動，因此一般的流量計是無法滿足的。本文設計了基于超聲波相關流量計算的計量系統，較好地解決了原油非接觸在線計量問題。

　　1 超聲波相關流量計原理

　　相關法利用相關技術測量流體流量。測量精度與流體中的聲速無關，測量精度高，適用于多相流，干擾大的流體的測量。當流體在管道內流動時，如果含有其他雜質，其內部就存在著各種各樣的隨機擾動，從而產生了與流動狀況有關的流動信號，并具有一定的統計特性。相關法流量計的結構如圖1所示。A，A’和B，B’是兩組超聲波發射和接收換能器，L為上游換能器和下游換能器之間的距離。當超聲波信號穿過管道時，超聲波信號會受到流體中噪聲的調制，調制后的超聲波信號中就包含了流體速度場的信息，對此超聲波信號進行分析，提取與流動狀況有關的流動信號A(t)和B(t)，且將A(t)和B(t)作相關運算，得到相關函數RAB(τ)：
　　

 

　　該函數峰值所對應的時間位移為τ，就是流體從上游換能器傳遞到下游換能器的時間，即該系統中的傳遞時間(也稱渡越時間)。流速的計算公式為：

　　b.JPG

 

　　根據流速，進而求得流量：

　　
 

　　式中：D為管道的直徑。

　　2 單井原油超聲波相關流量測量系統結構

　　如圖1所示，單井流量測量系統主要由氣液分離預處理，超聲波檢測，信號處理三部分構成。下面分別對這三部分進行分析。


2.1 氣液分離預處理部分

　　預處理部分其結構如圖2所示。預處理部分的功能一是進行液氣分離(抽油機抽出的原油中除了油液混合外，還含有氣體和其他雜質，氣體對油液測量會帶來較大的誤差，所以在對油液測量時必須進行氣液分離);二是解決間歇流動時的滿管測量(抽油機工作時每次抽出的原油不等，而且是間歇流動，這樣造成管道中油液可能不是滿管，也會帶來很大的測量誤差)。基于這些原因在對油液測量前要進行預處理，經過預處理后實現氣液分離和油液滿管通過計量油管，減小計量誤差。工作原理是：原油從進油口經沉沙罐后進入儲油罐，在儲油罐里進行油氣分離，分離的氣體從儲油罐上閥門(出氣閥)經氣管道輸出，當儲油罐中的油液達到一定高度時，浮球上浮打開下閥門(出油閥)，同時上閥門封堵氣口，建立壓力，儲油罐中的油在壓力的作用下，通過測量管道流向出油口，當儲油罐中的油液下降到一定的液位時，浮球下沉封堵下閥門，打開上閥門，這樣重復工作完成氣液分離。

　　2.2 超聲波檢測部分

　　檢測部分主要是由兩對超聲波傳感器構成。超聲波傳感器的檢測是通過超聲波的發射和接收能量來完成的，核心是換能器(將超聲波能轉換為電能或者將電能轉換為超聲波能，可逆換能器是指以相等的效率對兩種形式的能量做相互轉換的換能器)。常見的換能器有壓電晶體振子、磁致伸縮振子等。用于相關流量測量的超聲波一般有正弦波與脈沖波兩種形式。脈沖超聲波和正弦波的相關流量計都是對流場橫截面的速度信息進行積分而得到流速的。本設計采用壓電晶體超聲波傳感器，中心頻率為200 kHz。為了克服駐波影響，超聲波采用鎖相環脈沖信號發生器。

　　2.3 信號處理部分

　　信號處理部分主要由超聲波接收換能器和DSP構成。

　　信號調理電路由接收換能器、三級放大電路、濾波電路和包絡檢波電路組成。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構成，二級放大器和末級放大器由INA128精密低功耗儀表用放大器構成;濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構成的一個帶通濾波器，中心頻率為200 kHz，由TL14構成低通濾波器，主要取出檢波后的信號，包絡檢波電路由二極管和電容構成峰值檢波器。

　　另一部分是由DSP模塊組成的數據采集處理電路。該電路選用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前過程控制領域中，它是最先進的DSP微處理器，與傳統的單片機相比，它具有功能強、資源豐富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并綜合最佳的外設接口，它集成了閃存、高速A/D轉換器、高性能的CAN模塊等。

　　測量時，上、下游發射換能器發射出高頻超聲波，超聲波在流體中傳播時，流動信號對超聲波會產生幅值、相位和頻率調制，接收換能器接收的高頻調制信號，經濾波和放大后進行解調，獲得流動信號，送至A/D轉換器進行數據采集，采集的信息送至DSP進行相關處理，獲得流體的流量。

　　3 系統程序設計

　　軟件系統包括DSP初始化、計算模塊、流量顯示、中斷處理模塊等部分。

　　主程序流程圖如圖3所示，主程序完成初始化后，進入一個循環程序，對采樣數據進行處理，隨時響應外部A/D中斷請求、串口通信中斷請求和定時器中斷請求，同時還要隨時判斷流量顯示定時是否到達。主程序響應以上各中斷請求并調用各個相應的處理程序，完成數據的采集和處理。

　　
 
　　初始化一方面是設置DSP的工作環境，另一方面是為后面的信號處理做準備。系統初始化程序包括影響DSP芯片CPU運行的內部初始化和影響各個外設工作的外設初始化，以及外圍可編程器件(如A/D，D/A等)的初始化等幾個方面，具體地說包括以下功能：設置時鐘發生器，設置定時器，初始化各狀態寄存器，開中斷等。

　　中斷處理模塊包括三個中斷：定時器中斷處理模塊用于啟動A/D轉換器和控制采樣頻率，串行通信中斷處理模塊用于與上位機進行通信，A/D中斷處理模塊用于讀取A/D轉換器采樣數據，其流程圖如圖4所示。

　　顯示模塊定時刷新儀表，顯示瞬時流量值和累積流量值。

　　系統處理過程為：設定定時周期，定時器產生中斷，此中斷啟動A/D轉換器，轉換結束后，A/D轉換器向DSP請求讀取數據中斷，DSP響應A/D轉換器中斷請求，調用A/D中斷處理模塊，讀取采樣數據，送入數據緩沖區。由于流體是間歇流動，所以DSP接收到上、下游信號的N點數據后，對數據進行傅里葉分析，判斷流體是否流動，如流動則調用計算程序，對采樣數據進行相關運算，尋找相關函數的峰值，確定渡越時間T，并根據儀表參數、溫度補償，獲得瞬時流量值和累積流量值，并將結果存于數據存儲單元，供顯示儀表顯示。

　　在相關流量測量中，關鍵問題之一是相關函數的計算方法，要求能高速、準確地完成對大量的隨機調制信號的采集、相關積分運算和相關函數的峰值搜索。相關函數的算法主要有極性重合法和零點穿越法兩種。為了提高運算速度，本系統采用頻域中的相關運算。輸入的數據通過FFT變換后，即可求出頻域中的相關運算。然后通過IFFT可得到時域中的相關結果，可以用來進行峰值搜索。

　　4 結語

　　在分析油田單井工況和相關流量測量原理的基礎上，設計出一種適合單井原油計量的裝置，經現場測試取得了較好的效果，其誤差小于2%。但還存在以下幾個問題：一是信號的起伏較大，主要是原油中含氣，含雜質不定，所以造成了信號差別大，需要檢測電路增加AGC電路。二是修正系數的整定困難，不同的井含水量不同，油液的粘度差別很大，同時在不同的溫度下，油液的流動性差別也很大，所以要在不同的環境下多次調整修正系數，給使用帶來不便。三是在流速較低時誤差比較大。這些都是今后研究中要加以改進的方面。