一种原油超声波相关流量计的设计

摘要：针对油田单井计量的困局，设计并实现了一种单井原油流量测量仪器。气液分离预处理环节解决气液分离和油液满管通过计量油管，由两对超声波传感器构成的检测环节解决非接触测量，而由超声波接收换能器和DSP构成的信号处理环节解决快速在线计量，在软件上运用基于超声波传感器的相关算法解决测量精度。现场测试表明，该流量计的计量误差很小。其特点在于从硬件结构和软件设计两个方面较好地解决了原油非接触在线计量。
关键词：超声波；相关流量计；预处理；检测；DSP

0 引言
    目前，在油田原油开采中面临的一个困难问题就是对开采的原油进行在线计量。主要原因是原油的成分非常复杂，原油中含油、水、气和其他杂质，属于多相复杂的流体，而且单井原油又是间歇流动，因此一般的流量计是无法满足的。本文设计了基于超声波相关流量计算的计量系统，较好地解决了原油非接触在线计量问题。

1 超声波相关流量计原理
    相关法利用相关技术测量流体流量。测量精度与流体中的声速无关，测量精度高，适用于多相流，干扰大的流体的测量。当流体在管道内流动时，如果含有其他杂质，其内部就存在着各种各样的随机扰动，从而产生了与流动状况有关的流动信号，并具有一定的统计特性。相关法流量计的结构如图1所示。A，A’和B，B’是两组超声波发射和接收换能器，L为上游换能器和下游换能器之间的距离。当超声波信号穿过管道时，超声波信号会受到流体中噪声的调制，调制后的超声波信号中就包含了流体速度场的信息，对此超声波信号进行分析，提取与流动状况有关的流动信号A(t)和B(t)，且将A(t)和B(t)作相关运算，得到相关函数RAB(τ)：
   

    该函数峰值所对应的时间位移为τ，就是流体从上游换能器传递到下游换能器的时间，即该系统中的传递时间(也称渡越时间)。流速的计算公式为：
   

    根据流速，进而求得流量：
   

    式中：D为管道的直径。

2 单井原油超声波相关流量测量系统结构
    如图1所示，单井流量测量系统主要由气液分离预处理，超声波检测，信号处理三部分构成。下面分别对这三部分进行分析。

2．1 气液分离预处理部分
    预处理部分其结构如图2所示。预处理部分的功能一是进行液气分离(抽油机抽出的原油中除了油液混合外，还含有气体和其他杂质，气体对油液测量会带来较大的误差，所以在对油液测量时必须进行气液分离)；二是解决间歇流动时的满管测量(抽油机工作时每次抽出的原油不等，而且是间歇流动，这样造成管道中油液可能不是满管，也会带来很大的测量误差)。基于这些原因在对油液测量前要进行预处理，经过预处理后实现气液分离和油液满管通过计量油管，减小计量误差。工作原理是：原油从进油口经沉沙罐后进入储油罐，在储油罐里进行油气分离，分离的气体从储油罐上阀门(出气阀)经气管道输出，当储油罐中的油液达到一定高度时，浮球上浮打开下阀门(出油阀)，同时上阀门封堵气口，建立压力，储油罐中的油在压力的作用下，通过测量管道流向出油口，当储油罐中的油液下降到一定的液位时，浮球下沉封堵下阀门，打开上阀门，这样重复工作完成气液分离。[!--empirenews.page--]
2．2 超声波检测部分
    检测部分主要是由两对超声波传感器构成。超声波传感器的检测是通过超声波的发射和接收能量来完成的，核心是换能器(将超声波能转换为电能或者将电能转换为超声波能，可逆换能器是指以相等的效率对两种形式的能量做相互转换的换能器)。常见的换能器有压电晶体振子、磁致伸缩振子等。用于相关流量测量的超声波一般有正弦波与脉冲波两种形式。脉冲超声波和正弦波的相关流量计都是对流场横截面的速度信息进行积分而得到流速的。本设计采用压电晶体超声波传感器，中心频率为200 kHz。为了克服驻波影响，超声波采用锁相环脉冲信号发生器。
2．3 信号处理部分
    信号处理部分主要由超声波接收换能器和DSP构成。
    信号调理电路由接收换能器、三级放大电路、滤波电路和包络检波电路组成。前置放大器由MAX410仪表用放大器模块构成，二级放大器和末级放大器由INA128精密低功耗仪表用放大器构成；滤波电路是由MAX275模拟集成滤波器构成的一个带通滤波器，中心频率为200 kHz，由TL14构成低通滤波器，主要取出检波后的信号，包络检波电路由二极管和电容构成峰值检波器。
    另一部分是由DSP模块组成的数据采集处理电路。该电路选用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前过程控制领域中，它是最先进的DSP微处理器，与传统的单片机相比，它具有功能强、资源丰富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并综合最佳的外设接口，它集成了闪存、高速A／D转换器、高性能的CAN模块等。
    测量时，上、下游发射换能器发射出高频超声波，超声波在流体中传播时，流动信号对超声波会产生幅值、相位和频率调制，接收换能器接收的高频调制信号，经滤波和放大后进行解调，获得流动信号，送至A／D转换器进行数据采集，采集的信息送至DSP进行相关处理，获得流体的流量。

3 系统程序设计
    软件系统包括DSP初始化、计算模块、流量显示、中断处理模块等部分。
    主程序流程图如图3所示，主程序完成初始化后，进入一个循环程序，对采样数据进行处理，随时响应外部A／D中断请求、串口通信中断请求和定时器中断请求，同时还要随时判断流量显示定时是否到达。主程序响应以上各中断请求并调用各个相应的处理程序，完成数据的采集和处理。

    初始化一方面是设置DSP的工作环境，另一方面是为后面的信号处理做准备。系统初始化程序包括影响DSP芯片CPU运行的内部初始化和影响各个外设工作的外设初始化，以及外围可编程器件(如A／D，D／A等)的初始化等几个方面，具体地说包括以下功能：设置时钟发生器，设置定时器，初始化各状态寄存器，开中断等。
    中断处理模块包括三个中断：定时器中断处理模块用于启动A／D转换器和控制采样频率，串行通信中断处理模块用于与上位机进行通信，A／D中断处理模块用于读取A／D转换器采样数据，其流程图如图4所示。
    显示模块定时刷新仪表，显示瞬时流量值和累积流量值。
    系统处理过程为：设定定时周期，定时器产生中断，此中断启动A／D转换器，转换结束后，A／D转换器向DSP请求读取数据中断，DSP响应A／D转换器中断请求，调用A／D中断处理模块，读取采样数据，送入数据缓冲区。由于流体是间歇流动，所以DSP接收到上、下游信号的N点数据后，对数据进行傅里叶分析，判断流体是否流动，如流动则调用计算程序，对采样数据进行相关运算，寻找相关函数的峰值，确定渡越时间T，并根据仪表参数、温度补偿，获得瞬时流量值和累积流量值，并将结果存于数据存储单元，供显示仪表显示。
    在相关流量测量中，关键问题之一是相关函数的计算方法，要求能高速、准确地完成对大量的随机调制信号的采集、相关积分运算和相关函数的峰值搜索。相关函数的算法主要有极性重合法和零点穿越法两种。为了提高运算速度，本系统采用频域中的相关运算。输入的数据通过FFT变换后，即可求出频域中的相关运算。然后通过IFFT可得到时域中的相关结果，可以用来进行峰值搜索。其流程图如图5所示。

4 结语
    在分析油田单井工况和相关流量测量原理的基础上，设计出一种适合单井原油计量的装置，经现场测试取得了较好的效果，其误差小于2％。但还存在以下几个问题：一是信号的起伏较大，主要是原油中含气，含杂质不定，所以造成了信号差别大，需要检测电路增加AGC电路。二是修正系数的整定困难，不同的井含水量不同，油液的粘度差别很大，同时在不同的温度下，油液的流动性差别也很大，所以要在不同的环境下多次调整修正系数，给使用带来不便。三是在流速较低时误差比较大。这些都是今后研究中要加以改进的方面。