油氣井生產(chǎn)過程中會伴隨有砂粒、水、氣泡等物質(zhì)產(chǎn)生, 井下的溫度、壓力、粘度和導(dǎo)電率等因素也會影響測量精度, 因此, 從這一因素考慮則應(yīng)該使用超聲波頻差法流量計[1]。由多普勒原理知:發(fā)出的超聲波頻率與觀測者觀察到的超聲波頻率由于存在相對運動而不同。超聲波在此種流體中的傳播路徑會發(fā)生改變, 產(chǎn)生多普勒效應(yīng), 當流體靜止時, 不產(chǎn)生多普勒頻移, 所以沒有零點漂移問題[2]。

頻差法超聲波流量計系統(tǒng)設(shè)計有兩個探頭, 一個用于發(fā)射, 激勵源提供給探頭一個電振蕩信號, 使得探頭的磁場發(fā)生變化, 機械振動系統(tǒng)產(chǎn)生動力, 探頭處于震動狀態(tài)[3]。接收探頭與發(fā)射探頭相反, 發(fā)射探頭促使與之接觸的介質(zhì)也產(chǎn)生機械振動, 通過流體的傳播, 接收探頭也處于震動狀態(tài), 從而接收探頭的磁場發(fā)生變化, 在探頭的接收端產(chǎn)生一個電信號。

壓電效應(yīng)就是頻差法超聲波探頭的工作原理。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當電介質(zhì)受到一定方向的外力作用時, 會產(chǎn)生極化現(xiàn)象, 即:在電介質(zhì)的兩端出現(xiàn)正負相反的電荷, 當失去外力時, 此現(xiàn)象消失, 電介質(zhì)兩端無電荷, 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)[4], 且外力的大小與形成的電荷量成正比, 如圖1所示。逆壓電效應(yīng)與之相反, 在電介質(zhì)的兩端加上電場, 電介質(zhì)發(fā)生形變, 去掉電場時, 形變也同時消失, 此為逆壓電效應(yīng)[4], 如圖2所示。

發(fā)射探頭形成的機械振動使得接收探頭也處于震動狀態(tài), 這就相當于給壓電陶瓷一個壓力, 同時探頭就有電荷輸出。電荷大小Q與作用力F之間的關(guān)系為

d代表壓電陶瓷的壓力系數(shù)。

壓電陶瓷可以看作為一個電容C, 則電容U、電壓Q與電荷之間的關(guān)系為

由關(guān)系式 (1) 和 (2) 得

所以, 壓電陶瓷的壓力系數(shù)與輸出電壓成正比, 壓力系數(shù)越大, 探頭的靈敏度越高, 輸出電壓越大[5]。

本文設(shè)計了一套用于測試該壓電陶瓷傳感器性能的流量監(jiān)測模擬系統(tǒng), 如圖3所示。

其中1是循環(huán)桶;裝有一定比例混合起來的石油和水;2是動力系統(tǒng), 為系統(tǒng)循環(huán)提供動力;3是循環(huán)管道, 流體前進道路;4是超聲波多普勒傳感器, 發(fā)射和接收超聲信號;5是硬件電路, 處理系統(tǒng)中流體的流速信息并顯示;6標準流量計, 測量此裝置內(nèi)的流體流量。

循環(huán)系統(tǒng)的動力上電后, 流體從油桶中流出, 經(jīng)管道循環(huán)通過傳感器和流量計后又流入油桶。裝置中利用壓電陶瓷制作的超聲波流量監(jiān)測傳感器, 安裝在流體管道的兩側(cè), 根據(jù)多普勒原理測試流體中的數(shù)據(jù), 分析傳感器的靈敏度和系統(tǒng)的測試精度。

該系統(tǒng)裝置利用多普勒原理來測量管道內(nèi)的流體的速度, 然后再根據(jù)流速與管道橫截面積的關(guān)系從而得到流體的流量信息。流量的計算公式為[2]

其中D代表管道的內(nèi)徑, c代表超聲波的波速。因此若得到了管道內(nèi)徑;超聲探頭T發(fā)射的頻率fT;超波聲波進入流體中的方向角θ與多普勒頻差Δf即可計算出流體的流量Q大小[1]。

信號處理采用美國德州儀器 (TI) 公司研發(fā)的TMS320F2812芯片, 該芯片在C2000系列中性價比高、在工業(yè)上應(yīng)用廣泛[5]。其12位16通道的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊, 還可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣功能, 并且它32位的高運算精度以及150MIP的系統(tǒng)處理功能等功能模塊使它尤其適用于超聲波法測流體流量[1]。CPU發(fā)出命令使探頭驅(qū)動電路驅(qū)動壓電陶瓷傳感器發(fā)射超聲波信號, 由多普勒效應(yīng)可知, 接收探頭處接收到的超聲波信號頻率已經(jīng)發(fā)生改變, 并由信號接收電路將接收到的信號傳輸給低噪聲放大電路, 經(jīng)解調(diào)電路產(chǎn)生差頻信號傳輸給DSP, 中央處理器對得到的差頻信號模數(shù)轉(zhuǎn)換, 從而得到流體的流速與流量信息。本文設(shè)計的超聲波多普勒流量信號處理系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

在上述模擬系統(tǒng)環(huán)境下調(diào)整動力機, 將油和水按照一定的比例混合, 打開動力循環(huán)系統(tǒng)充分攪拌, 待系統(tǒng)流量穩(wěn)定后, 將本文提供的超聲波頻差法探頭接入測量裝置中, 開始測量流體的流量, 觀察并記錄該頻差法流量計的示數(shù)和普通流量計的示數(shù)。實驗是在常溫常壓下進行的, 選用的油為32號礦物機械油, 水為自來水, 在不同油、水比例下多次試驗得到如下的實驗數(shù)據(jù):

表1所示數(shù)據(jù)是在動力機轉(zhuǎn)速頻率為40Hz, 循環(huán)系統(tǒng)中流體流量為3.584m3/h, 含水率分別為18.6%, 32.5%, 43.1%時測得的數(shù)據(jù)。此次試驗中誤差***大為0.53%, 誤差***小時為0.03%, 在這三種油水比例9次試驗中總共有3次實驗誤差為0.03%, 1次0.08%, 2次0.14%, 1次0.20%, 1次0.42%, 1次0.53%。誤差平均值為0.1%左右, 誤差相對較小。

表2所示數(shù)據(jù)是在動力機轉(zhuǎn)速頻率為50Hz, 循環(huán)系統(tǒng)中流體流量為4.415m3/h, 含水率分別為18.6%, 32.5%, 43.1%時測得的數(shù)據(jù)。此次試驗中誤差***大為0.54%, 誤差***小時為0.05%。這9此實驗中有1次0.05%, 3次0.07%, 1次0.09%, 2次0.11%, 1次0.36%, 1次0.54%。誤差平均值為0.1%左右, 誤差相對較小。

結(jié)果表明:這六組18次實驗得到的數(shù)據(jù)與循環(huán)系統(tǒng)中流體的真實數(shù)據(jù)相近, 整體誤差在0.1%左右, 誤差相對較小。因此該壓電陶瓷探頭可以用作頻差法超聲波流量計的傳感器, 在此模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可稍加改進應(yīng)用于油田現(xiàn)場。