目前,，在油田原油開(kāi)采中面臨的一個(gè)困難問(wèn)題就是對(duì)開(kāi)采的原油進(jìn)行在線計(jì)量。主要原因是原油的成分非常復(fù)雜,，原油中含油,、水、氣和其他雜質(zhì),，屬于多相復(fù)雜的流體,，而且單井原油又是間歇流動(dòng)，因此一般的流量計(jì)是無(wú)法滿足的,。本文設(shè)計(jì)了基于超聲波相關(guān)流量計(jì)算的計(jì)量系統(tǒng),，較好地解決了原油非接觸在線計(jì)量問(wèn)題。
1,、超聲波相關(guān)流量計(jì)原理
相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流體流量。測(cè)量精度與流體中的聲速無(wú)關(guān),，測(cè)量精度高,，適用于多相流，干擾大的流體的測(cè)量,。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí),，如果含有其他雜質(zhì)，其內(nèi)部就存在著各種各樣的隨機(jī)擾動(dòng),，從而產(chǎn)生了與流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)信號(hào),，并具有一定的統(tǒng)計(jì)特性。相關(guān)法流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
A,，A’和B，B’是兩組超聲波發(fā)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(dāng)超聲波信號(hào)穿過(guò)管道時(shí)，超聲波信號(hào)會(huì)受到流體中噪聲的調(diào)制,，調(diào)制后的超聲波信號(hào)中就包含了流體速度場(chǎng)的信息,，對(duì)此超聲波信號(hào)進(jìn)行分析,，提取與流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)信號(hào)A（t）和B（t），且將A（t）和B（t）作相關(guān)運(yùn)算,，得到相關(guān)函數(shù)RAB（τ）：
該函數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)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(shí)間，即該系統(tǒng)中的傳遞時(shí)間（也稱(chēng)渡越時(shí)間）,。流速的計(jì)算公式為：
根據(jù)流速,，進(jìn)而求得流量：
式中：D為管道的直徑。
2,、單井原油超聲波相關(guān)流量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示,，單井流量測(cè)量系統(tǒng)主要由氣液分離預(yù)處理，超聲波檢測(cè),，信號(hào)處理三部分構(gòu)成,。下面分別對(duì)這三部分進(jìn)行分析。
2.1氣液分離預(yù)處理部分
預(yù)處理部分其結(jié)構(gòu)如圖2所示,。預(yù)處理部分的功能一是進(jìn)行液氣分離（抽油機(jī)抽出的原油中除了油液混合外,，還含有氣體和其他雜質(zhì)，氣體對(duì)油液測(cè)量會(huì)帶來(lái)較大的誤差,，所以在對(duì)油液測(cè)量時(shí)必須進(jìn)行氣液分離）,；二是解決間歇流動(dòng)時(shí)的滿管測(cè)量（抽油機(jī)工作時(shí)每次抽出的原油不等，而且是間歇流動(dòng),，這樣造成管道中油液可能不是滿管,，也會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)量誤差）?；谶@些原因在對(duì)油液測(cè)量前要進(jìn)行預(yù)處理,，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后實(shí)現(xiàn)氣液分離和油液滿管通過(guò)計(jì)量油管，減小計(jì)量誤差,。工作原理是：原油從進(jìn)油口經(jīng)沉沙罐后進(jìn)入儲(chǔ)油罐,，在儲(chǔ)油罐里進(jìn)行油氣分離，分離的氣體從儲(chǔ)油罐上閥門(mén)（出氣閥）經(jīng)氣管道輸出,，當(dāng)儲(chǔ)油罐中的油液達(dá)到一定高度時(shí),，浮球上浮打開(kāi)下閥門(mén)（出油閥），同時(shí)上閥門(mén)封堵氣口,，建立壓力,，儲(chǔ)油罐中的油在壓力的作用下，通過(guò)測(cè)量管道流向出油口,，當(dāng)儲(chǔ)油罐中的油液下降到一定的液位時(shí),，浮球下沉封堵下閥門(mén)，打開(kāi)上閥門(mén),，這樣重復(fù)工作完成氣液分離,。
2.2超聲波檢測(cè)部分
檢測(cè)部分主要是由兩對(duì)超聲波傳感器構(gòu)成,。超聲波傳感器的檢測(cè)是通過(guò)超聲波的發(fā)射和接收能量來(lái)完成的，核心是換能器（將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能,，可逆換能器是指以相等的效率對(duì)兩種形式的能量做相互轉(zhuǎn)換的換能器）,。常見(jiàn)的換能器有壓電晶體振子、磁致伸縮振子等,。用于相關(guān)流量測(cè)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(guān)流量計(jì)都是對(duì)流場(chǎng)橫截面的速度信息進(jìn)行積分而得到流速的。本設(shè)計(jì)采用壓電晶體超聲波傳感器,，中心頻率為200kHz,。為了克服駐波影響，超聲波采用鎖相環(huán)脈沖信號(hào)發(fā)生器,。
2.3信號(hào)處理部分
信號(hào)處理部分主要由超聲波接收換能器和DSP構(gòu)成,。
信號(hào)調(diào)理電路由接收換能器、三級(jí)放大電路,、濾波電路和包絡(luò)檢波電路組成,。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構(gòu)成，二級(jí)放大器和末級(jí)放大器由INA128精密低功耗儀表用放大器構(gòu)成,；濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構(gòu)成的一個(gè)帶通濾波器,，中心頻率為200kHz，由TL14構(gòu)成低通濾波器,，主要取出檢波后的信號(hào),，包絡(luò)檢波電路由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波器。
另一部分是由DSP模塊組成的數(shù)據(jù)采集處理電路,。該電路選用TI公司的TMS320F2812DSP芯片,。在目前過(guò)程控制領(lǐng)域中，它是最先進(jìn)的DSP微處理器,，與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，它具有功能強(qiáng),、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(shè)接口,，它集成了閃存,、高速A／D轉(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等,。
測(cè)量時(shí),，上、下游發(fā)射換能器發(fā)射出高頻超聲波,，超聲波在流體中傳播時(shí),，流動(dòng)信號(hào)對(duì)超聲波會(huì)產(chǎn)生幅值,、相位和頻率調(diào)制，接收換能器接收的高頻調(diào)制信號(hào),，經(jīng)濾波和放大后進(jìn)行解調(diào),，獲得流動(dòng)信號(hào)，送至A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,，采集的信息送至DSP進(jìn)行相關(guān)處理,，獲得流體的流量。
3,、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)包括DSP初始化,、計(jì)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(jìn)入一個(gè)循環(huán)程序,，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨時(shí)響應(yīng)外部A／D中斷請(qǐng)求,、串口通信中斷請(qǐng)求和定時(shí)器中斷請(qǐng)求,，同時(shí)還要隨時(shí)判斷流量顯示定時(shí)是否到達(dá)。主程序響應(yīng)以上各中斷請(qǐng)求并調(diào)用各個(gè)相應(yīng)的處理程序,，完成數(shù)據(jù)的采集和處理,。
初始化一方面是設(shè)置DSP的工作環(huán)境，另一方面是為后面的信號(hào)處理做準(zhǔn)備,。系統(tǒng)初始化程序包括影響DSP芯片CPU運(yùn)行的內(nèi)部初始化和影響各個(gè)外設(shè)工作的外設(shè)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(gè)方面,，具體地說(shuō)包括以下功能：設(shè)置時(shí)鐘發(fā)生器,，設(shè)置定時(shí)器，初始化各狀態(tài)寄存器,，開(kāi)中斷等,。
中斷處理模塊包括三個(gè)中斷：定時(shí)器中斷處理模塊用于啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)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(jī)進(jìn)行通信,，A／D中斷處理模塊用于讀取A／D轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù),，其流程圖如圖4所示。
圖4 A/D中斷處理程序流程
顯示模塊定時(shí)刷新儀表,，顯示瞬時(shí)流量值和累積流量值,。
系統(tǒng)處理過(guò)程為：設(shè)定定時(shí)周期，定時(shí)器產(chǎn)生中斷,，此中斷啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器,，轉(zhuǎn)換結(jié)束后,，A／D轉(zhuǎn)換器向DSP請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)中斷，DSP響應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器中斷請(qǐng)求,，調(diào)用A／D中斷處理模塊,，讀取采樣數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),。由于流體是間歇流動(dòng),，所以DSP接收到上、下游信號(hào)的N點(diǎn)數(shù)據(jù)后,，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析,，判斷流體是否流動(dòng)，如流動(dòng)則調(diào)用計(jì)算程序,，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,，尋找相關(guān)函數(shù)的峰值，確定渡越時(shí)間T,，并根據(jù)儀表參數(shù),、溫度補(bǔ)償，獲得瞬時(shí)流量值和累積流量值,，并將結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,，供顯示儀表顯示。
在相關(guān)流量測(cè)量中,，關(guān)鍵問(wèn)題之一是相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法,，要求能高速、準(zhǔn)確地完成對(duì)大量的隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的采集,、相關(guān)積分運(yùn)算和相關(guān)函數(shù)的峰值搜索,。相關(guān)函數(shù)的算法主要有極性重合法和零點(diǎn)穿越法兩種。為了提高運(yùn)算速度,，本系統(tǒng)采用頻域中的相關(guān)運(yùn)算,。輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)FFT變換后，即可求出頻域中的相關(guān)運(yùn)算,。然后通過(guò)IFFT可得到時(shí)域中的相關(guān)結(jié)果,，可以用來(lái)進(jìn)行峰值搜索。
4,、結(jié)語(yǔ)
在分析油田單井工況和相關(guān)流量測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種適合單井原油計(jì)量的裝置,，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得了較好的效果,，其誤差小于2％。但還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：一是信號(hào)的起伏較大,，主要是原油中含氣,，含雜質(zhì)不定,，所以造成了信號(hào)差別大，需要檢測(cè)電路增加AGC電路,。二是修正系數(shù)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(shí)在不同的溫度下,，油液的流動(dòng)性差別也很大，所以要在不同的環(huán)境下多次調(diào)整修正系數(shù),，給使用帶來(lái)不便,。三是在流速較低時(shí)誤差比較大。這些都是今后研究中要加以改進(jìn)的方面,。