黨瑞榮++劉陽++宋汐瑾

摘要：為了提高油田注水開發(fā)工作的效率，設計了一種面向油田注水井參數測量的基于時差法的高精度超聲流量計，并在室內流體循環(huán)系統(tǒng)上進行了試驗，通過調整螺桿泵的轉速調節(jié)流量大小，將質量流量計作為標定儀器，試驗結果論證了設計的超聲流量計的測量精度基本滿足油田注水參數測量的使用要求。

關鍵詞：超聲流量計；時差法；注水井

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）09-0107-03

Design and Experimental Research of Ultrasonic Flowmeter Based on Time Difference Method

DANG Rui-rong，LIU Yang，SONG Xi-jin

（Xian Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian 710065， China）

Abstract：To improve the efficiency of oilfield water flooding， designed an ultrasonic flowmeter which based on the time difference method. Experimental was conducted on the basis of the indoor fluid cycle system. The speed of fluid is controlled by the screw pump and a mass flow meter is used as a marking apparatus. The experimental results show that the measuring accuracy of ultrasonic flow meter can basically meet the demands of oilfield water flooding.

Key words： ultrasonic flowmeter； time difference method； oilfield water injection well

隨著油田開發(fā)工作進入到中后期，各層間的矛盾越發(fā)突出。注水開發(fā)就是向油層注水增壓以保障油藏的壓力安全，但是一味加大注水量會導致油藏的含水率過高進而影響石油的采收率，所以進行及時、高效并且精確地注水參數測量可以保障油田穩(wěn)定高質量地生產，有效提高油田注水開發(fā)效率。因此針對油田注水開發(fā)研制出高精度的流量測量儀器對于提高注水工作效率和石油采收率具有重要的意義[1]。

目前，油田注水工作主要使用的流量計有：渦輪流量計，電磁流量計等。由于電磁流量計的電極直接接觸被測流體，容易受到腐蝕[2]；渦輪流量計容易纏繞雜物或者結水垢，機械結構也容易磨損導致測試結果不可靠。相較而言超聲流量計機械損壞率更低，有著更高的可靠性和測量精度 [3]，本文設計了一種基于時差法的高精度超聲流量計，它不與被測流體直接接觸因此不擾動被測流體的流動特性[2]。該裝置非常適用于油田應用，可以實現對單相流體的非接觸、實時監(jiān)測，為解決油田注水問題提供了有效的手段。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)選用的是Silicon Labs公司推出的C8051f500單片機，該單片機的數據處理的格式和處理速度完全滿足超聲法時間差測量的技術要求。C8051單片機的性能優(yōu)勢有：系統(tǒng)集成度高，總線時鐘可達25M，全兼容8051指令集，增加了中斷源，集成了豐富的模擬資源和豐富的外設接口并且增強了信號處理性能等[7]。高精度計時電路選用的是德國ACAM公司推出的一款高精度時間數字轉化芯片TDC-GP2，選擇合適的測量范圍可使它的測量精度達到PS級[8]。TDC-GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止信號使能，時鐘控制和溫度測量等功能，這些功能模塊使它尤其適用于超聲波法測流體流量[9]。

系統(tǒng)總體圍繞C8051和TDC-GP2來設計外圍電路。總體框圖如圖2所示：

C8051主要用來進行系統(tǒng)控制和數據處理，GP2主要用來采集換能器收、發(fā)信號的時間差。系統(tǒng)硬件主要包括高精度計時電路、發(fā)射驅動電路、放大濾波電路、通道切換電路等。在測量過程中，GP2在C8051的控制下實現與流量相關的時間參數的測量，并存在GP2的內部寄存器里，C8051將參數讀出后進行相應的數據處理與存儲。

系統(tǒng)上電后，存儲在C8051內部ROM中的程序被引導進C8051內部運行。C8051首先完成對自身和GP2的初始化設置，然后給模擬開關一個確定信號，使之處于一個確定狀態(tài)，這樣就可以確定兩個超聲波換能器是順流測量還是逆流測量。然后C8051給GP2發(fā)送命令， GP2的FIRE引腳發(fā)射信號，給一個超聲波傳感器提供激勵，同時也給GP2提供START信號。另一個超聲波傳感器接收到的信號經過放大濾波電路、調理電路后送回GP2，將其作為STOP信號，GP2通過計算START信號和STOP信號之間的時間差得出超聲波在流體中的傳播時間。然后，C8051改變模擬開關的通道開關狀態(tài)來切換兩個超聲換能器的收發(fā)狀態(tài)，再進行一次測量并得到一個傳播時間。將這兩個時間參數代入超聲時差法原理測流速的公式中即可計算出流體流速，然后C8051將計算的結果存入外部存儲器中。在測量完成后，將電路和計算機連接，將所測數據傳送到計算機進行流速曲線的繪制并作進一步的數據分析與處理。

3 軟件設計

根據時差法超聲波測流速的理論，流體流速與超聲波在流體中順流、逆流之間傳播的時間差成正比，只要獲取到超聲波順、逆流傳播的時間差即可計算出流速[10]，流量和累計流量也可以根據管徑和測量時長分別求得。采集流速的軟件流程框圖如圖3所示：

首先C8051對自身和對TDC-GP2進行初始化，然后啟動TDC-GP2，打開中斷。判斷中斷的有無，等待中斷來臨后C8051通過TDC-GP2的SPI口讀取測量數據并進行存儲。然后切換測量通道，重復以上的測量過程。等待中斷再次來臨，讀出測量數據。判斷循環(huán)是否達10次，若未達到10次，則重復以上過程；若循環(huán)已達10次，則對數據進行數字濾波，然后根據時間差計算流速并相應地計算出流量和累計流量。待數據處理完畢，將數據存儲在相應的存儲空間，以備數據回放和繪制曲線。

4 室內試驗裝置與流程

該試驗在室內的油氣井管道流體循環(huán)系統(tǒng)上進行，試驗平臺結構如圖4所示，其結構包括螺桿泵、管路、閥門、回收罐及各種輔助器件。

將質量流量計作為標定儀器，流體為自來水，將超聲換能器探頭置于與質量流量計同路徑的較長的直管段部分，探頭位置選取原則是換能器探頭前后的直管段長度要分別大于管徑的10倍和5倍，通過調節(jié)螺桿泵的轉速可以模擬不同流速下的管道流量，給回收罐注入足夠多的水量從而保證流體滿管流動，通過控制各管段上的閥門開關讓流體在管道和回收罐之間循環(huán)流動。

測試流程是先把整個系統(tǒng)裝好在被測管道上進行測試，將測量所得流量數據暫時存儲在靜態(tài)存儲器中，測量完畢再把系統(tǒng)與計算機進行連接，系統(tǒng)接收到計算機的指令后在上位機上進行數據回放與處理。

5 試驗結果與分析

試驗結果如表 1 所示。

由該組試驗數據可知，本文實現的超聲波流量計在單相流量測量中的測量誤差隨著管道流體流速的減小而增大。當變頻器的頻率設置在20Hz、25Hz時，流速相對誤差最高達到5.19%；當變頻器的頻率分別設置為30 Hz、35Hz、40Hz、45Hz和50Hz時，采用本文所設計的超聲流量計測得的流速其相對誤差大概在3.3%以內，室內模擬試驗的結果表明本文設計的流量計其測量精度基本滿足油田注水參數的計量要求。

參考文獻：

[1] 姚濱濱，張宏建，唐曉宇，等.基于時差法和TDC-GP2的超聲波流量測量方法[J].自動化儀表，2011（8）.

[2] 賈惠芹，時文娟，馮旭東，待. 一種提高超聲波多普勒流量計測量精度的方法[J].儀表技術與傳感器，2015（2）：35.

[3] 邵慧.TDC-GP21在時差法超聲波流量計中的應用[J].現代電子技術，2012（4）

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[10] 李利品.基于DSP的高精度超聲波流量控制系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2009（3）.