林中雨，王東明，段　文.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司（黑龍江　大慶　634）.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠（黑龍江　大慶　63000）

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計(jì)量

液面測(cè)試儀的計(jì)量量傳溯源技術(shù)與方法初探

林中雨1，王東明2，段文1
1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司（黑龍江大慶163114）
2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠（黑龍江大慶163000）

長(zhǎng)期以來液面測(cè)試儀器無法進(jìn)行量值溯源和量值傳遞，通過對(duì)比排除法，論述了采用聲波法來校準(zhǔn)液面測(cè)試儀的可行性。研制了液面測(cè)試儀檢定器，實(shí)現(xiàn)了液面測(cè)試儀的校準(zhǔn)，證明此方法能夠?qū)崿F(xiàn)量值的溯源和傳遞，能夠順利完成液面測(cè)試儀的校準(zhǔn)工作。結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，完善了校準(zhǔn)的操作方法和誤差計(jì)算公式，確保了液面測(cè)試儀校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化操作。

液面測(cè)試儀；量值溯源；量值傳遞；校準(zhǔn)

采油井的液面測(cè)試資料是了解其泵況和油層供液能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，抽油機(jī)要根據(jù)示功圖和液面資料進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，使抽油機(jī)處于合理的工作狀態(tài)。液面測(cè)試資料還能夠了解油層經(jīng)過相關(guān)措施后所見到的效果。錄取液面資料的裝置稱為液面測(cè)試儀器，目前具有液面測(cè)試功能的儀器有綜合測(cè)試儀、示功儀和液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。

液面測(cè)試儀在投入測(cè)試時(shí)要進(jìn)行校準(zhǔn)。目前有關(guān)液面測(cè)試儀的校準(zhǔn)方法沒有建立，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)液面測(cè)試儀的檢測(cè)和校準(zhǔn)，沒有適用的標(biāo)準(zhǔn)器具或設(shè)備，更沒有相關(guān)的校準(zhǔn)規(guī)程來執(zhí)行。通過分析對(duì)比和實(shí)驗(yàn)，找到了適用于液面測(cè)試儀器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)源，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)制定出切實(shí)可行的校準(zhǔn)方法，并且建立了完整的量值溯源和傳遞體系，然后制定出液面測(cè)試儀器校準(zhǔn)規(guī)程，實(shí)現(xiàn)液面測(cè)試儀器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

1　標(biāo)準(zhǔn)源的選擇和確定

1.1室外模擬井校準(zhǔn)

液面測(cè)試儀的校準(zhǔn)應(yīng)該建立深度大于2 000m的標(biāo)準(zhǔn)模擬井，在模擬井內(nèi)安裝n個(gè)音標(biāo)，還需要一套加壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。此方法存在的問題：一是投資巨大，需要幾百萬元；二是模擬井的量值傳遞無法進(jìn)行；三是如果模擬井建在室外，給管理和校準(zhǔn)工作帶來諸多不便；四是模擬井存在進(jìn)入液體的危險(xiǎn)。所以此方法一直無法實(shí)施。

1.2室內(nèi)模擬井校準(zhǔn)

在室內(nèi)安裝一定長(zhǎng)度的軟管作為模擬井，將軟管在地面盤成圓圈以減少占地面積，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制氣體加壓，整個(gè)模擬井系統(tǒng)的投資在10萬元左右。此方法存在的問題：一是如果模擬井太淺（假設(shè)200m），根本無法檢測(cè)液面測(cè)試儀的誤差，如果安裝1 000m以上的模擬井，室內(nèi)沒有那么大的空間；二是無法進(jìn)行量值傳遞。因此該方法實(shí)施起來困難很大。

1.3利用聲波法校準(zhǔn)

以往用于液面測(cè)試的儀器是雙頻道回聲儀。其液面測(cè)試檢定方法是：將5Hz的信號(hào)源輸入到線路板的微音器信號(hào)入口處，以此來檢測(cè)回聲儀的走紙誤差（圖1）。這種方法顯然不是對(duì)液面測(cè)試功能的整個(gè)線路（包括微音器在內(nèi)）進(jìn)行檢定。

圖1　雙頻道回聲儀液面檢測(cè)示意框圖

經(jīng)過進(jìn)一步分析，液面測(cè)試是利用微音器對(duì)抽油機(jī)井環(huán)形空間內(nèi)的聲波進(jìn)行測(cè)試，首先利用油管接箍波計(jì)算聲速，再利用液面波的反射時(shí)間乘以聲速確定液面深度。由此可以確定采用聲波法對(duì)液面測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)是可行的。又因?yàn)橐好嫔疃仁峭ㄟ^聲速和液面波反射時(shí)間的乘積計(jì)算的，聲速又是通過幾根已知長(zhǎng)度的油管除以聲波在此段油管上的傳播時(shí)間計(jì)算的，這里起關(guān)鍵作用的是時(shí)間，這里所指的時(shí)間是液面測(cè)試儀對(duì)接箍波和液面波傳播時(shí)間的測(cè)量。因此可以通過采用固定頻率的聲波對(duì)液面測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，見圖2。

圖2　雙頻道回聲儀液面檢測(cè)示意框圖

2　校準(zhǔn)裝置的研制

2.1液面測(cè)試儀檢定器的研制

采用聲波法校準(zhǔn)液面測(cè)試儀，首先要有一定強(qiáng)度的聲源，為此設(shè)計(jì)加工了液面測(cè)試儀檢定器（圖3），采用標(biāo)準(zhǔn)井深測(cè)試儀5Hz的信號(hào)源（圖4），其輸出幅度為20mV,經(jīng)前置放大為500mV至1 000mV。再經(jīng)過功率放大后，輸出功率大于20W的聲波信號(hào)（圖5），用于液面測(cè)試儀的校準(zhǔn)。

圖3　液面測(cè)試儀檢定器

圖4　井深測(cè)試儀5Hz信號(hào)源

2.2液面測(cè)試儀檢定器技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓為（220±10）V；額定功率為15W；信號(hào)源輸出為5Hz、20mV；功率放大輸出中頻率為5Hz、功率為0～30W；直流電源為±15V、+10V。

圖5　功率放大后的5Hz信號(hào)

3　液面測(cè)試儀校準(zhǔn)過程

3.1液面測(cè)試儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)聲波測(cè)試

將液面測(cè)試儀檢定器的喇叭對(duì)準(zhǔn)液面測(cè)試儀的井口裝置接口處，啟動(dòng)校準(zhǔn)裝置工作，同時(shí)液面測(cè)試儀進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)聲波進(jìn)行測(cè)試。具體情況見圖6、圖7。

圖6　液面檢測(cè)儀測(cè)試曲線1

圖7　液面檢測(cè)儀測(cè)試曲線2

從圖6和圖7可看出，液面測(cè)試儀檢定器高頻信號(hào)較弱，在測(cè)試曲線上響應(yīng)不夠明顯，低頻信號(hào)液面測(cè)試儀響應(yīng)較好，因此利用低頻波對(duì)液面測(cè)試儀進(jìn)行誤差分析和計(jì)算。

3.2液面測(cè)試誤差計(jì)算

液面測(cè)試誤差采用如下公式，選取N個(gè)周期的液面測(cè)試波，液面的誤差計(jì)算公式：

式中：δT為被校準(zhǔn)綜合測(cè)試儀液面深度示值誤差，%；TC為被校準(zhǔn)綜合測(cè)試儀N個(gè)周期測(cè)試波的持續(xù)時(shí)間，s；TN為N個(gè)周期標(biāo)準(zhǔn)聲源的持續(xù)時(shí)間，s；V為聲波速度，m/s。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試情況，建議N應(yīng)大于25。

4　量值溯源與傳遞圖

任何計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)都要進(jìn)行量值溯源和傳遞，液面測(cè)試儀檢定器的量值溯源與傳遞圖如圖8所示。

5　應(yīng)用

5.1ZJY-3型液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的校準(zhǔn)

圖6和圖7是ZJY-3型液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀校準(zhǔn)的曲線，通過液面測(cè)試儀檢定器已經(jīng)對(duì)在用的17臺(tái)液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了校準(zhǔn)。

5.2HYKJ型、CYZ-2B型液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的校準(zhǔn)

儀器能夠測(cè)試出波形，但需要廠家修改儀器軟件，才能對(duì)該兩種型號(hào)液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

6　標(biāo)準(zhǔn)的制定

2014年在制定國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)過程中，采用“聲波法”校準(zhǔn)液面測(cè)試儀器的方法，已經(jīng)寫入了標(biāo)準(zhǔn)的條款當(dāng)中，此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)申報(bào)國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)審核。采用“聲波法”校準(zhǔn)液面測(cè)試儀的方法已經(jīng)申報(bào)國家專利。

圖8　綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)量值溯源與傳遞圖

采用“聲波法”校準(zhǔn)液面測(cè)試儀，具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）投入少，操作簡(jiǎn)單方便，誤差計(jì)算沒有中間變量，不受井深和室內(nèi)空間限制。

2）標(biāo)準(zhǔn)聲波的頻率誤差為±4.0×10-4Hz，遠(yuǎn)小于液面測(cè)試儀±0.5%的誤差要求，符合不確定度的測(cè)量要求。

7　結(jié)論

1）采用“聲波法”校準(zhǔn)液面測(cè)試儀具有操作簡(jiǎn)便、投資低的特點(diǎn)，實(shí)踐證明這是切實(shí)可行的方法。

2）液面測(cè)試儀檢定器不但具有量值可溯源性，還能夠?qū)崿F(xiàn)量值的正常傳遞，實(shí)現(xiàn)了液面測(cè)試儀的正常校準(zhǔn)。

3）液面測(cè)試儀校準(zhǔn)工作的開展，結(jié)束了液面測(cè)試儀無法校準(zhǔn)的歷史，通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，使液面測(cè)試儀的校準(zhǔn)走上了標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化的軌道。

[1]張龍興.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

[2]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示指南[M].北京：中國計(jì)量出版社，2005.

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[4]石油工業(yè)油氣計(jì)量及分析方法專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電子示功儀校準(zhǔn)方法：SY/T 6678-2007[S].

[5]陳有卿.通用集成電路應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京：中國電力出版社，2007.

The quantity value traceability and quantity value transfer of the liquid level measuring instrument can not be finished for a long time. The feasibility of calibrating the liquid level measuring instrument using sound wave method is expounded by comparative ex?clusion method. The tester of the liquid level measuring instrument is developed, and the calibration of it is realized. It is proved that this method can realize the traceability and transmission of the quantity value, and can finish the calibration work of the level measuring instrument. Combined with the industry standard, the calibration method and the error calculation formula are improved, and the stan?dardization operation of the calibration of the liquid level measuringinstrument is ensured.

liquid level measuringinstrument; quantity value traceability；quantity value transfer；calibration

林中雨（1964-），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事測(cè)試儀器維修與檢定工作。

本文編輯：左學(xué)敏2015-12-10