王珊珊，吳凌云，余厚全 (長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

陳強(qiáng) (中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安 710077)

郭帥 (中石油渤海鉆探工程有限公司測井分公司，天津 300280)

一種改進(jìn)音叉式流體密度檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王珊珊，吳凌云，余厚全 (長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

陳強(qiáng) (中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安 710077)

郭帥 (中石油渤海鉆探工程有限公司測井分公司，天津 300280)

針對現(xiàn)有井下流體密度檢測方法的不足，提出了一種音叉式流體密度檢測方法。依據(jù)音叉?zhèn)鞲衅鞯闹C振頻率與待測流體密度成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系的原理，提出了閉環(huán)自激振蕩的設(shè)計(jì)方案，即將檢測到的頻率信號(hào)反饋給音叉?zhèn)鞲衅鳎蛊渥鲎约ふ袷?。通過測量其振動(dòng)頻率就能測出液體密度，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種音叉式流體密度檢測裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測裝置電路結(jié)構(gòu)簡單，在密度為0.832～1.27g/cm3測量范圍內(nèi)，最大測量誤差為0.0065g/cm3，分辨率可達(dá)到0.01g/cm3，可以滿足高精度流體密度測量要求。

壓電音叉；流體密度；鎖相環(huán)；自激驅(qū)動(dòng)；諧振頻率

在油田油氣開發(fā)過程中，流體密度常與持水率曲線結(jié)合使用，用于確定多相流體中油、氣、水的含量及沿井筒的分布規(guī)律[1]。因此，流體密度在線測量具有非常重要的意義。

目前，最主要的流體密度測量方法有放射性密度測量法和壓差密度測量法，但它們都存在著各自的缺點(diǎn)。放射性密度計(jì)測量范圍窄，響應(yīng)速度慢，靈敏性差，且需要放射性射線源，如果不能正確使用和防護(hù)會(huì)對人體、環(huán)境造成危害。壓差密度測量方法雖然環(huán)保，但受井斜、井內(nèi)流體流速、管柱尺寸等影響較大[2]。因此，研究一種測量精度更高、穩(wěn)定性更好、抗干擾能力更強(qiáng)而且環(huán)保的井下流體密度檢測方法具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。

諧振傳感器是一種基于諧振子諧振特性的新型傳感器，其諧振頻率與待測流體的密度成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，因而只要測量出其諧振頻率，就可得待測流體的密度。音叉式流體密度傳感器具有結(jié)構(gòu)小巧、穩(wěn)定性高、不受井下環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)[3]，適用于測量井下流體密度。目前國內(nèi)制作的音叉式流體密度傳感器性能穩(wěn)定，但是由于采用它激的開環(huán)驅(qū)動(dòng)方式，無法實(shí)時(shí)在線獲得井下流體密度。為此，筆者提出了閉環(huán)自激驅(qū)動(dòng)方案，即采用自激驅(qū)動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)音叉?zhèn)鞲衅鞯恼駝?dòng)，并在閉環(huán)回路中加入了頻率跟蹤環(huán)節(jié)，旨在能實(shí)時(shí)跟蹤音叉?zhèn)鞲衅髦C振頻率的變化，并維持其工作在諧振頻率處，實(shí)現(xiàn)在線測量。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及基本檢測原理

圖1 音叉?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)圖

音叉?zhèn)鞲衅髦饕梢舨骟w和壓電陶瓷組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。音叉體作為諧振子，用來檢測被測流體的密度。壓電陶瓷包括壓電激勵(lì)器和壓電拾振器，分別貼裝在2個(gè)叉體的基部。

壓電激勵(lì)器將驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，激勵(lì)音叉振動(dòng)。壓電拾振器將音叉機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出[4]。

當(dāng)給音叉施加一個(gè)激勵(lì)時(shí)，叉體按照自身的固有頻率振動(dòng)。如果將音叉置于不同密度的流體中時(shí)，它的振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)振動(dòng)理論可知，在阻尼較小或可忽略的情況下,音叉的諧振頻率f與其質(zhì)量mg和被測對象粘附在叉體上的質(zhì)量mc成反比，可用式(1)表示[4]:

(1)

式中，k是比例因子，為常數(shù)。

假設(shè)粘附在叉體上的流體體積V固定，由式(1)推導(dǎo)可得被測流體密度ρ：

(2)

由于準(zhǔn)確測量mg和V的值比較困難，因此通常用已知密度的介質(zhì)(如空氣、水等)來進(jìn)行未知密度介質(zhì)的測量。假設(shè)空氣、水、被測流體的密度分別為ρ氣(空氣密度近似真空的密度ρ氣=0)、ρ水、ρ流，音叉?zhèn)鞲衅髟诳諝?、水、被測流體中振動(dòng)頻率分別為f氣、f水、f流。根據(jù)式(2)推導(dǎo)可得：

(3)

(4)

所以有：

(5)

由式(5)可知，通過測量音叉?zhèn)鞲衅髟诖郎y流體中的諧振頻率，即可以確定待測流體的密度。

2 總體方案設(shè)計(jì)

圖2 開環(huán)驅(qū)動(dòng)方式系統(tǒng)工作框圖

目前市面上的音叉密度傳感器通常采用開環(huán)驅(qū)動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)音叉振動(dòng)，其系統(tǒng)工作框圖如圖2所示。微處理器產(chǎn)生一定范圍的掃頻方波信號(hào)，通過放大電路，作用于壓電激勵(lì)器，驅(qū)動(dòng)音叉的振動(dòng)。壓電拾振器拾取音叉振動(dòng)的信號(hào)，通過放大濾波電路處理后一路經(jīng)峰值檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存。另一路直接送入微處理器進(jìn)行頻率檢測后與電壓信號(hào)一并傳輸給上位機(jī)。通過上位機(jī)繪出頻率-電壓曲線，找到最大電壓值對應(yīng)的頻率。該頻率即為音叉?zhèn)鞲衅鞯闹C振頻率，最后將其換算為密度值[5]。

開環(huán)驅(qū)動(dòng)方式的檢測電路較為復(fù)雜，而且檢測精度與A/D轉(zhuǎn)換的精度有關(guān)，對器件選型的要求較高。另外，從頻率和電壓信號(hào)的處理、采集到發(fā)送給上位機(jī)繪制頻率-電壓曲線有一定的延遲時(shí)間，所以不能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測量。因此，筆者提出了驅(qū)動(dòng)音叉?zhèn)鞲衅髡駝?dòng)的閉環(huán)自激驅(qū)動(dòng)方式，音叉?zhèn)鞲衅髟谡駝?dòng)系統(tǒng)本身反饋回來的交變電壓的作用下產(chǎn)生周期性振動(dòng),此時(shí)音叉?zhèn)鞲衅鞯恼駝?dòng)頻率為其諧振頻率。

圖3 自激驅(qū)動(dòng)方式系統(tǒng)工作框圖

自激驅(qū)動(dòng)方式的系統(tǒng)工作框圖如圖3所示，主要由電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路和信號(hào)處理及通訊模塊組成。其中驅(qū)動(dòng)電路是維持音叉?zhèn)鞲衅髦C振、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測量的關(guān)鍵，與檢測電路和傳感器模塊組成閉環(huán)回路，使音叉?zhèn)鞲衅髯鲎约ふ駝?dòng)。

自激驅(qū)動(dòng)方式系統(tǒng)的工作過程如下：電路上電后，壓電拾振器將拾取到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過檢測電路處理后反饋到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)音叉的振動(dòng)。微處理器對濾波整形后的方波信號(hào)進(jìn)行頻率測量，然后將頻率轉(zhuǎn)換成密度值發(fā)送給上位機(jī)。

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

由于被測流體密度變化會(huì)引起音叉?zhèn)鞲衅髦C振頻率發(fā)生偏移，因此為維持音叉?zhèn)鞲衅鞴ぷ髟谥C振頻率處，要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率實(shí)時(shí)跟隨音叉振動(dòng)頻率的變化，也就是說驅(qū)動(dòng)電路要具備頻率跟蹤功能。方案采用集成鎖相環(huán)CD4046來實(shí)現(xiàn)其頻率跟蹤。

圖4 帶解鎖的頻率跟蹤電路圖

在測量過程中，音叉?zhèn)鞲衅髟谕饨珉S機(jī)干擾信號(hào)的作用下，振動(dòng)頻率突然變大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鎖相環(huán)的上限頻率, 導(dǎo)致鎖相環(huán)死鎖在上限頻率,這時(shí)需要人為重新啟動(dòng), 才能恢復(fù)跟蹤狀態(tài)。鎖相環(huán)的這種缺點(diǎn)不利于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測量。因此，筆者提出了改進(jìn)方案，即在鎖相環(huán)的頻率跟蹤電路中加入解鎖模塊[6]。帶解鎖的頻率跟蹤電路如圖4所示。

將檢測電路處理后的信號(hào)作為鎖相環(huán)的輸入信號(hào)Ui，壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo作為音叉?zhèn)鞲衅鞯尿?qū)動(dòng)信號(hào)。調(diào)節(jié)Rp1使電壓比較器U1的反向輸入端電壓略低于電源電壓，與壓控振蕩器的控制電壓Ud進(jìn)行比較，用來檢測鎖相環(huán)是否進(jìn)入上限死鎖。脈沖展寬電路主要用來控制模擬開關(guān)的閉合，完成解鎖功能。壓控振蕩器的頻率調(diào)節(jié)范圍由R1、R2和C1決定，其上限頻率為[4]：

(6)

下限頻率為：

(7)

電路的工作過程為：當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入上限死鎖時(shí)，壓控振蕩器的控制電壓Ud等于電源電壓，比較器U1輸出為高電平。脈沖展寬電路產(chǎn)生一個(gè)寬脈沖，使模擬開關(guān)閉合，濾波電容C2通過R4、R5放電，9腳電壓降低為零，壓控振蕩器輸出頻率復(fù)位到下限頻率fL，電壓比較器輸出低電平，模擬開關(guān)斷開。此時(shí)鎖相環(huán)重新掃頻，并再次鎖定到音叉?zhèn)鞲衅鞯闹C振頻率上。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)前對音叉密度傳感器進(jìn)行2點(diǎn)刻度，分別測得音叉在空氣和水中的振動(dòng)頻率為f氣=318.3Hz和f水=245.0Hz，空氣和水的密度為ρ氣=0g/cm3和ρ水=1.001g/cm3。在目前所能得到的精確密度樣本基礎(chǔ)上對音叉式流體密度傳感器進(jìn)行測試，利用單片機(jī)來測量其輸出信號(hào)頻率，并將其與刻度的數(shù)據(jù)代入式(5)，得到ρ1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1。其中樣本1至樣本10是由柴油和水混合配置的密度小于1的乳狀樣品；樣本11至樣本28是由蔗糖、水以及鹽混合配制的密度大于1的樣品。表1中，ρ為被測樣本實(shí)際密度，ρ1表示測量密度，ρ1-ρ表示測量誤差，f為音叉?zhèn)鞲衅鞯闹C振頻率。將表1中實(shí)測樣本密度與振動(dòng)頻率的平方值做二次曲線擬合，得到的圖形見圖5。

表1 音叉式流體密度傳感器測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線

從表1中數(shù)據(jù)可以看到，在密度為0.832～1.27g/cm3測量范圍內(nèi)，最大測量誤差為0.0065g/cm3,分辨率可達(dá)到0.01g/cm3。從圖5及其擬合公式中可以看出，擬合得到的二次曲線的R2值(R為相關(guān)系數(shù))均為0.9974，說明實(shí)測點(diǎn)線性相關(guān)性很高。

5 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)流體密度的在線實(shí)時(shí)檢測，設(shè)計(jì)了一種基于閉環(huán)自激振蕩原理的音叉式流體密度檢測裝置。采用自激驅(qū)動(dòng)方式，并在閉環(huán)反饋回路中加入了帶解鎖的頻率跟蹤電路，有效的消除了由于外界干擾引起的上限死鎖，有較好的穩(wěn)頻作用和良好的頻率跟蹤性能。該檢測系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、集成度高。試驗(yàn)結(jié)果證明，該檢測系統(tǒng)具有測量精度高、分辨率高、性能穩(wěn)定、便于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，適用于石油化工、食品加工、造紙和紡織印染等行業(yè)的液體密度檢測。

[1]韓波.音叉密度測井儀的測量原理及電路設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古石油化工,2014(4):59～60.

[2] 王友春,李疾翎.FDI音叉密度儀的原理及應(yīng)用效果分析[J].國外測井技術(shù)，2014(3):65～67.

[3] 桂興春,王華,張濱華.一種音叉式液體密度傳感器的研究[J].自動(dòng)化儀表，2006,27(3):28～30.

[4] 范躍龍，鄒炎，萬學(xué)華，等.壓電音叉及其應(yīng)用[J].壓電與聲光，2006,28(2):173～175.

[5] 徐軍.石英音叉諧振式溫度傳感器及關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[6] 王艷東,李赫,王敏慧,等.鎖相環(huán)跟蹤超聲振動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率的改進(jìn)[J].聲學(xué)技術(shù),2007, 26(2): 253～256.

[編輯] 易國華

2016-12-17

王珊珊(1993-)，女，碩士生，現(xiàn)主要從事測井方法與儀器方面的研究工作。

吳凌云(1963-)，女，碩士，副教授，現(xiàn)主要從事自動(dòng)檢測與控制及自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作,1806353726@qq.com。

TP212

A

1673-1409(2017)05-0049-05

[引著格式]王珊珊，吳凌云，余厚全，等.一種改進(jìn)音叉式流體密度檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(5)：49～53.