吳生杰 解安偉

青海北捷新材料科技有限公司，青海西寧 810021

在石油開(kāi)采行業(yè)，對(duì)輸油管道中的油、水、氣多相流的檢測(cè)，是能監(jiān)控油田開(kāi)采量和計(jì)算出油量的方法。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)計(jì)量方式為將油、水、氣多相流進(jìn)行分離再逐一計(jì)量，其缺點(diǎn)是儀器設(shè)備多、監(jiān)測(cè)計(jì)量復(fù)雜、精確度低、造價(jià)昂貴。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多相流量計(jì)因無(wú)須將油、水、氣預(yù)分離，在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)量、計(jì)量精確度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，多相流量計(jì)得到廣泛應(yīng)用與推廣。本文以輸油管道中的油、水、氣多相流為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用壓差傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等傳感檢測(cè)元件，監(jiān)測(cè)與測(cè)量多相流的參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)反映被測(cè)多相流的流動(dòng)特征，并運(yùn)用數(shù)字模擬信號(hào)處理、信號(hào)通信技術(shù)對(duì)測(cè)量的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)多相流的自動(dòng)檢測(cè)功能。

1 多相流量計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

多相流量計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，既滿(mǎn)足系統(tǒng)可擴(kuò)展性，又保證系統(tǒng)模塊可更新?lián)Q代。其硬件有上位機(jī)、模塊化的傳感器部分、通訊總線(xiàn)。其中模塊化的傳感器部分可有溫度檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、超聲波檢測(cè)模塊等，模塊間、模塊與上位機(jī)間的通訊采用CAN總線(xiàn)連接，CAN模塊完成CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)和RS-232串行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與下達(dá)；各傳感器檢測(cè)模塊以單片機(jī)為主，分別配有各類(lèi)傳感器如：電導(dǎo)含水傳感器、超聲波傳感器、流體溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器、流體壓力傳感器等，以及與CAN總線(xiàn)通訊的CAN接口電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量油、氣、水多相流溫度和壓力、流體的平均流速等功能。其系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

其自動(dòng)檢測(cè)流程為：但系統(tǒng)的電自檢后，上位機(jī)發(fā)出參數(shù)檢測(cè)指令，各傳感器檢測(cè)模塊接受指令再自檢狀態(tài)，并在上位機(jī)顯示傳感器檢測(cè)模塊的狀態(tài)情況。上位機(jī)通過(guò)通信中學(xué)定時(shí)從各傳感器檢測(cè)模塊讀取各檢測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算處理、存儲(chǔ)顯示，可得溫度、壓力、流速、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等多相流參數(shù)，用戶(hù)可在上位機(jī)操作界面讀取各類(lèi)參數(shù)，也可修改控制。但在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常數(shù)據(jù)時(shí)，可及時(shí)報(bào)警并將故障事件存檔。

2 多相流量計(jì)的傳感器檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

多相流量計(jì)的傳感器檢測(cè)模塊部分可有溫度檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、超聲波檢測(cè)模塊等，其各檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)核心重點(diǎn)。

2.1 超聲波檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

多相流體的含水率、含氣率和含油率可通過(guò)超聲波檢測(cè)模塊測(cè)量出來(lái)。其原理是激勵(lì)超聲波發(fā)射器，發(fā)射固定頻率的超聲波，穿過(guò)被測(cè)多相流體或裝有多相流體的管道介質(zhì)，超聲波有能量損耗，超聲波接收器接收和輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)到計(jì)算控制單位，計(jì)算超聲波前后的能量損失，并結(jié)合多相流體的測(cè)截面含水率，求解方程組從而求得含油率和含氣率，同時(shí)利用溫度傳感器檢測(cè)模塊和壓力傳感器模塊測(cè)量的多相流體的溫度和壓力修正含水率、含氣率和含油率的數(shù)值。硬件包括C8051F041單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器、接收器及接收電路等元件組成，其中超聲波發(fā)射換能器需要發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)生固定脈沖寬度和固定頻率的超聲波脈沖穿透被測(cè)多相流體。而超聲波接收器需配合接收電路，將超聲波信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、半波整流電路處理，得到滿(mǎn)足要求的脈沖信號(hào)，最后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取出所要測(cè)量的參數(shù)。如圖2所示。

圖2 超聲波檢測(cè)模塊原理圖

2.2 溫度和壓力檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

多相流體的溫度和壓力數(shù)據(jù)采樣和測(cè)量計(jì)算是通過(guò)溫度和壓力傳感器檢測(cè)模塊進(jìn)行的。其傳感器選擇Pt100溫度傳感器和CERAMET壓阻式壓力傳感器，數(shù)據(jù)處理以C8051F041單片機(jī)為核心，再通過(guò)通信總線(xiàn)向溫度和壓力傳感器檢測(cè)模塊發(fā)送檢測(cè)指令，接收請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令或修改儀表參數(shù)命令并做出相應(yīng)信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。其中Pt100溫度傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫，當(dāng)溫度范圍在-40～80℃時(shí)，溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系可簡(jiǎn)化為，t為溫度，R0為(0℃時(shí)的電阻值。CERAMET壓阻式壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)是堅(jiān)固的陶瓷結(jié)構(gòu)、卓越的抗腐蝕和抗磨損能力、抗沖擊和振動(dòng)、寬的工作溫度范圍；高精度以及高穩(wěn)定性。

2.3 電導(dǎo)檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

多相流體的含水率和流速采樣與測(cè)量是通過(guò)電導(dǎo)檢測(cè)模塊進(jìn)行的。其采樣測(cè)量原理為：多電極電導(dǎo)傳感器的測(cè)量電極2、5是測(cè)量多相流體的截面含水率，再與測(cè)量電極2、3測(cè)量預(yù)處理信號(hào)和測(cè)量電極4、5測(cè)量預(yù)處理信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，得出表征流體流速的互相關(guān)信號(hào)x(t)和y(t)關(guān)系，進(jìn)行相關(guān)處理后得到多相流的流速，再利用溫度和壓力檢測(cè)模塊傳送的多相流體溫度和壓力建立修正模型進(jìn)行數(shù)據(jù)初步修正，最后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，結(jié)合其他被測(cè)量參數(shù)和參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算并修正被測(cè)多相流體的流速、瞬時(shí)體積流量和累計(jì)流量等參數(shù)。其硬件組成為電源模塊、恒流源激勵(lì)電路、C8051F041單片機(jī)、含水率信號(hào)預(yù)處理電路、相關(guān)測(cè)速信號(hào)預(yù)處理電路等，如圖3所示。

圖3 電導(dǎo)檢測(cè)模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、傳感器檢測(cè)模塊部分可有溫度檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、超聲波檢測(cè)模塊等單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)及CAN總線(xiàn)通訊軟件設(shè)計(jì)。本文簡(jiǎn)述上位機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)獲取超聲波檢測(cè)模塊、電導(dǎo)檢測(cè)模塊以及溫度和壓力檢測(cè)模塊等傳感器檢測(cè)模塊的測(cè)量值，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算與修正得到流體流速、各相含率、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等，并通過(guò)采集的溫度和壓力以及油、氣、水多相流的其他相關(guān)參數(shù)，建立PVT模型，對(duì)計(jì)算值進(jìn)行修正和轉(zhuǎn)換，減少測(cè)量誤差，從而獲取多相流體的油、氣、水各相的體積流量。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)以高含水率油、氣、水多相流的流量測(cè)量為研究?jī)?nèi)容，針對(duì)多相流體的流動(dòng)特性和測(cè)量參數(shù)多樣，提出了一種基于溫度和壓力、超聲波、電導(dǎo)等多傳感器的檢測(cè)方案。該多相流量計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有非侵入式、無(wú)放射性、無(wú)可動(dòng)部件和低成本等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，其應(yīng)用價(jià)值高，實(shí)用性好，可值得借鑒并推廣。