油氣井生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)伴隨有砂粒、水、氣泡等物質(zhì)產(chǎn)生, 井下的溫度、壓力、粘度和導(dǎo)電率等因素也會(huì)影響測(cè)量精度, 因此, 從這一因素考慮則應(yīng)該使用超聲波頻差法流量計(jì)[1]。由多普勒原理知:發(fā)出的超聲波頻率與觀測(cè)者觀察到的超聲波頻率由于存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不同。超聲波在此種流體中的傳播路徑會(huì)發(fā)生改變, 產(chǎn)生多普勒效應(yīng), 當(dāng)流體靜止時(shí), 不產(chǎn)生多普勒頻移, 所以沒(méi)有零點(diǎn)漂移問(wèn)題[2]。

頻差法超聲波流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)探頭, 一個(gè)用于發(fā)射, 激勵(lì)源提供給探頭一個(gè)電振蕩信號(hào), 使得探頭的磁場(chǎng)發(fā)生變化, 機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)力, 探頭處于震動(dòng)狀態(tài)[3]。接收探頭與發(fā)射探頭相反, 發(fā)射探頭促使與之接觸的介質(zhì)也產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng), 通過(guò)流體的傳播, 接收探頭也處于震動(dòng)狀態(tài), 從而接收探頭的磁場(chǎng)發(fā)生變化, 在探頭的接收端產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。

壓電效應(yīng)就是頻差法超聲波探頭的工作原理。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)電介質(zhì)受到一定方向的外力作用時(shí), 會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象, 即:在電介質(zhì)的兩端出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷, 當(dāng)失去外力時(shí), 此現(xiàn)象消失, 電介質(zhì)兩端無(wú)電荷, 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)[4], 且外力的大小與形成的電荷量成正比, 如圖1所示。逆壓電效應(yīng)與之相反, 在電介質(zhì)的兩端加上電場(chǎng), 電介質(zhì)發(fā)生形變, 去掉電場(chǎng)時(shí), 形變也同時(shí)消失, 此為逆壓電效應(yīng)[4], 如圖2所示。

發(fā)射探頭形成的機(jī)械振動(dòng)使得接收探頭也處于震動(dòng)狀態(tài), 這就相當(dāng)于給壓電陶瓷一個(gè)壓力, 同時(shí)探頭就有電荷輸出。電荷大小Q與作用力F之間的關(guān)系為

d代表壓電陶瓷的壓力系數(shù)。

壓電陶瓷可以看作為一個(gè)電容C, 則電容U、電壓Q與電荷之間的關(guān)系為

由關(guān)系式 (1) 和 (2) 得

所以, 壓電陶瓷的壓力系數(shù)與輸出電壓成正比, 壓力系數(shù)越大, 探頭的靈敏度越高, 輸出電壓越大[5]。

本文設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)試該壓電陶瓷傳感器性能的流量監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng), 如圖3所示。

其中1是循環(huán)桶;裝有一定比例混合起來(lái)的石油和水;2是動(dòng)力系統(tǒng), 為系統(tǒng)循環(huán)提供動(dòng)力;3是循環(huán)管道, 流體前進(jìn)道路;4是超聲波多普勒傳感器, 發(fā)射和接收超聲信號(hào);5是硬件電路, 處理系統(tǒng)中流體的流速信息并顯示;6標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì), 測(cè)量此裝置內(nèi)的流體流量。

循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力上電后, 流體從油桶中流出, 經(jīng)管道循環(huán)通過(guò)傳感器和流量計(jì)后又流入油桶。裝置中利用壓電陶瓷制作的超聲波流量監(jiān)測(cè)傳感器, 安裝在流體管道的兩側(cè), 根據(jù)多普勒原理測(cè)試流體中的數(shù)據(jù), 分析傳感器的靈敏度和系統(tǒng)的測(cè)試精度。

該系統(tǒng)裝置利用多普勒原理來(lái)測(cè)量管道內(nèi)的流體的速度, 然后再根據(jù)流速與管道橫截面積的關(guān)系從而得到流體的流量信息。流量的計(jì)算公式為[2]

其中D代表管道的內(nèi)徑, c代表超聲波的波速。因此若得到了管道內(nèi)徑;超聲探頭T發(fā)射的頻率fT;超波聲波進(jìn)入流體中的方向角θ與多普勒頻差Δf即可計(jì)算出流體的流量Q大小[1]。

信號(hào)處理采用美國(guó)德州儀器 (TI) 公司研發(fā)的TMS320F2812芯片, 該芯片在C2000系列中性價(jià)比高、在工業(yè)上應(yīng)用廣泛[5]。其12位16通道的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊, 還可以實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣功能, 并且它32位的高運(yùn)算精度以及150MIP的系統(tǒng)處理功能等功能模塊使它尤其適用于超聲波法測(cè)流體流量[1]。CPU發(fā)出命令使探頭驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷傳感器發(fā)射超聲波信號(hào), 由多普勒效應(yīng)可知, 接收探頭處接收到的超聲波信號(hào)頻率已經(jīng)發(fā)生改變, 并由信號(hào)接收電路將接收到的信號(hào)傳輸給低噪聲放大電路, 經(jīng)解調(diào)電路產(chǎn)生差頻信號(hào)傳輸給DSP, 中央處理器對(duì)得到的差頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換, 從而得到流體的流速與流量信息。本文設(shè)計(jì)的超聲波多普勒流量信號(hào)處理系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

在上述模擬系統(tǒng)環(huán)境下調(diào)整動(dòng)力機(jī), 將油和水按照一定的比例混合, 打開(kāi)動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)充分?jǐn)嚢? 待系統(tǒng)流量穩(wěn)定后, 將本文提供的超聲波頻差法探頭接入測(cè)量裝置中, 開(kāi)始測(cè)量流體的流量, 觀察并記錄該頻差法流量計(jì)的示數(shù)和普通流量計(jì)的示數(shù)。實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓下進(jìn)行的, 選用的油為32號(hào)礦物機(jī)械油, 水為自來(lái)水, 在不同油、水比例下多次試驗(yàn)得到如下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):

表1所示數(shù)據(jù)是在動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為40Hz, 循環(huán)系統(tǒng)中流體流量為3.584m3/h, 含水率分別為18.6%, 32.5%, 43.1%時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中誤差***大為0.53%, 誤差***小時(shí)為0.03%, 在這三種油水比例9次試驗(yàn)中總共有3次實(shí)驗(yàn)誤差為0.03%, 1次0.08%, 2次0.14%, 1次0.20%, 1次0.42%, 1次0.53%。誤差平均值為0.1%左右, 誤差相對(duì)較小。

表2所示數(shù)據(jù)是在動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為50Hz, 循環(huán)系統(tǒng)中流體流量為4.415m3/h, 含水率分別為18.6%, 32.5%, 43.1%時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中誤差***大為0.54%, 誤差***小時(shí)為0.05%。這9此實(shí)驗(yàn)中有1次0.05%, 3次0.07%, 1次0.09%, 2次0.11%, 1次0.36%, 1次0.54%。誤差平均值為0.1%左右, 誤差相對(duì)較小。

結(jié)果表明:這六組18次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與循環(huán)系統(tǒng)中流體的真實(shí)數(shù)據(jù)相近, 整體誤差在0.1%左右, 誤差相對(duì)較小。因此該壓電陶瓷探頭可以用作頻差法超聲波流量計(jì)的傳感器, 在此模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可稍加改進(jìn)應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)。