目前，在油田原油開采中面臨的一個困難問題就是對開采的原油進(jìn)行在線計量。主要原因是原油的成分非常復(fù)雜，原油中含油、水、氣和其他雜質(zhì)，屬于多相復(fù)雜的流體，而且單井原油又是間歇流動，因此一般的流量計是無法滿足的。本文設(shè)計了基于超聲波相關(guān)流量計算的計量系統(tǒng)，較好地解決了原油非接觸在線計量問題。
1、超聲波相關(guān)流量計原理
相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)測量流體流量。測量精度與流體中的聲速無關(guān)，測量精度高，適用于多相流，干擾大的流體的測量。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動時，如果含有其他雜質(zhì)，其內(nèi)部就存在著各種各樣的隨機(jī)擾動，從而產(chǎn)生了與流動狀況有關(guān)的流動信號，并具有一定的統(tǒng)計特性。相關(guān)法流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
A，A’和B，B’是兩組超聲波發(fā)射和接收換能器，L為上游換能器和下游換能器之間的距離。當(dāng)超聲波信號穿過管道時，超聲波信號會受到流體中噪聲的調(diào)制，調(diào)制后的超聲波信號中就包含了流體速度場的信息，對此超聲波信號進(jìn)行分析，提取與流動狀況有關(guān)的流動信號A（t）和B（t），且將A（t）和B（t）作相關(guān)運算，得到相關(guān)函數(shù)RAB（τ）：
該函數(shù)峰值所對應(yīng)的時間位移為τ，就是流體從上游換能器傳遞到下游換能器的時間，即該系統(tǒng)中的傳遞時間（也稱渡越時間）。流速的計算公式為：
根據(jù)流速，進(jìn)而求得流量：
式中：D為管道的直徑。
2、單井原油超聲波相關(guān)流量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，單井流量測量系統(tǒng)主要由氣液分離預(yù)處理，超聲波檢測，信號處理三部分構(gòu)成。下面分別對這三部分進(jìn)行分析。
2.1氣液分離預(yù)處理部分
預(yù)處理部分其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)處理部分的功能一是進(jìn)行液氣分離（抽油機(jī)抽出的原油中除了油液混合外，還含有氣體和其他雜質(zhì)，氣體對油液測量會帶來較大的誤差，所以在對油液測量時必須進(jìn)行氣液分離）；二是解決間歇流動時的滿管測量（抽油機(jī)工作時每次抽出的原油不等，而且是間歇流動，這樣造成管道中油液可能不是滿管，也會帶來很大的測量誤差）。基于這些原因在對油液測量前要進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后實現(xiàn)氣液分離和油液滿管通過計量油管，減小計量誤差。工作原理是：原油從進(jìn)油口經(jīng)沉沙罐后進(jìn)入儲油罐，在儲油罐里進(jìn)行油氣分離，分離的氣體從儲油罐上閥門（出氣閥）經(jīng)氣管道輸出，當(dāng)儲油罐中的油液達(dá)到一定高度時，浮球上浮打開下閥門（出油閥），同時上閥門封堵氣口，建立壓力，儲油罐中的油在壓力的作用下，通過測量管道流向出油口，當(dāng)儲油罐中的油液下降到一定的液位時，浮球下沉封堵下閥門，打開上閥門，這樣重復(fù)工作完成氣液分離。
2.2超聲波檢測部分
檢測部分主要是由兩對超聲波傳感器構(gòu)成。超聲波傳感器的檢測是通過超聲波的發(fā)射和接收能量來完成的，核心是換能器（將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，可逆換能器是指以相等的效率對兩種形式的能量做相互轉(zhuǎn)換的換能器）。常見的換能器有壓電晶體振子、磁致伸縮振子等。用于相關(guān)流量測量的超聲波一般有正弦波與脈沖波兩種形式。脈沖超聲波和正弦波的相關(guān)流量計都是對流場橫截面的速度信息進(jìn)行積分而得到流速的。本設(shè)計采用壓電晶體超聲波傳感器，中心頻率為200kHz。為了克服駐波影響，超聲波采用鎖相環(huán)脈沖信號發(fā)生器。
2.3信號處理部分
信號處理部分主要由超聲波接收換能器和DSP構(gòu)成。
信號調(diào)理電路由接收換能器、三級放大電路、濾波電路和包絡(luò)檢波電路組成。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構(gòu)成，二級放大器和末級放大器由INA128精密低功耗儀表用放大器構(gòu)成；濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構(gòu)成的一個帶通濾波器，中心頻率為200kHz，由TL14構(gòu)成低通濾波器，主要取出檢波后的信號，包絡(luò)檢波電路由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波器。
另一部分是由DSP模塊組成的數(shù)據(jù)采集處理電路。該電路選用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前過程控制領(lǐng)域中，它是最先進(jìn)的DSP微處理器，與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，它具有功能強(qiáng)、資源豐富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并綜合最佳的外設(shè)接口，它集成了閃存、高速A／D轉(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等。
測量時，上、下游發(fā)射換能器發(fā)射出高頻超聲波，超聲波在流體中傳播時，流動信號對超聲波會產(chǎn)生幅值、相位和頻率調(diào)制，接收換能器接收的高頻調(diào)制信號，經(jīng)濾波和放大后進(jìn)行解調(diào)，獲得流動信號，送至A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的信息送至DSP進(jìn)行相關(guān)處理，獲得流體的流量。
3、系統(tǒng)程序設(shè)計
軟件系統(tǒng)包括DSP初始化、計算模塊、流量顯示、中斷處理模塊等部分。
主程序流程圖如圖3所示，主程序完成初始化后，進(jìn)入一個循環(huán)程序，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨時響應(yīng)外部A／D中斷請求、串口通信中斷請求和定時器中斷請求，同時還要隨時判斷流量顯示定時是否到達(dá)。主程序響應(yīng)以上各中斷請求并調(diào)用各個相應(yīng)的處理程序，完成數(shù)據(jù)的采集和處理。
初始化一方面是設(shè)置DSP的工作環(huán)境，另一方面是為后面的信號處理做準(zhǔn)備。系統(tǒng)初始化程序包括影響DSP芯片CPU運行的內(nèi)部初始化和影響各個外設(shè)工作的外設(shè)初始化，以及外圍可編程器件（如A／D，D／A等）的初始化等幾個方面，具體地說包括以下功能：設(shè)置時鐘發(fā)生器，設(shè)置定時器，初始化各狀態(tài)寄存器，開中斷等。
中斷處理模塊包括三個中斷：定時器中斷處理模塊用于啟動A／D轉(zhuǎn)換器和控制采樣頻率，串行通信中斷處理模塊用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，A／D中斷處理模塊用于讀取A／D轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù)，其流程圖如圖4所示。
圖4 A/D中斷處理程序流程
顯示模塊定時刷新儀表，顯示瞬時流量值和累積流量值。
系統(tǒng)處理過程為：設(shè)定定時周期，定時器產(chǎn)生中斷，此中斷啟動A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A／D轉(zhuǎn)換器向DSP請求讀取數(shù)據(jù)中斷，DSP響應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器中斷請求，調(diào)用A／D中斷處理模塊，讀取采樣數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于流體是間歇流動，所以DSP接收到上、下游信號的N點數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，判斷流體是否流動，如流動則調(diào)用計算程序，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運算，尋找相關(guān)函數(shù)的峰值，確定渡越時間T，并根據(jù)儀表參數(shù)、溫度補(bǔ)償，獲得瞬時流量值和累積流量值，并將結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲單元，供顯示儀表顯示。
在相關(guān)流量測量中，關(guān)鍵問題之一是相關(guān)函數(shù)的計算方法，要求能高速、準(zhǔn)確地完成對大量的隨機(jī)調(diào)制信號的采集、相關(guān)積分運算和相關(guān)函數(shù)的峰值搜索。相關(guān)函數(shù)的算法主要有極性重合法和零點穿越法兩種。為了提高運算速度，本系統(tǒng)采用頻域中的相關(guān)運算。輸入的數(shù)據(jù)通過FFT變換后，即可求出頻域中的相關(guān)運算。然后通過IFFT可得到時域中的相關(guān)結(jié)果，可以用來進(jìn)行峰值搜索。
4、結(jié)語
在分析油田單井工況和相關(guān)流量測量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種適合單井原油計量的裝置，經(jīng)現(xiàn)場測試取得了較好的效果，其誤差小于2％。但還存在以下幾個問題：一是信號的起伏較大，主要是原油中含氣，含雜質(zhì)不定，所以造成了信號差別大，需要檢測電路增加AGC電路。二是修正系數(shù)的整定困難，不同的井含水量不同，油液的粘度差別很大，同時在不同的溫度下，油液的流動性差別也很大，所以要在不同的環(huán)境下多次調(diào)整修正系數(shù)，給使用帶來不便。三是在流速較低時誤差比較大。這些都是今后研究中要加以改進(jìn)的方面。