為了提高油田注水開發(fā)工作的效率，設(shè)計了一種面向油田注水井參數(shù)測量的基于時差法的高精度超聲流量計，并在室內(nèi)流體循環(huán)系統(tǒng)上進行了試驗，通過調(diào)整螺桿泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量大小，將質(zhì)量流量計作為標定儀器，試驗結(jié)果論證了設(shè)計的超聲流量計的測量精度基本滿足油田注水參數(shù)測量的使用要求。

隨著油田開發(fā)工作進入到中后期，各層間的矛盾越發(fā)突出。注水開發(fā)就是向油層注水增壓以保障油藏的壓力安全，但是一味加大注水量會導(dǎo)致油藏的含水率過高進而影響石油的采收率，所以進行及時、高效并且地注水參數(shù)測量可以保障油田穩(wěn)定高質(zhì)量地生產(chǎn)，有效提高油田注水開發(fā)效率。因此針對油田注水開發(fā)研制出高精度的流量測量儀器對于提高注水工作效率和石油采收率具有重要的意義。

目前，油田注水工作主要使用的流量計有：渦輪流量計，電磁流量計等。由于電磁流量計的電極直接接觸被測流體，容易受到腐蝕；渦輪流量計容易纏繞雜物或者結(jié)水垢，機械結(jié)構(gòu)也容易磨損導(dǎo)致測試結(jié)果不可靠。相較而言超聲流量計機械損壞率更低，有著更高的可靠性和測量精度，本文設(shè)計了一種基于時差法的高精度超聲流量計，它不與被測流體直接接觸因此不擾動被測流體的流動特性。該裝置非常適用于油田應(yīng)用，可以實現(xiàn)對單相流體的非接觸、實時監(jiān)測，為解決油田注水問題提供了有效的手段。

1.基于時差法的超聲波流量測量原理

超聲波的傳播速度與介質(zhì)的流速和流動方向有關(guān)，所以利用超聲波在流體中順流和逆流產(chǎn)生的時間差可以獲得流體的流速信息[4]。在如圖1 所示有一段直管道，其中有流速為v 的單相流體，管道直徑為D，在測量管道的上、下游分別放置超聲波換能器A 和B，A 和B 之間的距離為L，L 與v 之間的夾角 θ ≠ 0o 。

公式（7）中的 L2 和cosθ為常數(shù)，所以只要測出超聲波順

流和逆流的傳播時間 tAB 和 tBA 就能求出流體流速 v ，再根據(jù)管道的形狀和流速的分布形式，進行判別和補償以降低測量結(jié)果同流速分布及雷諾系數(shù)的關(guān)系，從而可以計算得到流量，避免了求聲速 c 的困難同時減小了溫度對測量結(jié)果的影響，提高準確度。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)選用的是Silicon Labs 公司推出的C8051f500 單片機，該單片機的數(shù)據(jù)處理的格式和處理速度完全滿足超聲法時間差測量的技術(shù)要求。C8051 單片機的性能優(yōu)勢有：系統(tǒng)集成度高，總線時鐘可達25M，全兼容8051 指令集，增加了中斷源，集成了豐富的模擬資源和豐富的外設(shè)接口并且增強了信號處理性能等。高精度計時電路選用的是德國ACAM 公司推出的一款高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片TDC-GP2，選擇合適的測量范圍可使它的測量精度達到PS 級。TDC-GP2 具有高速脈沖發(fā)生器,停止信號使能,時鐘控制和溫度測量等功能,這些功能模塊使它尤其適用于超聲波法測流體流量。

系統(tǒng)總體圍繞C8051 和TDC-GP2 來設(shè)計外圍電路。

總體框圖如圖2 所示：

C8051 主要用來進行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，GP2 主要用來采集換能器收、發(fā)信號的時間差。系統(tǒng)硬件主要包括高精度計時電路、發(fā)射驅(qū)動電路、放大濾波電路、通道切換電路等。在測量過程中，GP2 在C8051 的控制下實現(xiàn)與流量相關(guān)的時間參數(shù)的測量,并存在GP2 的內(nèi)部寄存器里,C8051 將參數(shù)讀出后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與存儲。

系統(tǒng)上電后,存儲在C8051 內(nèi)部ROM 中的程序被引導(dǎo)進 C8051 內(nèi)部運行。C8051 首先完成對自身和GP2 的初始化設(shè)置,然后給模擬開關(guān)一個確定信號,使之處于一個確定狀態(tài),這樣就可以確定兩個超聲波換能器是順流測量還是逆流測量。然后C8051 給GP2 發(fā)送命令, GP2 的FIRE 引腳發(fā)射信號,給一個超聲波傳感器提供激勵，同時也給GP2 提供START 信號。另一個超聲波傳感器接收到的信號經(jīng)過放大濾波電路、調(diào)理電路后送回 GP2，將其作為 STOP 信號，GP2 通過計算 START 信號和STOP 信號之間的時間差得出超聲波在流體中的傳播時間。然后，C8051 改變模擬開關(guān)的通道開關(guān)狀態(tài)來切換兩個超聲換能器的收發(fā)狀態(tài),再進行一次測量并得到一個傳播時間。將這兩個時間參數(shù)代入超聲時差法原理測流速的公式中即可計算出流體流速，然后C8051 將計算的結(jié)果存入外部存儲器中。在測量完成后,將電路和計算機連接,將所測數(shù)據(jù)傳送到計算機進行流速曲線的繪制并作進一步的數(shù)據(jù)分析與處理。

3.軟件設(shè)計

根據(jù)時差法超聲波測流速的理論，流體流速與超聲波在流體中順流、逆流之間傳播的時間差成正比，只要獲取到超聲波順、逆流傳播的時間差即可計算出流速[10]，流量和累計流量也可以根據(jù)管徑和測量時長分別求得。采集流速的軟件流程框圖如圖3 所示：

首先C8051 對自身和對TDC-GP2 進行初始化，然后啟動TDC- GP2，打開中斷。判斷中斷的有無，等待中斷來臨后 C8051 通過TDC-GP2 的SPI 口讀取測量數(shù)據(jù)并進行存儲。然后切換測量通道，重復(fù)以上的測量過程。等待中斷再次來臨，讀出測量數(shù)據(jù)。判斷循環(huán)是否達10 次，若未達到10 次，則重復(fù)以上過程；若循環(huán)已達10 次，則對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，然后根據(jù)時間差計算流速并相應(yīng)地計算出流量和累計流量。待數(shù)據(jù)處理完畢，將數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的存儲空間，以備數(shù)據(jù)回放和繪制曲線。

4.室內(nèi)試驗裝置與流程

該試驗在室內(nèi)的油氣井管道流體循環(huán)系統(tǒng)上進行，試驗平臺結(jié)構(gòu)如圖4 所示，其結(jié)構(gòu)包括螺桿泵、管路、閥門、回收罐及各種輔助器件。

將質(zhì)量流量計作為標定儀器，流體為自來水，將超聲換能器探頭置于與質(zhì)量流量計同路徑的較長的直管段部分，探頭位置選取原則是換能器探頭前后的直管段長度要分別大于管徑的10 倍和5 倍，通過調(diào)節(jié)螺桿泵的轉(zhuǎn)速可以模擬不同流速下的管道流量，給回收罐注入足夠多的水量從而保證流體滿管流動，通過控制各管段上的閥門開關(guān)讓流體在管道和回收罐之間循環(huán)流動。

測試流程是先把整個系統(tǒng)裝好在被測管道上進行測試,將測量所得流量數(shù)據(jù)暫時存儲在靜態(tài)存儲器中,測量完畢再把系統(tǒng)與計算機進行連接，系統(tǒng)接收到計算機的指令后在上位機上進行數(shù)據(jù)回放與處理。

5.試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表 1 所示.

由該組試驗數(shù)據(jù)可知，本文實現(xiàn)的超聲波流量計在單相流量測量中的測量誤差隨著管道流體流速的減小而增大。當變頻器的頻率設(shè)置在 20Hz、25Hz 時，流速相對誤差***高達到5.19%；當變頻器的頻率分別設(shè)置為30 Hz、35Hz、40Hz、45Hz 和 50Hz 時，采用本文所設(shè)計的超聲流量計測得的流速其相對誤差大概在3.3%以內(nèi)，室內(nèi)模擬試驗的結(jié)果表明本文設(shè)計的流量計其測量精度基本滿足油田注水參數(shù)的計量要求。