超聲多普勒流量模擬器研究

賈偉，王小敏

(1 西安航天恒星科技實業（集團）公司 西安 710061；2 陜西陜煤韓城礦業有限公司下峪口煤礦通訊信息部 韓城 715405)

0 引言

隨著數字油田的不斷發展,多普勒流量計在流量測量中扮演著越來越重要的角色，對高性能多普勒流量計的研制和性能評價提出了更加迫切的需求[1]。作者在多年的研究與應用中發現,現有的超聲波多普勒流量測量裝置在現場應用中,會出現許多實驗室難以發現的問題,其主要原因是油田現場的環境非常復雜,測量信號中包括了各種振動噪聲和電磁干擾,從而使得實驗調試好的流量計在現場無法工作。但在現場進行調試不僅周期長,費時費力,而且有關的調試和檢測手段也不夠完善。在這種情況下,本文研制了一種超聲波多普勒流量測量模擬器，其目的是模擬復雜的現場環境，以考核超聲波多普勒流量計對復雜環境的適應能力，并考核其性能指標。

多普勒流量測量模擬器可模擬的信號包括不同流速產生的超聲波信號、各種電動機和管道振動引起的噪聲。模擬系統中設有計算機軟件和相關的硬件電路，以考核流量計的各種指標，這樣,就使多普勒流量計在實驗室的模擬環境中,得到充分的測試。并可通過計算機對各項參數進行設置。應用本模擬器后,可以在很短的時間內進行多次重復測試,復現調試現象,驗證試驗結果,從而極大地提高調試效率。這對降低研制成本、縮短研制周期、提高性能指標都有積極的作用。

1 多普勒頻移估算

生產過程中，原油中不可避免地含有油氣水三相流，其流速由（1）式給出，式中， v 表示流速，單位為m/s；p表示日產液量,單位為m3/d；油管半徑為r,單位為m,若單井日產液量為10～50m3，油管內徑為55mm，則計算出流速為0.0487～0.243 m/s。

超聲波多普勒發送頻率與接收頻率的關系如式（2）[2]；式中 f ' 為接收頻率， f0發射源頻率， u '為接收器的速度，u為波源的移動速度為， v 為波的傳播速度。

若以管道為參考系，即取 u =0,（2）式可簡化為：

發射源頻率為650kHz,聲波在介質中的傳播速度為1500m/s。據公式（3）可得頻移范圍為20～106Hz，在實際應用中，多普勒頻差會超過這個范圍。

DDS有其獨特的技術特點，DDS頻率變化響應速度快；頻率由數字控制字控制，頻率變化控制范圍大,有48位控制字；頻率穩定度取決于頻率綜合器所提供的頻率穩定度，由此可見利用DDS技術可以方便的實現模擬器功能。

2 模擬器使用系統構成

模擬器使用平臺如圖1 所示，系統平臺由PC、多普勒流量計、多普勒流量模擬器構成。PC協調其他兩個設備工作。通過PC能方便地對多普勒流量計和多普勒流量模擬器進行設置及數據提取。

圖1 模擬器使用平臺框圖

系統工作流程圖如圖2所示，PC控制多普勒流量計開始工作，流量模擬器接收多普勒流量計的信號后，開始發送帶有流量信息的回波信號。流量信息可通過計算機進行調整。流量測量結果同時也送至計算機進行顯示與計算。計算機可發回修正系數，以便對測量結果進行修正。這樣可以快速準確地對流量計性能進行測試，從而為多普勒流量計的研發提供了有力的測試工具。

圖2 系統工作流程圖

3 多普勒流量模擬器設計

在過去的模擬器中大多采用鎖相技術。由于多普勒頻移與載頻相比非常小,而且又是變量,因此用上述方法將它們分開是極其困難的。過去的電路設計師和元器件設計師為此付出了巨大的努力，例如,在鎖相環中盡可能降低鑒相頻率,以提高多普勒頻移的分辨率；增加單邊帶電路級數，以便分開小的多普勒頻移；研制性能優良的濾波器及雙平衡混頻器等器件來濾除或抵消載頻。但其結果是,電路日趨復雜，成本也很高，而穩定性卻有所下降。

本文提出了一種采用直接數字合成(DDS)技術的多普勒流量模擬器。這種模擬器主要采用數字技術,電路簡單、頻率變化控制范圍大、分辨率高、成本低,具有一定的先進性和實用性。

3.1 硬件電路設計

DDS采用了美國的AnalogDveiees公司所生產的AD985X 系列中的AD9852作為信號源的核心，在TMS320F2812型DSP的控制下進行工作，通訊單元采用CAN總線。電路原理框圖如圖3所示。

圖3 多普勒流量模擬器電路框圖

信號疊加通道將DDS所產生的頻率信號進行疊加，模擬采樣空間的不同流速。

固件程序流程圖如圖4所示。開機后設備根據PC傳來信息進行設備初始化對信號幅度頻率進行初始化。初始化后等待接收流量計信號，接收后對信號頻率進行分析，最終輸出流量信號，并傳輸相關數據給計算機。

圖4 多普勒流量模擬器固件流程圖

3.2 軟件設計

為實現通過PC可對多普勒流量模擬器和流量計進行方便的控制及狀態顯示。本設計配備了PC軟件，軟件界面如圖5所示包括多普勒流量模擬器部分，流量計數據部分，測量記錄共3部分。

圖5 PC界面示意圖

在流量計及流量模擬器開機后通過本界面對流量模擬器部分進行流速，顆粒密度，測量時間進行設置。流量計測得數據上傳至計算機并顯示在流量計數據部分。測量記錄部分能記錄歷史測量的數據，以便后續查詢。

4 實驗及分析

利用所研制的模擬器使用平臺，通過實驗獲取了如圖6和圖7所示的測量數據。圖6和圖7分別是在模擬器流量設置為0.3m/s和2.5m/s情況下，流量計在10min內的實測數據圖。

圖6 0.3m/s測量數據圖

圖7 2.5m/s測量數據圖

從測得數據了解到當模擬器設置為0.3m/s時，測得數據最大偏移量為0.04m/s。設置為2.5m/s時，測得數據最大偏移量為0.037m/s。測量數據始終圍繞在設置值附近波動，無異常數據出現。通過數據的分析我們可以很直觀的了解到這臺流量計工作穩定，測量精度達到設計要求。

5 結論

多普勒流量模擬器的使用加快了超聲多普勒流量計的研發速度，能快速有效的對流量計進行性能評估。

多普勒信號模擬器整機結構簡單,用戶可操作性強,且容易升級,可廣泛應用于超聲多普勒流量計及其相關測試平臺的檢測。

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