超聲波測流量的收發電路研究

黃艷芝 賈 偉 范思航 艾治余

(西安石油大學電子工程學院光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室)

0 引 言

近年來，隨著工業化的快速發展，無論是在民用，軍事，還是工業能源的開采上，流量的測量越來越體其現重要性。超聲波流量測量方法是最常用的流量測量方式之一。在油田上，無論是礫石填充、出砂、三相流，還是油井測漏方面，都離不開流量測量。本論文就是在油井測漏儀的項目支持下做出的相關研究。在油井測漏儀上我們使用的是超聲波時差法的測量原理測泥漿的流速變化，選用的是超聲波直探頭。

1 超聲波時差法流量測量原理

根據檢測的方式不同，超聲波流量測量可分為傳播速度法(即時差法)、多普勒法、波束偏移法、噪聲法等幾種測量方法。時差法是近幾年中常用的一種超聲波流量測量的方法，本論文中研究的收發電路也是基于超聲波時差法設計的。時差法是根據超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算流速的，進而求得流量的。超聲波傳感器被夾裝在被測管道的上下游，其安裝方式如圖1所示。

圖1 超聲波時差法流量測量原理圖

探頭A、探頭B 兩個傳感器交替的發射和接收超聲波信號，其順流和逆流傳播時間，通過下列公式進行計算。

進而得出流體的流速計算公式如下:

最終可以確定流量計算公式如下:

2 超聲波探頭收發電路研究

超聲波探頭(又稱換能器)及其發射接收電路在流量測量系統中起著關鍵的作用，它決定了這個系統所能達到的最終測試指標及測量精度。當超聲探頭選定后，其性能參數也就確定了，包括它的匹配等效阻抗，機械共振頻率等。本論文中提到的超聲探頭用的是壓電式的超聲波發生器，它的工作原理是利用壓電晶體的諧振來工作的。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時，壓電晶片就會發生共振，并帶動共振板震動，便產生超聲波，此時它就是超聲波發生器。反之，兩電極間沒有外加電壓，當共振板接收到超聲波時，共振板將壓迫晶片震動將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。本文所要研究的就是如何使發射探頭的信號更好的發射電路，超聲檢測中常用的發射信號有三種:單脈沖信號，方波信號，正弦連續波信號，可以根據檢測的應用場合確定使用哪種發射信號。本論文討論的是時差法測流量的收發電路研究，所以選用是單脈沖發射信號，形成時間差，用于計算流速。

2.1 超聲波探頭發射電路

在超聲流量測量系統中，發射電路是一個重要組成部分，它在一定程度上決定著系統的性能指標。當超聲換能器選定后，發射電路的設計直接影響著發射的聲功率和波形的重復性。本文中設計的超聲波探頭發射電路如圖2所示。

在本電路的設計中，采用Q1高頻功率晶體管作為探頭驅動電路的功率放大晶體管，采用中頻變壓器實現升壓和探頭的阻抗匹配及調諧。此電路采用12 V 的直流供電，當在電路輸入端(VIN 端)加上一個單極性正弦波時，經過晶體管的放大、變壓器的升壓及電容匹配后，探頭上將會得到一個較高幅度的功率信號。電路中的電阻R25 用于限制集電極電流，防止燒壞晶體管。

圖2 超聲波探頭發射電路

2.2 超聲波探頭接收電路

由于探頭接收到的回波信號幅度較小，并且在回波信號的傳播過程中，這個微弱信號會受到外界環境中的各種噪聲的干擾，所以在接收到的信號要進入后續電路進行處理時，需要設計一個調諧放大電路(選頻放大電路)，也就是超聲波接收電路，如圖3 所示。

圖3 超聲波探頭接收電路

本電路中的核心是中頻變壓器，變壓器的功能是:阻抗匹配，信號放大，濾波。二極管D1，D2主要是起到限幅的作用，濾除幅度高于正負0.6 V 的突發噪聲信號，防止打信號經過放大后影響后續電路的正常工作。Q2主要是對接收過來的信號進行放大，之后傳遞到帶有調諧作用的變壓器中。經過變壓器的匹配，放大，濾波就可以得到所需的信號，并傳遞給后續處理電路。

3 實驗測試及結果

在實驗室中，我們搭建了簡易的裝置測試了這兩個電路的性能，都能正常工作，測試結果也比較理想。隨后我們在實驗室模擬測漏儀的現場實驗裝置，將設計的這兩塊電路板加入到測試當中，進行試驗測試。

兩塊電路板設計完成后，我們利用實驗室現有的條件利用示波器，信號源，直流電源，傳感器探頭組成了一個簡易的測試裝置。直流電源分別給發射電路和接收電路提供激勵電源，在測試過程中用信號源提供一個脈沖信號給發射電路的輸入端，用示波器對接收板接收到的信號進行測試。測試結果如圖4 所示。黃色的脈沖信號是用信號源提供給發射板的輸入端的，藍色的信號是從接收板接收到的信號。

圖4 超聲波發射接收電路測試結果顯示

4 結 論

本文依據超聲波時差法的測量原理，設計出超聲波探頭的發射電路和接收電路，并對其進行仿真和實驗測試，實現了利用超聲波時差法測量流量的原理檢測油井的滲漏的功能。該電路測試結果相對比較穩定，測量精度達到一定高度。

［1］涂小凱，吳彥，李國峰.一種高頻超聲波換能器驅動電路的設計［J］.電子測量技術，2009，32(4):23-25.

［2］鄭鵬.基于FPGA 的時差法超聲波流量計系統的設計與實現［D］.杭州:浙江大學，2006.

［3］潘海洋，宋楠，趙國海.基于DSP 技術的超聲鉆井液的測漏儀研究［J］.電機電器，2011(12):60-63.

［4］林書玉.超聲換能器的原理及設計［M］.北京:科學出版社，2004.

［5］馮紅亮，肖定國，徐春廣，等.脈沖超聲傳感器激發/接收電路設計［J］.儀器儀表與傳感器，2003(11):30-32.

［6］隋衛平，潘仲明，王躍科.一種新型的超聲換能器驅動與回波檢測電路設計［J］.國防科技大學學報，2004，26(3):108-111.

［7］潘宗預，潘登.超聲波測距精度的探討［J］.湖南大學學報，2002，29(3):18-21.

［8］馮若.超聲手冊［M］.南京:南京大學出版社，1991.