基于超聲流量計的井下測調儀

張博涵， 尤 文＊， 劉占華

（1.長春工業大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012；2.長春銳利科技有限責任公司，吉林 長春 130031）

0 引 言

油田在投入使用以后，隨著開采時間的不斷增長，油層能量的不斷消耗，油層壓力的不斷下降，使得原油大量脫氣，粘度升高，最終導致油田的產出率不斷下降。為了實現油田的高產穩產，就必須通過人工注水來對油田進行能量補充［1］。在石油注水井中，注水量的多少直接影響到石油的產出水平與地面的能耗，所以水的流量調節顯得尤為重要。很早就有人研究過利用超聲波測量技術來檢測液體、氣體的流量，但是由于之前的技術水平有限，因此沒有得到很大的發展。近幾十年來，電子技術的進步使得超聲波流量檢測技術日益完善，超聲波流量計獲得了推廣與應用［2］。

1 超聲測調儀的總體方案設計

地面與井下采用單纜載波的通訊方式，井下測調儀采用PIC18F1320－E－P作為專用通信芯片，用DSPIC30F4013－30I／PT作為數據采集處理的主控單元，這樣分開的設計為主控芯片分擔了工作量，加快了系統的運行速率。井下測調儀包含了以下模塊：

1）井下模組——電源部分；

2）井下模組——電機控制部分；

3）井下模組——超聲測量部分；

4）井下模組——主控部分；

5）井下模組——發碼、收碼部分；

6）井下模組——溫度壓力檢測部分［3］。

系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 井下測調儀硬件系統設計

2.1 電源設計

測調儀的電纜接頭電壓是50V，首先用4個470Ω／3W的功率電阻來進行分壓，然后進入三端穩壓芯片LM317。系統的總工作電流大約為200mA，經分壓后進入LM317的電壓大約為25V，再用TIP127進行擴流，這樣就增大了LM317的帶載能力［4］。為了避免電源芯片過熱，而且后面的發碼電路需要用到18V的電壓，所以第一級的電壓輸出設置為18V。同理，18V輸入進入第二級的LM317進一步降壓，設置第二級輸出10V電壓。第三級的輸出為5V，給單片機供電。由于TDC芯片對電源的要求很高，所以采用ADP150AUJZ－3.3－R7專用穩壓輸出芯片輸出3.3V對TDC供電。為了防止引進干擾，井下整個的供電系統全部采用LDO，沒有用開關電源。具體電路設計如圖2所示。

2.2 電機控制電路設計

在測調儀中，電機是用來帶動堵塞器，通過調節堵塞器開度來調節注水量的大小。所以電機的控制需求是實現正反轉以及旋轉圈數。電機通過橋式電路完成驅動，并由單片機發出高低電平來控制正反轉［5］。電機轉數的計量是由霍爾傳感器與鑲嵌在電機軸上的4個磁鋼來完成的。具體電路設計如圖3所示。

2.3 超聲測量部分電路設計

超聲測量部分是整個電路的核心，超聲飛行時間差測量的準確性關系到最后流量測量的精度，所以，選取ACAM公司的TDC－GP21芯片來進行時差的測量。該芯片典型的分辨率為45ps，高精度的分辨率為精確的時差測量奠定基礎。為了防止電源干擾，采用兩個3.3V的電源分別給VCC和VIO供電［6］。探頭選擇的中心頻率是1MHz，探頭的驅動選用高速開關管2SC3733［7］，基極接TDC的脈沖輸出，集電極接51Ω的上拉電阻至10V電源。為了防止接收回波的芯片引腳被灌入大電流，因此設計了鉗位二極管，使之進入接收引腳的電壓被限制在2V左右。

超聲測量部分電路設計如圖4所示。

圖2 電源部分電路設計

圖3 電機控制電路

2.4 主控部分電路設計

控制電路由兩個單片機構成，其中DSPIC30F4013－30I／PT［8］負責采集超聲時差數據和溫度壓力數據、對電流電壓進行采樣以及通過控制電機的正反轉來對調節臂、導向臂進行調節控制等工作。PIC18F1320－E－P負責把數據進行編碼，通過電纜傳到地面控制端［9］。具體設計電路如圖5所示。

圖4 超聲測量部分電路設計

3 井下測調儀超聲測量部分軟件設計

3.1 超聲波測量過程

圖5 主控部分電路設計

3.2 超聲測量流程圖

超聲測量流程圖如圖6所示。

4 實驗結果分析

通過實驗，在示波器上看到了預先設置的脈沖波形，脈沖的頻率1MHz，幅值7.8V，個數為15個。實驗波形圖如圖7所示。

從發波回波的波形分析，未引進干擾。從單片機計算的計算結果分析，測量準確，達到了預期的精度。

圖6 超聲測量流程圖

圖7 實驗波形圖

5 結 語

基于超聲流量計井下測調儀的研發重點在于超聲流量計的精度與可靠性。本款測調儀的主要技術指標如下：

環境溫度：－40～125℃；

壓力范圍：0～70MPa；

測量范圍：2～300m3／d；

測量精度：1%。

此款測調儀在大慶油田、遼河油田、吉林油田得到了順利推廣，預計明年將投入使用。

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