數字信號處理技術在含水率測量系統中的應用

楊和慶+王攀

摘要：在我國的石油工業中原油管道的含水率是很重要的一個生產指標，能夠動態的測量油井產出液含水率的變化對于指導油井的開采計劃有很重要的意義，本文提出了一種非接觸式的含水率測量方法，對比傳統的測量方式有很明顯的優勢，重點介紹了硬件的實現及信號的發射、接收以及中間信號處理的過程。該方法經驗證可以快速、準確地測量出測量管段中被測流體含水率的變化。整個系統運行穩定，測量效率較高。

關鍵詞：含水率；非接觸式；信號處理

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）23-0152-04

針對目前我國石油工業中油井產出液高含水的現狀，研制出適用于原油管線含水率測量的儀器設備，具有非常重大的意義。含水率作為多相流動過程的重要參數之一，對動態監測油井生產能力，實現油田數據化管理，及時有效調整油井開采生產計劃具有指導性的意義。

目前相含率測量的方法主要有：快關閥法、壓差法、電導法、電阻探針法、電容法、射線法、光纖探針法、聲學法、熱學法、核磁共振法、微波法等。上述方法中主要分為接觸式測量法和非接觸式測量法兩大類。原油在管道運輸的過程中，種類眾多的化學物質對接觸法測量含水率中的傳感器造成的腐蝕和原油結蠟等現象都會直接降低傳感器的靈敏度，從而降低測量結果的準確度，甚至造成整個測量系統無法正常工作的嚴重后果。目前應用在油田上的非接觸測量方法主要是射線法，放射源的存放和使用都需要昂貴而笨重的防護設備以防止對操作人員的身體產生直接傷害，該方法存在的成本高、安全系數低等缺陷造成了其無法廣泛應用的結果。

基于目前原油含水率測量儀所存在的種種弊端，根據電磁感應原理，設計了一種非接觸的含水率在線測量儀器。該儀器能夠在既不影響流體流型又不影響油井生產的情況下及時獲取原油含水率信息，并且避免了原油對測量電極的腐蝕和結蠟現象對測量結果的影響。

1 測量原理

本含水率測量儀所使用的傳感器是基于電磁感應線圈系的設計原理進行設計的，當油水混合流體經過傳感器測量管段時，由于油相和水相的電參數存在差異，使得規則分布的磁場發生改變，引起接受線圈輸出信號發生變化，對輸出信號進行處理分析，就可以得到測量管段含水率的變化情況。

2 硬件電路設計

硬件電路部分由DDS信號發生電路、信號功率放大電路、信號調理電路以及單片機控制的AD轉換和串口收發電路組成，整體設計如圖1所示：

2.1 DDS信號發生電路

DDS芯片即為直接數字式頻率合成芯片，DDS技術是一項關鍵的數字化技術，與傳統的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換等優點，廣泛使用在電信與電子儀器領域。本設計應用的DDS芯片為AD9833，它的內部集成了一個32位的相位累加器，正弦和余弦函數表，還有一個十位的D/A，它可以在單片機的控制下產生0-50MHz的頻率、相位可調的正弦波信號。DDS信號發生電路的原理圖如圖2所示。

該芯片是ADI公司生產的一款低功耗，可編程的波形發生器，能夠產生正弦波、三角波、方波，本設計中利用PIC單片機PIC16F877控制AD9833產生頻率相位可調的正弦波作為激勵信號。DDS芯片產生的信號幅值很小而且幾乎沒有帶負載能力，需要將該信號進行功率放大后才能加到發射線圈上。DDS芯片產生的正弦波如圖3所示。

2.2 功率放大電路

功率放大電路把DDS輸出的信號進行放大并且利用其帶負載能力強的特點驅動發射線圈。功率放大電路主要由運算放大器OP27和功率放大芯片LM1875組成。OP27組成一個電壓跟隨器，減小功放芯片LM1875對DDS產生信號的影響。LM1875將OP27輸出的信號進行功率放大驅動發射線圈。功率放大電路的原理圖如圖4所示：

2.3 信號調理電路

接收線圈接收到的信號除了載有含水率信息的有用信號外還存在較多的雜波干擾，需要用信號調理電路將收到的信號進行放大并濾除無用信號。接收線圈接收到的信號如圖6中黃色信號所示，其中藍色信號為發射線圈發射的信號。

信號調理電路處于對電極系傳感器的測量電極輸出的流動噪聲信號處理的最前端，它的主要作用是抑制雜波干擾，放大有用信號。信號調理電路的工作情況，直接關系到整個系統的測量精度和分辨率等重要指標。

信號調理電路由LM358構成的差動放大電路和由INA118P構成的可調增益放大電路構成。差動放大電路又叫差分電路，能夠放大有效信號，減小由于電源波動和隨溫度變化造成的零點漂移，所以得到廣泛的應用。差動放大電路最大的特點就是靜態工作點穩定，對共模信號有很好的抑制，只對差模信號進行放大，所以常被用于多級放大器的前置級。基本差動放大電路的輸入端需引入兩個信號，這兩個信號的差信號為有用的需要放大的信號，對于干擾信號，在這兩個信號做差值的時候已經減掉了，所以干擾信號的有效輸入為零，起到了抗共模信號干擾的作用。信號調理電路的原理圖如圖7所示：

經信號調理電路調理過后的信號波形如圖8中藍色信號所示，其中黃色信號為信號調理之前的信號。從波形圖可以看出該電路有較好的放大濾波效果。

2.4 峰值保持電路

接收信號的幅值變化包含了含水率變化的信息，所以需要將信號調理電路調理之后的信號根據采樣定理進行采樣，將采樣的信息發送到上位機進行信號的還原，從而可以求出接收信號幅值的變化，進而分析出含水率的變化。但是該方案需要的采樣率較高，數據量也比較大，對MCU的處理速度、串口數據的發送速度以及AD轉換電路轉換速度要求都比較高。這里采用了由峰值保持芯片PKD01構成的峰值保持電路來直接采集調理過后的信號的幅值，再將幅值信息發送給上位機進行數據的處理。該方案既簡化了系統的設計又提高了幅值采樣的精度。峰值保持電路的原理圖如圖所示。兩個PKD01芯片分別保持信號的最大值與最小值，分別對其進行AD轉換即可得到信號的幅值。峰值保持電路的原理圖如圖9所示。

2.5 AD模數轉換電路

經信號調理電路輸出的信號為載有含水率信息的模擬信號，需要進行模數轉換后才能在上位機進行處理。本設計中使用PIC16F877作為主控芯片，控制AD974進行模數轉換。AD974是AD公司生產的一種多通道16位高速ADC，具有較高的通過率和和轉換精度，而且集成了時鐘電路和內部基準等功能，大大簡化了外圍電路，同時采用串行接口，具有數據傳輸率高、接口簡單的特點。

PIC16F877與AD974之間通過SPI接口進行連接，SPI接口的全稱是“Serial Peripheral Interface”，意為串行外圍接口，主要應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。該接口一般使用4條線：串行時鐘線SCLK、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和從機選擇線NSS，由于AD974工作時只需要MCU發送控制信號而不需要發送數據，所以PIC16F877與AD974通信的SPI接口只用了SCK、MISO和NSS三條線，連接非常簡潔方便，同時在主器件的移位脈沖下，數據傳輸速度可達到幾Mbps。AD模數轉換電路的原理圖如圖10所示。

2.6 串口收發電路

PIC16F877采集到AD974轉換后的數字信號后需要經過RS-232標準串口將數據發送到上位機進行處理，雖然PIC16F877支持標準串行接口，但是收發電平與RS-232并不兼容，需要進行電平轉換之后才能實現與PC機之間的串行通信，在該設計中我們使用了MAX232作為串行通信的電平轉換 芯片。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5V單電源供電，僅需要極少的外圍器件就解決了單片機與PC進行串口通信時電平不兼容的問題。串口收發電路的原理圖如圖11所示。

2.7 PCB

綜合以上各部分電路再加上單片機及電源部分就構成了完整的原理圖，通過該原理圖畫成的PCB如圖12所示。

上位機中用LabVIEW進行數據的處理和結果的顯示，LabVIEW具有友好的人機交互界面，圖形化的語言便于編程人員快速掌握其編程技術，不僅能夠實現串口數據的采集，還能夠對數據進行顯示，并通過相應的算法處理對采集到的數據進行解釋，最終實現含水率信息的實時示。上位機軟件的流程圖如圖13所示。

4 結束語

通過對比不同的含水率測量方法，研究電磁場的基本理論，針對原油管線含水率測量的特點，根據不同流體成分之間的電參數差異，建立了一套電磁感應法測量含水率的理論，并設計了具體的實現方案。設計并實現了相應的硬件電路和上位機軟件，利用電磁感應的原理進行含水率的測量避免了與測量液體的直接接觸，不會因為原油的腐蝕、結蠟等現象降低傳感器的靈敏度，保證了長期測量的準確性。

參考文獻：

[1] 任笑瑩. 原油管線含水率測量[D]. 西安：西安石油大學， 2015.

[2] 孫亮亮. X射線法三相流測量技術研究[D]. 西安：西安石油大學， 2012.