基于USB的油氣水三相流流動參數采集系統設計

胡 實 ，韓連福 ，趙 鳴 ，張自成 ，王延軍 ，劉興斌 ，

（1.東北石油大學電子科學學院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司，黑龍江大慶1634533）

油氣水三相流流動過程中，各相態之間存在界面效應和相對速度，且組分分布在時間和空間上是隨機變化的，使其流動特性和特征參數遠比單相流動復雜的多。氣體的可壓縮性導致油氣水三相間存在可變形的界面且相分布狀況不均勻，致使三相流在物理特性和數學描述上也要比單相流復雜的多[1-2]。故需采集油氣水三相流流動參數為測井工程提供可靠的數據采集系統多以串口為傳輸通道，但筆記本無串口，串口轉USB不穩定，工業現場需要靈活方便的USB通信方式，故設計基于USB的數據采集系統[3]。LabVIEW軟件具有數據處理方便、接口設計簡單，便于編程調試等優勢，有利于研究領域開發[4]。

1 數據采集系統硬件構成

1.1 硬件系統框架

如圖1所示，數據采集硬件系統主要由傳感器、信號調制電路、數據采集卡和USB接口這4大模塊組成。傳感器將表征油氣水三相流流動參數的物理量轉換成電信號，信號電路負責將電信號調理至適合數據卡，數據采集卡采集電信號并通過USB傳輸至上位機。

圖1 數據采集系統原理圖

1.2 數據采集卡與傳感器選擇

系統需4個物理通道，其中3個模擬通道，1個數字通道，并需為擴展采集系統功能做3通道冗余，故設計需7路通道。單采樣頻率高于200 Ks/s且要求體積小、易攜帶。NI公司6210采集卡由USB總線供電，內部包含多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入；250 Ks/s單通道采樣率；4路數字輸入線；4路數字輸出線；數字觸發；2個計數器/定時器。滿足需求，故采用該采集卡。

由于采集卡可接受不同的輸入信號，如電流、電壓和頻率等[5-6]。但為了減少工業設計的復雜性，所以在傳感器選擇上盡可能選擇輸出方式相同，連接簡易方便，抗干擾能力強的傳感器。經過選擇此次設計使用輸出為電流，輸出范圍為（4～20 mA）的標準工業傳感器，溫度傳感器型號：西安新敏電子SBYW；壓力傳感器型號：西安新敏電子CYB13；流速和光纖傳感器自制。

2 系統軟件設計

LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。LabVIEW采用數據流編程方式[7-8]，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。LabVIEW提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率。系統需要采集溫度、壓強、光纖折射率和相態4個物理量[9-11]。根據需求，需要4個物理通道其中3個模擬通道，1個數字通道。

如圖2，首先根據DAQ物理通道創建虛擬通道和DAQ任務，得到該任務的Handle；設置采樣模式、采樣點和采樣頻率；設置觸發方式；寫入或讀取DAQ設備；清除任務釋放DAQ資源。

圖2 DAQ程序設計步驟

將DAQ程序封裝成子Vi，設計美化前后面板，優化后的后面板如圖3所示。

圖3 采集系統后面板程序圖

3 實 驗

3.1 采集系統驗證

系統驗證目的是在真實系統工作環境下通過與系統的需求定義作比較[12]，檢驗完整的軟件配置項能否和系統正確連接，發現軟件與系統/子系統設計文檔和系統設計要求不符合或與之矛盾的地方。是為了發現缺陷并度量系統設計質量，按照系統的功能和性能需求進行的驗證。系統驗證是度量系統功能和質量的重要手段之一[13]，也是系統設計不可缺少的部分。

系統需驗證的主要參數:波形、幅度、頻率、占空比以及失真性。為減少隨機誤差驗證采用3種波形；正弦波、方波、三角波。驗證系統如圖4所示。

圖4 驗證系統

波形參數：正弦波：幅度4 V、占空比50%。方波：幅度6 V、占空比50%。三角波：幅度6 V、占空比50%。正弦波、方波和三角波驗證結果分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 正弦波采集結果

圖6 方波采集結果

由圖5、圖6和圖7可知，3種波形失真性均極小，與原波形基本一致。如圖6所示，正弦波峰值、頻率和占空比分別為4 V、50%和25 Hz，與原正弦波參數一致；如圖8所示，三角波峰值、頻率和占空比分別為4 V、50%和25 Hz，與原三角波參數一致；如圖7，方波峰值、頻率和占空比分別為5 V、50%和25 Hz，與原方波參數相比存在微小失真，在高低電平轉換時沒有瞬時完成，如圖8所示。

圖7 方波采集結果

圖8 高低電平轉換失真圖

由圖8分析高低電平轉換時脈沖上升時間0.002 s，對其采集系統來說只產生0.932%的誤差[14]，該誤差對于系統采集數據最大允許誤差3.000%來說可以忽略不計。本次實驗驗證主要得到以下兩點結論：

1）通過實驗數據分析可知數據采集系統采集的波形和占空比與原參數相同，證明數據采集系統可準確完成多線程采集任務。也驗證了系統通訊方式的準確、高速和穩定。

2）經數據計算分析可知數據采集系統最大誤差0.932%小于系統最大允許誤差3.000%，證明該數據采集系統可完成高精度采集任務。

3.2 油氣水采集實驗

實驗使用的混合三相流流量參數為：油10 m3/d、氣10 m3/d、水20 m3/d。由于測試現場電壓干擾性很強，為增強抗干擾性使用V/F轉換電路將表示三相流參數的電壓轉換為頻率信號，實驗數據采集結果如圖9所示。

為驗證采集系統的精度、重復性否能夠達到設計要求，實驗還采集溫度、壓強、頻率參數的實際測量數據，將實測數據與理論值作對比[15]，對比結果如圖10和表1所示。

圖9 實驗采集數據圖

圖10 數據對比結果圖

表1 數據分析對比表

由圖11可知實測數據與理論數據基本吻合，由表1可知最大相對誤差僅為1.151%，故系統精度高。

為驗證系統重復性[16]，在實驗條件不變的情況下，選取3個時間點，在每個時間點下做實驗15次，采集結果如圖11，重復性一般采用相對標準偏差RSD表示，其值應小于10%，經公式（1）計算重復性如表2所示。

圖11 第一時間點采集數據

表2 重復性實驗數據分析表

由圖11可知數據離散程度較低，由表2可知3次試驗結果最大相對標準偏差為0.111%，遠小于10%，故系統重復性好。

4 結 論

為方便現場測試，設計了基于USB的油氣水三相流流動參數數據采集系統，并進行系統驗證和油氣水三相流流動參數采集實驗，得到如下結論：

1）系統驗證表明：本系統采集波形與原波形基本一致、失真性小，系統最大誤差0.932%，該數據采集系統可完成高精度采集任務。

2）油氣水實驗表明：實測數據與理論數據基本吻合，可最大相對誤差僅為1.151%，系統精度高，數據離散程度較低，最大相對標準偏差僅為0.111%，系統重復性好。

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