分層采油流量測量的一種超聲波發射接收電路

黨瑞榮，王羅娜，顧雨晴

（西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065）

近二十年來，中國石油工業取得了顯著的發展成果，石化經濟總量居世界第二位。石油行業迅速發展，并為我國經濟建設做出了巨大貢獻，然而石油行業發展方式依然較粗放，發展質量較國外發達國家仍有很大差距。所以國內的大部分油田都需要多種精確的測量手段來提升石油行業發展的精細程度，在油氣田分層開采這項工藝中，為了提高產量和采收率，提出了適合油氣田現場應用的超聲流量測量法，流量測量是對各生產層產量進行調節的重要依據，也是調節效果的重要依據，對產出液的實時、在線監測顯得尤為重要，基于這種工業現狀，設計了一種基于時差法的收發一體電路。

1 超聲時差法測量原理

圖1 時差法換能器安裝

根據檢測原理的不同，超聲波流量測量方法可分為多種測量方法，如時差法，多普勒法和互相關法。超聲波時差法是一種常用于工業應用的超聲波流量測量方法。超聲時差法是基于下游流動的超聲信號的時間差來獲得流體速度。超聲波時差法換能器的安裝（見圖1）。此外，在本文的研究中超聲波換能器為接觸式安裝，所以不考慮管道表面反射和折射的問題。

傳感器A、傳感器B 分時接收和發射超聲波信息。超聲波順流和逆流通過流體的時間，超聲波信號沿流體正流速方向傳播所用的時間：

超聲波信號沿流體負流速方向傳播所用的時間：

式中：d-管道內徑；c-超聲波在特定混合流體中的聲速，需要分情況具體討論；v-管道中流體的流速；θ-傳感器進入流體的角度；τ-除流體以外的超聲波傳播時間和其他延遲時間之和。

超聲波逆順流傳播的時間差：

由于c 的值遠大于v，所以此式可化簡為：

進而得出流體流速的公式：

2 換能器收發一體電路研究

超聲波換能器（即超聲波傳感器）其收發電路在超聲波時差流量測量電路中起著重要作用。電路的這一部分決定了整個系統電路可以實現的測試性能和測量精度。選擇傳感器時，還要確定其性能參數，包括阻抗，等效電容和機械共振頻率。本文提到的超聲換能器是壓電超聲換能器，它對壓電晶體的正負電壓起作用，壓電晶體振蕩產生超聲波。當一定頻率的電信號施加到兩個極點，并且所施加的頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率時，壓電晶體將振蕩。并且產生共振板的振動以產生超聲波，并且此時它是超聲波發生器[1]。相反，當壓電晶體的兩個電極之間沒有施加電壓時，諧振板接收超聲信號，并且諧振板按壓壓電晶片以將機械振動轉換成電信號。此時它就成為超聲波接收器了[2]。本文研究了一種使信號傳輸傳感器發出的信號更好的電路。脈沖信號，方波信號和正弦波信號基于超聲波檢測應用的場景確定使用哪種類型的發送信號。本文討論了超聲波時差法流量測量收發電路，選擇脈沖信號，并通過時間差來計算流體流量。

因為要適應井下的高溫高壓環境，在本設計中換能器采用自制的換能器，自制的換能器核心為壓電晶體片，其阻值，共振頻率等參數都是可以選擇的，外殼采用特制的金屬外殼，聲阻抗較低，且耐高溫高壓，本文設計的傳感器收發集成電路（見圖2）。

圖2 收發一體電路

圖3 測試電路的收發信號

本電路設計中采用LC 串聯諧振電路來提升換能器上的發射電壓，串聯諧振中的電感部分即為變壓中周的次級線圈，串聯諧振的電容部分即為傳感器的電容特性，調整電感和電容的參數使這個電路在超聲波的發射頻率下進行串聯諧振，使從中周初級傳過來的脈沖信號達到50 V 以上，并且由于不用進行電壓放大或功率放大，此電路的電源可以只使用5 V 的輸入，極大的節省了整塊電路的能耗。其中的MOS 管柵極輸入的脈沖信號本身一般只有3 V 左右，這個脈沖信號起開關的作用，變壓中周的初級次級線圈匝數比為1：10，但因為非理想情況，只可將幅度為VCC 的脈沖放大5～7 倍，又經過LC 串聯諧振，將脈沖幅度進一步放大，而這么高的電壓無法直接接到后端的處理電路上，在此電路中又加入了一個二極管隔離電路，此部分電路的作用是將加到傳感器上的較高的電壓，限定在VCC和0 V 以內，保護后端信號處理電路，此電路中的R2和R3 一般選阻值相等的電阻，避免信號中加入直流分量。當此電路當做接收電路使用時，信號通過二極管橋，直接進入后端電路。

3 實驗測試及結果

在實驗室中，構建了一個簡單的超聲波收發器來測試該電路的性能。然后使用實驗室的現有條件模擬分層油回收站處的流量測量裝置，并將設計的回路添加到測試中并進行測試。電路設計完成后，使用實驗室的現有條件：示波器，信號源，直流電源和自制的超聲波換能器探頭通過簡單的測試裝置組裝而成。直流電源為電路供電。用示波器觀察接收板接收到的信號。觀察的結果（見圖3）。藍色脈沖信號是由信號源提供給發送板的輸入信號，紫色信號的后半部分是從接收板接收的信號。因為兩個換能器之間有一定距離，所以有一定的延時，黃色的信號是經過后端處理電路處理后得到的信號。

4 總結

本文依據脈沖信號下超聲波時差法的測量原理，設計出了一種基于自制換能器的超聲波收發一體電路，并對其進行了調試和測試，實現了利用脈沖信號下的超聲波時差法測量流量的原理進行井下分層采油流量測量的功能。該電路測試結果比較穩定，達到了一定的測量精度。