目前，在油田原油開采中面臨的一個困難問題就是對開采的原油進行在線計量。主要原因是原油的成分非常復(fù)雜，原油中含油、水、氣和其他雜質(zhì)，屬于多相復(fù)雜的流體，而且單井原油又是間歇流動，因此一般的流量計是無法滿足的。本文設(shè)計了基于超聲波相關(guān)流量計算的計量系統(tǒng)，較好地解決了原油非接觸在線計量問題。
1、超聲波相關(guān)流量計原理
相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)測量流體流量。測量精度與流體中的聲速無關(guān)，測量精度高，適用于多相流，干擾大的流體的測量。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動時，如果含有其他雜質(zhì)，其內(nèi)部就存在著各種各樣的隨機擾動，從而產(chǎn)生了與流動狀況有關(guān)的流動信號，并具有一定的統(tǒng)計特性。相關(guān)法流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
A，A’和B，B’是兩組超聲波發(fā)射和接收換能器，L為上游換能器和下游換能器之間的距離。當(dāng)超聲波信號穿過管道時，超聲波信號會受到流體中噪聲的調(diào)制，調(diào)制后的超聲波信號中就包含了流體速度場的信息，對此超聲波信號進行分析，提取與流動狀況有關(guān)的流動信號A（t）和B（t），且將A（t）和B（t）作相關(guān)運算，得到相關(guān)函數(shù)RAB（τ）：
該函數(shù)峰值所對應(yīng)的時間位移為τ，就是流體從上游換能器傳遞到下游換能器的時間，即該系統(tǒng)中的傳遞時間（也稱渡越時間）。流速的計算公式為：
根據(jù)流速，進而求得流量：
式中：D為管道的直徑。
2、單井原油超聲波相關(guān)流量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，單井流量測量系統(tǒng)主要由氣液分離預(yù)處理，超聲波檢測，信號處理三部分構(gòu)成。下面分別對這三部分進行分析。
2.1氣液分離預(yù)處理部分
預(yù)處理部分其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)處理部分的功能一是進行液氣分離（抽油機抽出的原油中除了油液混合外，還含有氣體和其他雜質(zhì)，氣體對油液測量會帶來較大的誤差，所以在對油液測量時必須進行氣液分離）；二是解決間歇流動時的滿管測量（抽油機工作時每次抽出的原油不等，而且是間歇流動，這樣造成管道中油液可能不是滿管，也會帶來很大的測量誤差）?；谶@些原因在對油液測量前要進行預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后實現(xiàn)氣液分離和油液滿管通過計量油管，減小計量誤差。工作原理是：原油從進油口經(jīng)沉沙罐后進入儲油罐，在儲油罐里進行油氣分離，分離的氣體從儲油罐上閥門（出氣閥）經(jīng)氣管道輸出，當(dāng)儲油罐中的油液達(dá)到一定高度時，浮球上浮打開下閥門（出油閥），同時上閥門封堵氣口，建立壓力，儲油罐中的油在壓力的作用下，通過測量管道流向出油口，當(dāng)儲油罐中的油液下降到一定的液位時，浮球下沉封堵下閥門，打開上閥門，這樣重復(fù)工作完成氣液分離。
2.2超聲波檢測部分
檢測部分主要是由兩對超聲波傳感器構(gòu)成。超聲波傳感器的檢測是通過超聲波的發(fā)射和接收能量來完成的，核心是換能器（將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，可逆換能器是指以相等的效率對兩種形式的能量做相互轉(zhuǎn)換的換能器）。常見的換能器有壓電晶體振子、磁致伸縮振子等。用于相關(guān)流量測量的超聲波一般有正弦波與脈沖波兩種形式。脈沖超聲波和正弦波的相關(guān)流量計都是對流場橫截面的速度信息進行積分而得到流速的。本設(shè)計采用壓電晶體超聲波傳感器，中心頻率為200kHz。為了克服駐波影響，超聲波采用鎖相環(huán)脈沖信號發(fā)生器。
2.3信號處理部分
信號處理部分主要由超聲波接收換能器和DSP構(gòu)成。
信號調(diào)理電路由接收換能器、三級放大電路、濾波電路和包絡(luò)檢波電路組成。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構(gòu)成，二級放大器和末級放大器由INA128精密低功耗儀表用放大器構(gòu)成；濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構(gòu)成的一個帶通濾波器，中心頻率為200kHz，由TL14構(gòu)成低通濾波器，主要取出檢波后的信號，包絡(luò)檢波電路由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波器。
另一部分是由DSP模塊組成的數(shù)據(jù)采集處理電路。該電路選用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前過程控制領(lǐng)域中，它是最先進的DSP微處理器，與傳統(tǒng)的單片機相比，它具有功能強、資源豐富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并綜合最佳的外設(shè)接口，它集成了閃存、高速A／D轉(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等。
測量時，上、下游發(fā)射換能器發(fā)射出高頻超聲波，超聲波在流體中傳播時，流動信號對超聲波會產(chǎn)生幅值、相位和頻率調(diào)制，接收換能器接收的高頻調(diào)制信號，經(jīng)濾波和放大后進行解調(diào)，獲得流動信號，送至A／D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集，采集的信息送至DSP進行相關(guān)處理，獲得流體的流量。
3、系統(tǒng)程序設(shè)計
軟件系統(tǒng)包括DSP初始化、計算模塊、流量顯示、中斷處理模塊等部分。
主程序流程圖如圖3所示，主程序完成初始化后，進入一個循環(huán)程序，對采樣數(shù)據(jù)進行處理，隨時響應(yīng)外部A／D中斷請求、串口通信中斷請求和定時器中斷請求，同時還要隨時判斷流量顯示定時是否到達(dá)。主程序響應(yīng)以上各中斷請求并調(diào)用各個相應(yīng)的處理程序，完成數(shù)據(jù)的采集和處理。
初始化一方面是設(shè)置DSP的工作環(huán)境，另一方面是為后面的信號處理做準(zhǔn)備。系統(tǒng)初始化程序包括影響DSP芯片CPU運行的內(nèi)部初始化和影響各個外設(shè)工作的外設(shè)初始化，以及外圍可編程器件（如A／D，D／A等）的初始化等幾個方面，具體地說包括以下功能：設(shè)置時鐘發(fā)生器，設(shè)置定時器，初始化各狀態(tài)寄存器，開中斷等。
中斷處理模塊包括三個中斷：定時器中斷處理模塊用于啟動A／D轉(zhuǎn)換器和控制采樣頻率，串行通信中斷處理模塊用于與上位機進行通信，A／D中斷處理模塊用于讀取A／D轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù)，其流程圖如圖4所示。
圖4 A/D中斷處理程序流程
顯示模塊定時刷新儀表，顯示瞬時流量值和累積流量值。
系統(tǒng)處理過程為：設(shè)定定時周期，定時器產(chǎn)生中斷，此中斷啟動A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A／D轉(zhuǎn)換器向DSP請求讀取數(shù)據(jù)中斷，DSP響應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器中斷請求，調(diào)用A／D中斷處理模塊，讀取采樣數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于流體是間歇流動，所以DSP接收到上、下游信號的N點數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行傅里葉分析，判斷流體是否流動，如流動則調(diào)用計算程序，對采樣數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，尋找相關(guān)函數(shù)的峰值，確定渡越時間T，并根據(jù)儀表參數(shù)、溫度補償，獲得瞬時流量值和累積流量值，并將結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲單元，供顯示儀表顯示。
在相關(guān)流量測量中，關(guān)鍵問題之一是相關(guān)函數(shù)的計算方法，要求能高速、準(zhǔn)確地完成對大量的隨機調(diào)制信號的采集、相關(guān)積分運算和相關(guān)函數(shù)的峰值搜索。相關(guān)函數(shù)的算法主要有極性重合法和零點穿越法兩種。為了提高運算速度，本系統(tǒng)采用頻域中的相關(guān)運算。輸入的數(shù)據(jù)通過FFT變換后，即可求出頻域中的相關(guān)運算。然后通過IFFT可得到時域中的相關(guān)結(jié)果，可以用來進行峰值搜索。
4、結(jié)語
在分析油田單井工況和相關(guān)流量測量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種適合單井原油計量的裝置，經(jīng)現(xiàn)場測試取得了較好的效果，其誤差小于2％。但還存在以下幾個問題：一是信號的起伏較大，主要是原油中含氣，含雜質(zhì)不定，所以造成了信號差別大，需要檢測電路增加AGC電路。二是修正系數(shù)的整定困難，不同的井含水量不同，油液的粘度差別很大，同時在不同的溫度下，油液的流動性差別也很大，所以要在不同的環(huán)境下多次調(diào)整修正系數(shù)，給使用帶來不便。三是在流速較低時誤差比較大。這些都是今后研究中要加以改進的方面。