分层采油流量测量的一种超声波发射接收电路

党瑞荣; 王罗娜; 顾雨晴

【期刊名称】《《石油化工应用》》 【年(卷),期】2019(038)011 【总页数】3页(P87-) 【关键词】时差法; 超声波; 电路 【作 者】党瑞荣; 王罗娜; 顾雨晴

【作者单位】西安石油大学电子工程学院 陕西西安 710065 【正文语种】中 文 【中图分类】TE937

近二十年来，中国石油工业取得了显著的发展成果，石化经济总量居世界第二位。石油行业迅速发展，并为我国经济建设做出了巨大贡献，然而石油行业发展方式依然较粗放，发展质量较国外发达国家仍有很大差距。所以国内的大部分油田都需要多种精确的测量手段来提升石油行业发展的精细程度，在油气田分层开采这项工艺中，为了提高产量和采收率，提出了适合油气田现场应用的超声流量测量法，流量测量是对各生产层产量进行调节的重要依据，也是调节效果的重要依据，对产出液的实时、在线监测显得尤为重要，基于这种工业现状，设计了一种基于时差法的收发一体电路。 1 超声时差法测量原理

图1 时差法换能器安装

根据检测原理的不同，超声波流量测量方法可分为多种测量方法，如时差法，多普勒法和互相关法。超声波时差法是一种常用于工业应用的超声波流量测量方法。超声时差法是基于下游流动的超声信号的时间差来获得流体速度。超声波时差法换能器的安装（见图1）。此外，在本文的研究中超声波换能器为接触式安装，所以不考虑管道表面反射和折射的问题。

传感器A、传感器B 分时接收和发射超声波信息。超声波顺流和逆流通过流体的时间，超声波信号沿流体正流速方向传播所用的时间：

超声波信号沿流体负流速方向传播所用的时间：

式中：d-管道内径；c-超声波在特定混合流体中的声速，需要分情况具体讨论；v-管道中流体的流速；θ-传感器进入流体的角度；τ-除流体以外的超声波传播时间和其他延迟时间之和。 超声波逆顺流传播的时间差：

由于c 的值远大于v，所以此式可化简为：

进而得出流体流速的公式：

2 换能器收发一体电路研究

超声波换能器（即超声波传感器）其收发电路在超声波时差流量测量电路中起着重要作用。电路的这一部分决定了整个系统电路可以实现的测试性能和测量精度。选择传感器时，还要确定其性能参数，包括阻抗，等效电容和机械共振频率。本文提

到的超声换能器是压电超声换能器，它对压电晶体的正负电压起作用，压电晶体振荡产生超声波。当一定频率的电信号施加到两个极点，并且所施加的频率等于压电晶体的固有振荡频率时，压电晶体将振荡。并且产生共振板的振动以产生超声波，并且此时它是超声波发生器[1]。相反，当压电晶体的两个电极之间没有施加电压时，谐振板接收超声信号，并且谐振板按压压电晶片以将机械振动转换成电信号。此时它就成为超声波接收器了[2]。本文研究了一种使信号传输传感器发出的信号更好的电路。脉冲信号，方波信号和正弦波信号基于超声波检测应用的场景确定使用哪种类型的发送信号。本文讨论了超声波时差法流量测量收发电路，选择脉冲信号，并通过时间差来计算流体流量。

因为要适应井下的高温高压环境，在本设计中换能器采用自制的换能器，自制的换能器核心为压电晶体片，其阻值，共振频率等参数都是可以选择的，外壳采用特制的金属外壳，声阻抗较低，且耐高温高压，本文设计的传感器收发集成电路（见图2）。

图2 收发一体电路 图3 测试电路的收发信号

本电路设计中采用LC 串联谐振电路来提升换能器上的发射电压，串联谐振中的电感部分即为变压中周的次级线圈，串联谐振的电容部分即为传感器的电容特性，调整电感和电容的参数使这个电路在超声波的发射频率下进行串联谐振，使从中周初级传过来的脉冲信号达到50 V 以上，并且由于不用进行电压放大或功率放大，此电路的电源可以只使用5 V 的输入，极大的节省了整块电路的能耗。其中的MOS 管栅极输入的脉冲信号本身一般只有3 V 左右，这个脉冲信号起开关的作用，变压中周的初级次级线圈匝数比为1：10，但因为非理想情况，只可将幅度为VCC 的脉冲放大5～7 倍，又经过LC 串联谐振，将脉冲幅度进一步放大，而这么高的电压无法直接接到后端的处理电路上，在此电路中又加入了一个二极管隔离电路，

此部分电路的作用是将加到传感器上的较高的电压，限定在VCC和0 V 以内，保护后端信号处理电路，此电路中的R2和R3 一般选阻值相等的电阻，避免信号中加入直流分量。当此电路当做接收电路使用时，信号通过二极管桥，直接进入后端电路。

3 实验测试及结果

在实验室中，构建了一个简单的超声波收发器来测试该电路的性能。然后使用实验室的现有条件模拟分层油回收站处的流量测量装置，并将设计的回路添加到测试中并进行测试。电路设计完成后，使用实验室的现有条件：示波器，信号源，直流电源和自制的超声波换能器探头通过简单的测试装置组装而成。直流电源为电路供电。用示波器观察接收板接收到的信号。观察的结果（见图3）。蓝色脉冲信号是由信号源提供给发送板的输入信号，紫色信号的后半部分是从接收板接收的信号。因为两个换能器之间有一定距离，所以有一定的延时，黄色的信号是经过后端处理电路处理后得到的信号。 4 总结

本文依据脉冲信号下超声波时差法的测量原理，设计出了一种基于自制换能器的超声波收发一体电路，并对其进行了调试和测试，实现了利用脉冲信号下的超声波时差法测量流量的原理进行井下分层采油流量测量的功能。该电路测试结果比较稳定，达到了一定的测量精度。

【相关文献】

［1］冯红亮，肖定国，徐春广，等.脉冲超声传感器激发/接收电路设计［J］.仪器仪表与传感器，2003，（11）：30-32.

［2］林书玉.超声换能器的原理及设计［M］.北京：科学出版社，2004.

［3］姜勇.时差法超声波流量计设计与研发［D］.杭州：浙江大学，2006.

［4］王池，王自和，张宝珠，等.流量测量技术全书［M］.北京：化学工业出版社，2012.