一種關于原油超聲波相關流量計的設計
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檢測部分主要是由兩對超聲波傳感器構成。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(將超聲波能轉換為電能或者將電能轉換為超聲波能，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、濾波電路和包絡檢波電路組成。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構成，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成；濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構成的一個帶通濾波器，中心頻率為200kHz，由TL14構成低通濾波器，主要取出檢波后的信號，包絡檢波電路由二極管和電容構成峰值檢波器。
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接口，它集成了閃存、高速A／D轉換器、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轉換器進行數(shù)據(jù)采集，采集的信息送至DSP進行相關處理，獲得流體的流量。
3、系統(tǒng)程序設計
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。主程序響應以上各中斷請求并調(diào)用各個相應的處理程序，完成數(shù)據(jù)的采集和處理。
初始化一方面是設置DSP的工作環(huán)境，另一方面是為后面的信號處理做準備。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工作的外設初始化，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：設置時鐘發(fā)生器，設置定時器，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：設定定時周期，定時器產(chǎn)生中斷，此中斷啟動A／D轉換器，轉換結束后，A／D轉換器向DSP請求讀取數(shù)據(jù)中斷，DSP響應A／D轉換器中斷請求，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)進行相關運算，尋找相關函數(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，并將結果存于數(shù)據(jù)存儲單元，供顯示儀表顯示。
在相關流量測量中，關鍵問題之一是相關函數(shù)的計算方法，要求能高速、準確地完成對大量的隨機調(diào)制信號的采集、相關積分運算和相關函數(shù)的峰值搜索。相關函數(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運算。然后通過IFFT可得到時域中的相關結果，可以用來進行峰值搜索。
4、結語
在分析油田單井工況和相關流量測量原理的基礎上，設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。(end)
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