应用于油田分注井的非接触式流量测量装置及方法与流程

1.本发明涉及油田注水测试技术领域，具体涉及一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置及方法。


背景技术：

2.我国油田多为多层系、非均质构造，大多采用注水开发方式。由于层系多，各地层的物性差异较大，各地层吸水量不同，为了实时监测各注水层吸水状况，进行精细配水，提出了水井智能分层注水技术。
3.水井智能分层注水技术关键的技术是对水的流量进行准确测量和控制，目前各大油田采用比较广泛的技术是孔板差压法测流量，其原理是通过测量管道上、下游两侧产生静压力差来推导流量。但是孔板差压法有一些难以解决的缺陷，主要是压力损失较大，同时长期使用后孔板受腐蚀、磨损、结垢后，其精度下降很大，难以保证测量需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置及方法。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置，该装置包括超声换能器控制单元、时差测量芯片电路、单片机控制电路，所述超声换能器控制单元设置两个并且分别井下管壁的上下游两侧，两个超声换能器控制单元之间形成夹角θ，两个所述超声换能器控制单元的接收端、发送端分别与时差测量芯片电路连接，所述时差测量芯片电路与单片机控制电路连接。
7.上述方案中，每个所述超声换能器控制单元包括超声换能器、超声波发送增益可调驱动电路、超声波接收滤波电路、超声波放大电路，所述超声换能器设置在井下管壁，所述超声换能器的接收端与超声波发送增益可调驱动电路的发送端连接，所述超声波发送增益可调驱动电路的接收端与时差测量芯片电路的发送端连接，所述超声换能器的发送端通过超声波接收滤波电路、超声波放大电路与时差测量芯片电路的接收端连接；所述超声波发送增益可调驱动电路包括超声波驱动电路和超声波增益电路。
8.上述方案中，所述超声波驱动电路包括第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第一电阻r1至第十电阻r10、第一电感线圈l1，所述第一三极管q1的第1端接地，第2端经并联的第五电阻r5和第二电容c2接入第一信号sign1，第3端经第三电阻r3与第二三极管q2的第1端连接，所述第一三极管q1的第1、2端之间并联第八电阻 r8；所述第二三极管q2的第1端还经过第一电阻r1、第四电阻r4接入第二信号sign2，第2端一路接地，另一路经第一电容c1、第七电阻r7接于第三三极管q3的第2端，第3端经第二电阻r2接于第一电阻r1和第四电阻r4之间并且接入电源vcc；所述第三三极管q3的第1端经第九电阻r9、第六电阻r6接于第二信号sign2，第3端接于第四电阻r4和第二信
号sign2之间，所述第三三极管q3的第1、3端之间依次并联第三电容c3、第一电感线圈l1。
9.上述方案中，所述超声波增益电路包括模拟开关u1、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、运算放大器u2、第四电容c4，所述模拟开关u1的第4、13端分别接入电源
‑
vcc及vcc，第3端一路与运算放大器u2的输出端连接，另一路依次通过第十四电阻r14 第十三电阻r13、第十二电阻r12、第十一电阻r11与第7端连接，第7端还与运算放大器u2的反相输入端，所述运算放大器u2的反相输入端另一路经过第四电容c4接入输入信号ui，所述运算放大器u2的同相输入端通过第十五电阻 r15接地。
10.上述方案中，所述超声波接收滤波电路包括第一比较器u3a、第二比较器 u3b、第五电容c5至第七电容c7、第十六电阻r16至第二十三电阻r23、第二电感线圈l2，所述第一比较器u3a的第1端经过第十九电阻r19、第六电容c6 与第二比较器u3b的第6端连接，第2端经第十六电阻r16接于第三信号sign3，第3端接于第十七电阻r17和第十八电阻r18之间，所述第五电容c5和第二电感线圈l2并联并且一端接于第一比较器u3a的第2端和第十六电阻r16之间，另一端接入基准电压源1.65vref，所述第十七电阻r17的第一端接于第一比较器u3a的第1端和第十九电阻r19之间，所述第十八电阻r18的一端接入基准电压源1.65vref；所述第二比较器u3b的第5端接于第二十二电阻r22和第二十三电阻r23之间，第7端接入第四信号sign4，串接的第七电容c7、第二十一电阻r21并联在第六电容c6上，并且一端经第二十电阻r20接入基准电压源 1.65vref，所述第二十三电阻r23接入基准电压源1.65vref。
11.上述方案中，所述超声波放大电路包括第四比较器u4、第十一电容c11、第二十四电阻r24、第二十五电阻r25、第二十六电阻r26，所述第四比较器u4 的输出端接第五信号sign5，反相输入端依次通过第十一电容c11、第二十四电阻r24接入第四信号sign4，同向输入端经过第二十五电阻r25接入基准电压源1.65vref，所述第二十六电阻r26的两端分别接在第四比较器u4的输出端和反向输入端，所述第四比较器u4还接入电源vcc和接地。
12.上述方案中，该装置还包括辅助电源、电压基准模块，所述辅助电源、电压基准模块分别与单片机控制电路连接。
13.本发明实施例还提供一种如上述方案中任意一项所述的应用于油田分注井的非接触式流量测量装置的非接触式流量测量方法，该方法为：通过两个形成夹角θ的两个超声换能器控制单元相向交替发送、接收超声波波束，分别确定所述超声波波束在液体顺流和逆流的传播时间，根据超声波波束在流体顺流和逆流的传播时间的时间差确定流体的流速和流量。
14.上述方案中，所述通过两个形成夹角θ的两个超声换能器控制单元相向交替发送、接收超声波波束，分别确定所述超声波波束在液体顺流和逆流的传播时间，具体为：当超声波脉冲沿流体流动方向传播顺流传播时，超声波沿传播轨迹的传输速度为c vcosθ，其中，c为在静止气体中超声波的传播速度，v为超声波传输路径方向的流速，则超声波在顺流方向的传播时间为：其中，θ为两个超声换能器相对于管道轴线的安装角度、d为管径、l为两个超声换能器之间的距离；
15.当超声波沿逆流方向传播时，其传播速度为c
‑
vcosθ，相应的超声波逆流传播时间
为：
16.上述方案中，所述根据超声波波束在流体顺流和逆流的传播时间的时间差确定流体的流速和流量，具体为：顺逆流时间差为：δt＝t
ba
‑
t
ab
，平均流速根据所述平均流速v和流速修正系数k确定流场沿横截面法线方向的平均流速v
a
，还根据所述流场沿横截面法线方向的平均流速v
a
和管径确定瞬时流量q
v
，q
v
＝av
a
，a为管道的横截面积。
17.与现有技术相比，本发明采用非接触方式测量，不受介质压力的影响，因此流体的粘度和密度等参数对其影响有限；耐高温性强，适用于各种流体，尤其是一些混合了易腐蚀、酸碱度高的物质的流体；精确度和灵敏度高，测量范围宽，测量稳定性和重复性好，应用范围广；根据时差计算出流速，该测量方法具有稳定性好、零点漂移小、测量精度高，快速测试、不卡仪器、量程比宽、抗干扰性强、安装方便的特点。
附图说明
18.此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
19.图1是本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置的电气框图；
20.图2是本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置中超声波驱动电路原理图；
21.图3是本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置中超声波增益可调电路图；
22.图4是本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置中超声波滤波电路原理图；
23.图5是本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置中超声波放大电路原理图；
24.图6是本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量方法的流程图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述
中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
27.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
28.本发明实施例提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置，如图 1、2所示，该装置包括超声换能器控制单元、时差测量芯片电路、单片机控制电路，所述超声换能器控制单元设置两个并且分别井下管壁的上下游两侧，两个超声换能器控制单元之间形成夹角θ，两个所述超声换能器控制单元的接收端、发送端分别与时差测量芯片电路连接，所述时差测量芯片电路与单片机控制电路连接。
29.以时差测量芯片电路为核心来组成，所述时差测量芯片电路能够按要求产生高脉冲，能够接收超声波信号并计算时差，还能对温度进行测量，具有两路发射通道和两路接收通道，分别用于处理顺流和逆流发送的超声波信号，本系统的两路发射通道产生约1mhz的超声脉冲，通过接收通道接收超声波信号，计算出每一次收发之间的时差(即超声波的传播时间)。
30.每个所述超声换能器控制单元包括超声换能器、超声波发送增益可调驱动电路、超声波接收滤波电路、超声波放大电路，所述超声换能器设置在井下管壁，所述超声换能器的接收端与超声波发送增益可调驱动电路的发送端连接，所述超声波发送增益可调驱动电路的接收端与时差测量芯片电路的发送端连接，所述超声换能器的发送端通过超声波接收滤波电路、超声波放大电路与时差测量芯片电路的接收端连接；所述超声波发送增益可调驱动电路包括超声波驱动电路和超声波增益电路。
31.如图2所示，所述超声波驱动电路包括第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第一电阻r1至第十电阻r10、第一电感线圈l1，所述第一三极管q1的第1端接地，第2端经并联的第五电阻r5和第二电容c2接入第一信号sign1，第3端经第三电阻r3与第二三极管q2的第1端连接，所述第一三极管q1的第1、2端之间并联第八电阻 r8；所述第二三极管q2的第1端还经过第一电阻r1、第四电阻r4接入第二信号sign2，第2端一路接地，另一路经第一电容c1、第七电阻r7接于第三三极管q3的第2端，第3端经第二电阻r2接于第一电阻r1和第四电阻r4之间并且接入电源vcc；所述第三三极管q3的第1端经第九电阻r9、第六电阻r6接于第二信号sign2，第3端接于第四电阻r4和第二信号sign2之间，所述第三三极管q3的第1、3端之间依次并联第三电容c3、第一电感线圈l1。
32.所述第一信号sign1为时差测量芯片电路发出的幅值为3v左右，频率为 1mhz的方波信号。
33.所述第三信号sign3另一个探头的接收信号。
34.所述超声波驱动电路是将3.3v驱动信号经电阻分压后驱动第一三极管q1、第二三
极管q2、第三三极管q3的通断，第三电容c3、第一电感线圈l1组成选频网络，最终目的是通过谐振将方波信号转换为正弦波信号以驱动超声换能器。
35.如图3所示，所述超声波增益电路包括模拟开关u1、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、运算放大器u2、第四电容c4，所述模拟开关u1的第4、13端分别接入电源
‑
vcc及vcc，第3端一路与运算放大器u2的输出端连接，另一路依次通过第十四电阻r14 第十三电阻r13、第十二电阻r12、第十一电阻r11与第7端连接，第7端还与运算放大器u2的反相输入端，所述运算放大器u2的反相输入端另一路经过第四电容c4接入输入信号ui，所述运算放大器u2的同相输入端通过第十五电阻 r15接地。
36.所述输入信号ui为固定幅值，通过用户发不同的命令改变电阻值，从而改变输出电压uo，uo作用于图2中的vcc，从而提高第二信号sign2。
37.考虑到井下的环境，管壁时间长后会被各种油污沾染，超声信号穿透能力会减弱，因此该驱动电压应保持足够大，加入超声波增益电路，可以根据用户发送命令，改变输出的驱动电压，满足井下正常的测试要求。
38.vcc及
‑
vcc接在u1的管脚v
‑
及管脚v ，控制管脚in1,in2,in3,in4接在 u1的管脚in1，管脚in2，管脚in3，管脚in7，u1的管脚d1与管脚s2连接， u1的管脚d4与wr1连接，u1的管脚s1与wr2连接，u1的管脚gnd接地，管脚d2与管脚s3相连，管脚d3与管脚s4相连接，其中，第十一电阻r11一端与u1的管脚d4连接，一端与管脚d3连接，第十二电阻r12的一端与u1的管脚d3，另一端与管脚d2连接，第十三电阻r13的一端与管脚d2连接，一端与管脚d1连接，第十四电阻r14的一端与d1连接，另一端与管脚s1连接，滤波电容即第四电容c4一端与ui连接，另一端与运算放大器u2的反相输入端连接，第十五电阻r15一端与运算放大器u2的同相输入端连接，另一端接地，wr1与运算放大器u2的反相输入端连接，wr2与运算放大器u2的输出端连接，uo表示为运算放大器u2的输出端。
39.用户可以通过给in1,in2,in3,in4发送控制命令，使能不同的控制引脚， r11,r12,r13,r14,分别代表不同的电阻值，in1,in2,in3,in4分别控制 r11,r12,r13,r14的阻值，使得u1输出不同的电阻值，将不同的电阻值接到运算放大器u2的反向输入端及输出端，从而改变了运算放大器u2的电压输出，在经过升压电路，得到理想的驱动电压，用来驱动超声换能器。
40.如图4所示，所述超声波接收滤波电路用于对超声信号进行滤波，以消除电路中的它干扰信号，包括第一比较器u3a、第二比较器u3b、第五电容c5至第七电容c7、第十六电阻r16至第二十三电阻r23、第二电感线圈l2，所述第一比较器u3a的第1端经过第十九电阻r19、第六电容c6与第二比较器u3b的第6端连接，第2端经第十六电阻r16接于第三信号sign3，第3端接于第十七电阻r17和第十八电阻r18之间，所述第五电容c5和第二电感线圈l2并联并且一端接于第一比较器u3a的第2端和第十六电阻r16之间，另一端接入基准电压源1.65vref，所述第十七电阻r17的第一端接于第一比较器u3a的第1 端和第十九电阻r19之间，所述第十八电阻r18的一端接入基准电压源 1.65vref；所述第二比较器u3b的第5端接于第二十二电阻r22和第二十三电阻r23之间，第7端接入第四信号sign4，串接的第七电容c7、第二十一电阻 r21并联在第六电容c6上，并且一端经第二十电阻r20接入基准电压源1.65vref，所述第二十三电阻r23接入基准电压源1.65vref。
41.所述超声波接收滤波电路采用中心频率约1mhz、带宽400khz的有源带通滤波组
成，滤波电路共两级组成，前一级主要是由l2、c5组成的选频网络，后一级则是典型的有源带通滤波电路，电路需要提供1.65v的电压基准。
42.所述第三信号sign3来自超声换能器，通过超声波接收滤波电路滤波后产生第四信号sign4。
43.如图5所示，所述超声波放大电路包括第四比较器u4、第十一电容c11、第二十四电阻r24、第二十五电阻r25、第二十六电阻r26，所述第四比较器u4 的输出端接第五信号sign5，反相输入端依次通过第十一电容c11、第二十四电阻r24接入第四信号sign4，同向输入端经过第二十五电阻r25接入基准电压源1.65vref，所述第二十六电阻r26的两端分别接在第四比较器u4的输出端和反向输入端，所述第四比较器u4还接入电源vcc和接地。
44.经图4，图5.sign3信号该经过滤波放大后，产生第五信号sign5，sign5 最后回到时差测量芯片电路，进行一次完整时差的计算。
45.滤波结束后再经过超声波接收放大电路对信号进行适当放大，放大电路为典型的反相放大电路，其中r26,r24控制放大电路的放大倍数，该电路的放大倍数约为3倍左右，放大电路也需要提供1.65v的电压基准，为保证电源电压和1.65v参考电压稳定，在滤波及放大电路增加了多处电源抗干扰措施，最终将滤波放大后的信号推送到时差测量芯片电路进行处理。
46.由于超声波驱动电路信号幅值较大，为了避免大信号对后续电路的冲击，同时降低能量消耗，超声波换能器不直接接到接收放大和滤波电路，而是通过模拟开关来控制什么时候让信号通过。模拟开关的控制信号由单片机产生，在每一次切换超声收发通道之前提前进行模拟开关的切换，保证信号流在正确的通道里。
47.单片机控制时差测量芯片电路在两路发射和接收通道之间进行切换，获取顺逆流超声波的传播时间，计算顺逆流超声波传播时间差、流速和流量。
48.进一步地，该装置还包括辅助电源、电压基准模块，所述辅助电源、电压基准模块分别与单片机控制电路连接。
49.本发明实施例还提供一种应用于油田分注井的非接触式流量测量装置的非接触式流量测量方法，该方法通过以下步骤实现：
50.步骤1：通过两个形成夹角θ的两个超声换能器控制单元相向交替发送、接收超声波波束，分别确定所述超声波波束在液体顺流和逆流的传播时间；
51.具体地，所述通过两个形成夹角θ的两个超声换能器控制单元相向交替发送、接收超声波波束，分别确定所述超声波波束在液体顺流和逆流的传播时间，具体为：当超声波脉冲沿流体流动方向传播顺流传播时，超声波沿传播轨迹的传输速度为c vcosθ，其中，c为在静止气体中超声波的传播速度，v为超声波传输路径方向的流速，则超声波在顺流方向的传播时间为：其中，θ为两个超声换能器相对于管道轴线的安装角度、d为管径、l为两个超声换能器之间的距离；
52.当超声波沿逆流方向传播时，其传播速度为c
‑
vcosθ，相应的超声波逆流传播时间为：
53.考虑到超声波的传播速度随温度、压力和介质的影响而变化，为消除影响，将超声波速度c予以剔除，重新推导如下：
[0054][0055][0056]
步骤2：根据超声波波束在流体顺流和逆流的传播时间的时间差确定流体的流速和流量。
[0057]
具体地，顺逆流时间差为：δt＝t
ba
‑
t
ab
，平均流速根据所述平均流速v和流速修正系数k确定流场沿横截面法线方向的平均流速v
a
，还根据所述流场沿横截面法线方向的平均流速v
a
和管径确定瞬时流量q
v
，q
v
＝av
a
，a为管道的横截面积。
[0058]
对于圆柱形管道，a＝r
×
πd2，r为管道的半径。
[0059]
本发明超声换能器采用z法安装时流量的计算公式，实际在测试应用中多采用v法安装以提高时差传播时间，v法安装相当于经历了两次z法安装的传播过程，其时差变成了v法安装的2倍。
[0060]
为了减少随机误差的干扰，本发明加入滤波算法，通过对上下游的时差进行采样，设置两个阈值，0.220及
‑
0.820，当上下游的时差大于0.220，认为超出量程需重新测量，当上下游时差小于
‑
0.820，认为向后数错了一个周期，必须重新测量；采用滤波算法，采样总数为44个，每次测量都需要判断采样次数是否达到要求，接下来将采样的44个时差通过冒泡排序算法进行排序，将较大的8个时差，以及较小的8个时差舍去，将剩下的28个时差进行求和取平均得到一次时差，再将每次求得的时差数据进行一次软件滤波，得到最终的时差，同时算法在中间44/2的位置取得此次采样中上游时间以及下游时间，将数值保留用作对下一步流速的计算。
[0061]
采用了滤波算法进行最优估值，通过采用多次采样、迭代计算更新估计结构，从而消除了超声波传感器数据不稳定带来的误差。
[0062]
为了解决超声波在井下测量抗干扰能力弱、精度不高等问题，提出了一种基于新型相关法的时差式超声波流量计设计方案，以计时芯片为基础，在传统的相关法基础上，改进的新型相关算法用于流量测量，提高超声波流量计的精度和稳定性。
[0063]
通过互相关函数对不同时刻的信号进行计算，从而得到相位差，假设没有流量时，以超声波探头a端接收到第一组信号x(t)作为原始信号，在液体流动的状态下接收的信号为y(t)，信号x(t)和y(t)是两个只有在时间上又延迟的波形相近的信号，它们的互相关函数rxy(τ)可表示为：
[0064][0065]
将在静态下x(t)和液体流动下的y(t)进行相关运算，接收信号最大的相关值，可以作为信号波的时差τ，因此τ与时间t相加就是超声波信号的顺逆流时间。为了加快相关函数的计算速度，对相关算法进行改进，使用一种新型相关算法：极性相关算法，将x(t)和y(t)进行量化，得到一种新的符号函数 shg[x(t)]与shg[y(t)]，其中定义：
[0066][0067][0068]
根据新定义的函数，得到极性相关函数：
[0069][0070]
对于信号x(t)和y(t)，在极性化后仍可以保持信号的平稳性跟遍历性，可以根据极性相关函数r
shgxshgy
(τ)进行逆运算，确定出x(t)和y(t)的时延差值τ，信号x(t)与y(t)经过极化后，只能取两个值，
‑
1和1，所以，在后续的计算中，硬件系统只需要进行一次数据的符号判断，从而大大提高了运算速度，提高了系统的稳定性。
[0071]
由于设备存在某些噪声干扰，使得时差测量结果不太稳定，为了消除干扰，可以用软件滤波算法进行计算。当流体在管柱中处于稳定流动状态时，管柱内的流量可以近似认为不变，可建立离散时间系统模型：
[0072]
x(k 1)＝x(k) w(k)
[0073]
y(k 1)＝hx(k) v(k 1)
[0074]
其中，x(k)为系统的状态向量，它受时差，探头安装距离，管道内径的影响，y(k)为系统的观测向量，w为系统的动态噪声，v为观测噪声，h为观测矩阵。
[0075]
系统动态在噪声w和观测噪声v均为互不相关的零均值白噪声，方差为：
[0076]
q＝cov(w(t))
[0077]
r＝cov(v(t))
[0078]
对于该系统可以设计出如下的滤波：
[0079]
估计部分：
[0080][0081][0082]
更新部分：
[0083][0084]
将动态的随机变化看作成随机干扰，可以将时差信号突变看成系统的随机干扰，时差信号在发生改变后又变回之前的状态，这就需要滤波器能够快速在消噪和突变响应间进行及时切换，基于此，可以对滤波进行相应的改进，改进的滤波按照以下准则来切换系统噪声协方差阵：
[0085][0086]
式中，w1为滤波噪声协方差阵，w2为信号突变相应协方差阵，a为加权因子，经试验测试：a取值为0.5
‑
2之间。
[0087]
在滤波过程中，当切换函数小于判断阈值时，噪声协方差阵取值为w1，滤波器对时差信号进行消噪，噪声协方差阵取w2，滤波器对突变时差信号进行跟踪。
[0088]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。