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摘要：超声波多普勒原理测量多相流流体流量技术是一种有效的方法。本文对超声波多普勒流量测量的原理进行了推导，设计了一套用于超声波多普勒流量测量的软、硬件，建立了油田生产现场流体流量测量实验平台，并在此平台上通过控制其他条件不变，改变流体中水和油的比例多次试验得到：该流量测量原理的测量误差随着管道流速的增加逐渐减小。
关键词：超声波；多普勒；流量测量；油田生产
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）02-0258-03
Study on Ultrasonic Doppler Flow Measurement Technology
ZHANG Li-juan
（Xi’an Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian 710065）
Abstract：Ultrasonic Doppler principle is an effective method to measure multiphase fluid flow.In this paper， it deduced the principle of ultrasonic Doppler flow measurement， designed a set of software and hardware for ultrasonic Doppler flow measurement ， and set up a fluid flow measurement experiment platform .And in this platform by controlling other conditions remain unchanged， changing the proportion of water in the oil several tests to be ： The measurement error of the flow measurement principle decreases with the increase of the pipe flow rate .
Key words：Ultrasonic； Doppler； flow measurement； oil field production
1引言
隨着科学技术的迅速发展，油田不断被开发，流量测量技术也在不断地提高[1]。现如今，流量测量方法多种多样，主要有以下几类：涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、压差式流量计、容积式流量计、科里奥利质量流量计、浮子式流量计和超声波流量计[2]。在众多流量计中超声波流量计以其不与流体接触、不改变流体流动状态、传感器拆装方便等许多优点深受广大使用者青睐[3]。
油田开采过程中，其生产的流体不仅仅为单一介质，是含有其他流体的混合流体，在测量这类流体流量时最好的测量方式是使用超声波多普勒式流量计[4]。超声波多普勒法适用于大管径，大流量的流体流量测量，测量值与流体中声速无关，所以这种方法对流体的压力、温度、粘度、密度和导电率等因素的变化不敏感；由于当流体静止不流动时，不产生多普勒频移，所以没有零点漂移问题；超声波多普勒流量计的分辨率高，对流体的变化响应快；其测量条件不变时测量重复性好等[5]。
2 超声波多普勒流量测量原理
超声波多普勒流量测量原理是对物理学上著名的多普勒原理的应用。由于波源和观察者之间存在相对运动而出现的观测频率与波源频率不同的现象，称之为多普勒原理[6]。在超声波多普勒流量测量过程中，超声探头[T]发射一个频率为[fT]的超声波到管道中，管道中的杂质颗粒与此超声探头之间存在着相对运动，因此，此杂质颗粒接收到的超声波变为[f]，同理，此杂质颗粒作为声源将接收到的频率为[f]超声波发射出去，超声波探头[R]接收到[fR]的超声波。超声波多普勒流量测量技术原理图如图1所示。
其中[S]代表管道的横截面积，[D]代表管道的内径。因此若得到了管道内径；超声探头[T]发射的频率[fT]；超波声波进入流体中的方向角[θ]与多普勒频差[Δf]即可计算出流体的流量大小[7]。
3 实验方案设计
根据超声波多普勒流量测量原理，本文设计了一套多相流的测量流量装置，包括硬件电路设计和软件模块设计以及实验平台的搭建。
3.1硬件设计
硬件系统主控芯片选用的是美国德州仪器（TI）公司研发的TMS320F2812芯片，该芯片在C2000系列中性价比高、在工业上应用广泛[8]。该芯片包含128kB的Flash存储器、4kB的引导ROM、2kB的OTP ROM、电机控制外设、数学运算表、串口通信外设和12位16通道的高性能数模转换模块，还可以实现双通道信号同步采样功能，并且它32位的高运算精度以及150MIP的系统处理功能等功能模块使它尤其适用于超声波法测流体流量[9]。
该超声波多普勒流量测量系统除主控芯片模块外还包括波形生成电路、信号放大电路、探头驱动电路、信号接收电路、选频电路、低噪声放大电路、解调电路、C/V电路、存储、数据通信这几部分。本文设计的超声波多普勒流量测量技术的硬件设计框图如图2所示。
超声波多普勒流量测量系统以DSP为核心，该芯片内部自带一个具有12位分辨率、流水线结构的ADC模块，该模块分为2组，16个信号采集通道，方便信号的采集和处理。
DSP发出一个命令使波形生成电路产生一个正弦波用于信号发射，经过信号放大电路将此信号进行一定功率的放大，驱动电路驱动超声波探头发射一个超声波进入流体管道[10]。根据多普勒原理，在超声波传播过程中由于流体的相对运动，产生频率差。信号接收电路接收此信号，选频电路对此微弱的信号先进行选频放大，在经过低噪声放大电路对此微弱信号二次放大，提高有用信号的幅度。被二次放大的有用信号在进入解调电路，产生的差频信号就是用于计算管道内流体流速的多普勒信号。该多普勒信号为电流信号，经过C/V电路将其转换为电压信号，再经过TMS320F2812的A/D）进行模数转换，进而对数据流速、流量的计算以及存储和传输。 3.2 软件设计
硬件部分的设计决定了软件设计理念，软件设计使得硬件系统能够有效地工作。本文的软件设计主要是针对DSP芯片进行的，采用C语言完成软件的编写。本文软件部分的设计采用模块化和结构化的设计思想，方便整个程序及各个模块功能的调试。
根据超声波多普勒流量测量原理，流体的流量与超声波在流体中介质所感受到声波的频率和波源所发出的频率差成正比，只要取得超声波的频率差即可算出流速，流量也可以根据本文给出的超声波多普勒流量计量公式计算出来。此系统流量采集计算的软件设计流程图如图3所示。
首先对DSP进行初始化，包括系统时钟设置、外部引脚设置、中断设置等，以完成系统中的A/D转换、波形生成、串口通信以及显示等功能。当DSP发出一个波形生成命令给硬件电路，硬件电路反馈流体中流量的信息回来经过软件部分的处理、分析，即可计算出流体的流速。根据本文给出的流量、流速关系公式可得到流体的流量情况，并对数据进行传输、存储。
3.3实验平台搭建
利用超声波多普勒法测量管道内流体的流量，系统主要有传感器、测量电路、有流体流动的管道循环装置、上位机软件部分。先将测量系统在室内完成测试，为进一步完善测量系统以及最终形成成品提供技术支持[11]。
实验前，先将石油和水倒入油桶中搅拌，使其充分混合。开泵使整个系统正常运行，观察流量计的示数并记录，待系统流量稳定后用本文提供的流量测量装置开始测量流体的流量。改变油、水比例，多次试验并记录实验数据。室内超声波多普勒流量测量装置如图4所示。
其中1是油桶；里面装有石油、水，以模拟油井出油时的流体环境；2是动力机，为系统循环提供动力；3是流体管道，流体前进道路；4是超声波多普勒传感器，发射和接收超声信号；5是测量电路，发射正弦波、处理接收回来的信号；6是流量计，测量此装置内的流体流量。
4 实验结果分析
根据上述超声波多普勒流量测量装置图搭建实验平台，该流量测量系统在螺杆泵的转速为40Hz时开始数据测量，得到如下表所示实验数据。
表1所示数据是在含水率为38.5%含油率为61.5%时测得的，实验数据表明：管道内的流量很小时，流量的真实值为1.138m3/h，利用本文研究的超声波多普勒流量测量技术测得的流量值为1.190m3/h，其误差值较大，为4.56%；当流体的真实流量增大，真实值为8.031m3/h是时，利用本文所研究的流量测量技术测得的值为8.062m3/h，误差为0.38%。相比较而言，管道内流体流量越大，该超声波多普勒流量测量技术测得的值越为准确，误差越小。
单一油、水比例测得的结果不能直接说明结论，因此本文在含油水率61.7%含油率38.3%时再次实验得到与表1相同的结果：油、水比例一定，流体的流量越小，最小为1.032m3/h，误差越大，为4.32%；流体的流量越大，最大值为8.135m3/h，误差越小，误差为0.52%。
本文根据超声波多普勒流量测量原理通过对不同油、水比例下的流量大小的测量得到：随着管道流速的增加，超声波多普勒流量测量系统的测量误差减小。
鉴于试验环境和测量方法的局限性，本试验研究还将进行长期的更深入的现场试验测试。
参考文献：
[1] 罗守南.基于超声多普勒方法的管道流量测量研究[D].北京：清华大学，2004.
[2] 涂晓立，杨道业，陈静等.超声波多普勒流量计的设计[J].仪器仪表与传感器，2010（3）：41-43.
[3] 李定川.流量计未来发展方向及应用前景[J].智慧工厂，2016，2（1）：45-49.
[4] E.A.Addiego-Guevara，et al.Insurance Value of Intelligent Well Technology against Reservoir Uncertainty [A].SPE 113918，2008.
[5] 殷光.超声波流量測量技术研究[D].西安石油大学，2012.
[6] 张培芬，崔晓朵，徐玥，等.基于超声多普勒的井下多相流量测量控制系统[J].电子测试，2010（11）：6-9.
[7] Ho-Jeen Su，Ali H.Dogru. Modeling of Equalizer Priduction System and Smart_Well Applications in Full-Field Studies [A]. SPE 111288， 2009.
[8] 梁璐.超声波流量计的信号处理及实现技术研究[D].西安石油大学，2013.
[9] 高翠云，江朝晖，孙冰.基于TMS320F2812的DSP最小系统设计[M].电气电子教学学报，2009（01）：83-85.
[10] 杜泓霖.超声波流量计的研究[J].电子制作，2016（21）：18-19.
[11] 党瑞荣，刘阳，宋汐瑾.一种基于时差法的超声流量计的设计与试验研究[M].电脑知识与技术，2016（09）：107-109.
关键词：超声波；多普勒；流量测量；油田生产
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）02-0258-03
Study on Ultrasonic Doppler Flow Measurement Technology
ZHANG Li-juan
（Xi’an Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian 710065）
Abstract：Ultrasonic Doppler principle is an effective method to measure multiphase fluid flow.In this paper， it deduced the principle of ultrasonic Doppler flow measurement， designed a set of software and hardware for ultrasonic Doppler flow measurement ， and set up a fluid flow measurement experiment platform .And in this platform by controlling other conditions remain unchanged， changing the proportion of water in the oil several tests to be ： The measurement error of the flow measurement principle decreases with the increase of the pipe flow rate .
Key words：Ultrasonic； Doppler； flow measurement； oil field production
1引言
隨着科学技术的迅速发展，油田不断被开发，流量测量技术也在不断地提高[1]。现如今，流量测量方法多种多样，主要有以下几类：涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、压差式流量计、容积式流量计、科里奥利质量流量计、浮子式流量计和超声波流量计[2]。在众多流量计中超声波流量计以其不与流体接触、不改变流体流动状态、传感器拆装方便等许多优点深受广大使用者青睐[3]。
油田开采过程中，其生产的流体不仅仅为单一介质，是含有其他流体的混合流体，在测量这类流体流量时最好的测量方式是使用超声波多普勒式流量计[4]。超声波多普勒法适用于大管径，大流量的流体流量测量，测量值与流体中声速无关，所以这种方法对流体的压力、温度、粘度、密度和导电率等因素的变化不敏感；由于当流体静止不流动时，不产生多普勒频移，所以没有零点漂移问题；超声波多普勒流量计的分辨率高，对流体的变化响应快；其测量条件不变时测量重复性好等[5]。
2 超声波多普勒流量测量原理
超声波多普勒流量测量原理是对物理学上著名的多普勒原理的应用。由于波源和观察者之间存在相对运动而出现的观测频率与波源频率不同的现象，称之为多普勒原理[6]。在超声波多普勒流量测量过程中，超声探头[T]发射一个频率为[fT]的超声波到管道中，管道中的杂质颗粒与此超声探头之间存在着相对运动，因此，此杂质颗粒接收到的超声波变为[f]，同理，此杂质颗粒作为声源将接收到的频率为[f]超声波发射出去，超声波探头[R]接收到[fR]的超声波。超声波多普勒流量测量技术原理图如图1所示。
其中[S]代表管道的横截面积，[D]代表管道的内径。因此若得到了管道内径；超声探头[T]发射的频率[fT]；超波声波进入流体中的方向角[θ]与多普勒频差[Δf]即可计算出流体的流量大小[7]。
3 实验方案设计
根据超声波多普勒流量测量原理，本文设计了一套多相流的测量流量装置，包括硬件电路设计和软件模块设计以及实验平台的搭建。
3.1硬件设计
硬件系统主控芯片选用的是美国德州仪器（TI）公司研发的TMS320F2812芯片，该芯片在C2000系列中性价比高、在工业上应用广泛[8]。该芯片包含128kB的Flash存储器、4kB的引导ROM、2kB的OTP ROM、电机控制外设、数学运算表、串口通信外设和12位16通道的高性能数模转换模块，还可以实现双通道信号同步采样功能，并且它32位的高运算精度以及150MIP的系统处理功能等功能模块使它尤其适用于超声波法测流体流量[9]。
该超声波多普勒流量测量系统除主控芯片模块外还包括波形生成电路、信号放大电路、探头驱动电路、信号接收电路、选频电路、低噪声放大电路、解调电路、C/V电路、存储、数据通信这几部分。本文设计的超声波多普勒流量测量技术的硬件设计框图如图2所示。
超声波多普勒流量测量系统以DSP为核心，该芯片内部自带一个具有12位分辨率、流水线结构的ADC模块，该模块分为2组，16个信号采集通道，方便信号的采集和处理。
DSP发出一个命令使波形生成电路产生一个正弦波用于信号发射，经过信号放大电路将此信号进行一定功率的放大，驱动电路驱动超声波探头发射一个超声波进入流体管道[10]。根据多普勒原理，在超声波传播过程中由于流体的相对运动，产生频率差。信号接收电路接收此信号，选频电路对此微弱的信号先进行选频放大，在经过低噪声放大电路对此微弱信号二次放大，提高有用信号的幅度。被二次放大的有用信号在进入解调电路，产生的差频信号就是用于计算管道内流体流速的多普勒信号。该多普勒信号为电流信号，经过C/V电路将其转换为电压信号，再经过TMS320F2812的A/D）进行模数转换，进而对数据流速、流量的计算以及存储和传输。 3.2 软件设计
硬件部分的设计决定了软件设计理念，软件设计使得硬件系统能够有效地工作。本文的软件设计主要是针对DSP芯片进行的，采用C语言完成软件的编写。本文软件部分的设计采用模块化和结构化的设计思想，方便整个程序及各个模块功能的调试。
根据超声波多普勒流量测量原理，流体的流量与超声波在流体中介质所感受到声波的频率和波源所发出的频率差成正比，只要取得超声波的频率差即可算出流速，流量也可以根据本文给出的超声波多普勒流量计量公式计算出来。此系统流量采集计算的软件设计流程图如图3所示。
首先对DSP进行初始化，包括系统时钟设置、外部引脚设置、中断设置等，以完成系统中的A/D转换、波形生成、串口通信以及显示等功能。当DSP发出一个波形生成命令给硬件电路，硬件电路反馈流体中流量的信息回来经过软件部分的处理、分析，即可计算出流体的流速。根据本文给出的流量、流速关系公式可得到流体的流量情况，并对数据进行传输、存储。
3.3实验平台搭建
利用超声波多普勒法测量管道内流体的流量，系统主要有传感器、测量电路、有流体流动的管道循环装置、上位机软件部分。先将测量系统在室内完成测试，为进一步完善测量系统以及最终形成成品提供技术支持[11]。
实验前，先将石油和水倒入油桶中搅拌，使其充分混合。开泵使整个系统正常运行，观察流量计的示数并记录，待系统流量稳定后用本文提供的流量测量装置开始测量流体的流量。改变油、水比例，多次试验并记录实验数据。室内超声波多普勒流量测量装置如图4所示。
其中1是油桶；里面装有石油、水，以模拟油井出油时的流体环境；2是动力机，为系统循环提供动力；3是流体管道，流体前进道路；4是超声波多普勒传感器，发射和接收超声信号；5是测量电路，发射正弦波、处理接收回来的信号；6是流量计，测量此装置内的流体流量。
4 实验结果分析
根据上述超声波多普勒流量测量装置图搭建实验平台，该流量测量系统在螺杆泵的转速为40Hz时开始数据测量，得到如下表所示实验数据。
表1所示数据是在含水率为38.5%含油率为61.5%时测得的，实验数据表明：管道内的流量很小时，流量的真实值为1.138m3/h，利用本文研究的超声波多普勒流量测量技术测得的流量值为1.190m3/h，其误差值较大，为4.56%；当流体的真实流量增大，真实值为8.031m3/h是时，利用本文所研究的流量测量技术测得的值为8.062m3/h，误差为0.38%。相比较而言，管道内流体流量越大，该超声波多普勒流量测量技术测得的值越为准确，误差越小。
单一油、水比例测得的结果不能直接说明结论，因此本文在含油水率61.7%含油率38.3%时再次实验得到与表1相同的结果：油、水比例一定，流体的流量越小，最小为1.032m3/h，误差越大，为4.32%；流体的流量越大，最大值为8.135m3/h，误差越小，误差为0.52%。
本文根据超声波多普勒流量测量原理通过对不同油、水比例下的流量大小的测量得到：随着管道流速的增加，超声波多普勒流量测量系统的测量误差减小。
鉴于试验环境和测量方法的局限性，本试验研究还将进行长期的更深入的现场试验测试。
参考文献：
[1] 罗守南.基于超声多普勒方法的管道流量测量研究[D].北京：清华大学，2004.
[2] 涂晓立，杨道业，陈静等.超声波多普勒流量计的设计[J].仪器仪表与传感器，2010（3）：41-43.
[3] 李定川.流量计未来发展方向及应用前景[J].智慧工厂，2016，2（1）：45-49.
[4] E.A.Addiego-Guevara，et al.Insurance Value of Intelligent Well Technology against Reservoir Uncertainty [A].SPE 113918，2008.
[5] 殷光.超声波流量測量技术研究[D].西安石油大学，2012.
[6] 张培芬，崔晓朵，徐玥，等.基于超声多普勒的井下多相流量测量控制系统[J].电子测试，2010（11）：6-9.
[7] Ho-Jeen Su，Ali H.Dogru. Modeling of Equalizer Priduction System and Smart_Well Applications in Full-Field Studies [A]. SPE 111288， 2009.
[8] 梁璐.超声波流量计的信号处理及实现技术研究[D].西安石油大学，2013.
[9] 高翠云，江朝晖，孙冰.基于TMS320F2812的DSP最小系统设计[M].电气电子教学学报，2009（01）：83-85.
[10] 杜泓霖.超声波流量计的研究[J].电子制作，2016（21）：18-19.
[11] 党瑞荣，刘阳，宋汐瑾.一种基于时差法的超声流量计的设计与试验研究[M].电脑知识与技术，2016（09）：107-109.