CN107328447A - 井口气液两相流量计量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井口气液两相流量计量方法及装置。所述装置主要包括：集双向收发功能于一体的超声波换能器装置、滤波放大器、阈值比较电路、液位传感器和温度传感器；所述方法采用新型的互相关算法，可以计算超声波换能器上下游时间差，用于对原测量时间差进行检测和补偿；对采集到的超声波包络信号采用基于离散傅里叶变换的相关算法计算相关值，找到最大相关点，计算出时间差，并对定时器时间补偿，得出最后的时间差，再根据传感器测量的液位、温度以及管道参数，即可计算出井口气液两相流中气相和液相分别的流量。本发明方法安全无害，不会对流体造成扰乱，性能好，成本低，能有效提高井口采集计量精度，且可靠性高，稳定性强。

Description

井口气液两相流量计量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种流量计量方法及装置，尤其涉及一种井口气液两相流量计量方法及装置。

背景技术

目前，井口原油采集技术发展较为迅速，各种新型、自动化、智能化的采油设备层出不穷，但在井口原油计量方面，却面临着误差大，计量不准确，计量不及时，人为因素多，维修周期短等因素困扰，传统计量方式中，硬件方法如传统计量间分离器量油、不分离式多相流量计受人为因素影响较大，且对流体造成扰乱、不稳定；软件方法如电泵井软件量油，压差法量油等，采油过程中又伴随着间断性，采集到的是气液两相混合液体，无法对气量进行计量；两者误差能达到10％——20％甚至更多。因此，井口原油计量的准确性、实时性需要得到进一步解决与提升。

随着超声波技术的不断推广与应用，超声波设备的不断出新，超声波技术正逐渐取代传统方法。超声波技术因其方向性好，穿透力强的特点，广泛应用于各种领域，在速度测量方面尤其突出，相比较传统技术，有着精度高，重复性好的优点，在提高计量精度与实时性方面起着重要作用，因此，在井口原油计量中，一种基于超声波的，新型、误差小、准确度高的井口气液两相流量计量方法及装置非常重要。

发明内容

为了克服上述方法中的不足，本发明提出了一种基于超声波的井口气液两相流量计量方法及装置，这种方法及装置的准确度和可靠性较高。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明是将2套或者更多若干套超声波换能器安装在气液两相流的管道壁上，所使用的超声波换能器是以压电陶瓷为基础的，集成在具有双向收发功能一体的超声波收发装置；这2套换能器装置用于测量流体流量；一个带有液位传感器的液位高度测量模块和一个带有温度传感器的温度测量模块装在气液两相流管道中；超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲，同时启动定时器，超声波脉冲直线传播给接收端；直线传播接收到的超声波包络信号，经过阈值比较电路，形成方波信号传送给单片机中断信号，停止计时器，得出超声波飞行时间；同时单片机采集超声波包络信号，经过AD转换，形成包络信号数据流；对包络信号数据流进行互相关运算，计算相关值；取相关性最大的段作为超声波传输信号，得出时间值；读取液位传感器和温度传感器的值，选取相对应的超声波传播速度，即可计算出井口采集气液两相中气体和液体的流量。

所述用于测量井口气液两相流流量的测量方法，气体和液体流量分开测量；其中气体流量测量的超声波换能器安装在靠近管道顶部的位置，换能器所连直线与流体流向有一定夹角，优选45度夹角，换能器激发频率一般选择500KHz以下；液体流量测量的超声波换能器安装在靠近管道底部的位置，换能器所连直线与流体流向有一定夹角，优选45度夹角，换能器激发频率一般选择1MHz以上为佳。

所述2套超声波换能器同一端同时向气液两相流发射声波脉冲并开始计时，分别在气、液两相流体中传播，另一端超声波换能器接收到超声波包络信号后产生中断，停止计时，从而计算出一次的超声波在流体中的传播时间。

所述气液两相流测量，仅通过定时器计算精度不够，且可能会出现错误计时，且所需超声波脉冲频率较高，精度要求高，因此需要补偿与校准算法；对接受到的包络信号进行处理得到包络信号数据流；对包络信号数据流进行互相关算法运算，上、下游包络信号数据流的相关值；当相关值达到最大，则相关程度最高，取此时的包络信号数据流为流体的包络信号，取此时的时间值为传播时间差；将定时器时间与相关算法时间比较，进行补偿与校准，得到最终的时间差值。

所述2套或更多若干套超声波换能器装置包括收发一体压电陶瓷超声波换能器、脉冲发射及接收器、滤波放大器、共用的单片机、LCD显示屏；每套中的1对超声波换能器依次经脉冲发射及接收器、滤波放大器连接到单片机和LCD显示屏。

所述包络信号阈值比较电路包括运算放大器OP、滑动变阻器R，运算放大器OP的正极输入端接超声波包络信号，负极输入端接滑动变阻器滑动端，滑动变阻器R的两固定端分别接单片机工作电压Vcc和地Vss，运算放大器OP输出端接单片机定时器中断管脚，滑动变阻器R的取值范围应满足：

R＞V_cc/U_in(1)

其中，Uin为包络信号峰值电压一半的电压值。

所述相关运算是基于快速傅里叶变换变换而来，主要是通过计算不同时刻的信号，得出相位差，求出时间值，具体的相关算法采用如下形式：

其中，R_xy(τ)为相关函数值，该值越大，相关性越强；τ为采样间隔，x(t)和y(t)分别为超声波换能器上下游接收到的超声波脉冲信号。

本发明的收益效果是：

本发明方法对通道和承载装置的材质无特殊要求，对流体的介电常数、导电性、粘性系数无特殊要求。

本发明方法是一种非接触式测量方法，测量过程中对通道中流体分布不会产生干扰。

本发明方法具有实时性，能够在采集过程中进行实时测量，实用性强。

本发明方法安全无害，性能好，可靠性强，成本低，能够广泛应用于工业领域在工业领域。

本发明方法相比较传统测量方法，精度提高，并且增加了补偿算法，提高测量的稳定性和准确性。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供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说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明超声波收发装置结构框图。

图2是本发明超声波换能器与管道示意图。

图3是本发明管道截面示意图。

图4是本发明阈值检测电路。

图5是本发明阈值检测原理图。

图6是本发明包络信号及相关算法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，用实施例来进一步说明本发明。但这个实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这个实施例的限制。

本发明方法是将2套或2套以上集收发功能一体的超声波换能器装置安装在气液两相流的管道壁上；超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲，这两套换能器用于测量井口气液两相流中气体、液体的流速，发射的超声波脉冲方向与流体方向存在一夹角，一般以45度为佳；这两套超声波换能器装置在发射超声波脉冲的同时启动定时器，并在接收端接收到脉冲的同时停止计时，由此得到一次时间t₁；得到时间是t₁之后，开始第二次测量，第一次的发射端与接收端转换，逆向再次发射超声波脉冲，并在发射的同时启动定时器，接收端接收到包络信号的同时停止计时，得到时间值t₂；之后将t₁、t₂相减得到时间差Δt，并根据管道的截面积，超声波速度可以分别计算出气、液的流速与流量信息；在计算时间值t₁、t₂的同时，接收端将接受到的包络信号进行采集，并经过AD转换，形成包络信号数据流存储在单片机中；

对包络信号数据流采用互相关算法计算得到相关值；在不同的采样间隔下对应的相关值，最大的相关值即信号可信度最高，取此时的时间差值Δt‘，与之前的时间差作比较，进行补偿，最终得出井口气体、液体流速和流量值。

超声波收发装置结构框图如图1所示，超声波收发装置包括压电陶瓷超声波换能器、脉冲发射及接收器、滤波放大器、共用的单片机、LCD显示屏，超声波换能器依次经脉冲发射及接收器、滤波放大器连接到单片机和LCD显示屏。

超声波换能器与管道示意图如图2所示，气体测量超声波换能器1、液体测量超声波换能器2、液位传感器3、整流装置4、管道5、热电偶温度传感器6组成超声波换能器与管道示意图。超声波换能器1、2均集发射与接收功能于一体，气体测量超声波换能器1频率为500kHz以下，发射前经过滤波放大器进行放大，液体测量超声波换能器2频率为1MHz以上。气液两相流经过整流装置4进入管道5中，此时液体稳定且分层明显；超声波换能器1、2同时向气液两相流中发射超声波脉冲，直接由接收器接收；同时液位传感器3、热电偶温度传感器6测量的气液两相液面高度和温度值，传给单片机用于后面计算。

管道截面示意图如图3所示，通过图2、图3均可看出，气体测量超声波换能器1安装在管道5的顶端侧面位置，与流体流向呈一定夹角，优选45度；液体测量超声波换能器2安装在管道5的底端侧面位置，与流体流向呈一定夹角，优选45度。管道高度为H，通过液位传感器可以测量出液位高度x，同时也可以得到气体高度h。

阈值检测电路如图4所示，包括：运算放大器OP、滑动变阻器R，电阻R1、R2分别为滑动变阻器R的上下阻值，范围从0到R，且满足关系式R1+R2＝R，运算放大器OP的正极输入端接超声波包络信号，负极输入端接滑动变阻器滑动端，滑动变阻器R的两固定端分别接最大比较电压Vcc和地Vss，运算放大器OP输出端接单片机定时器中断管脚，滑动变阻器R的取值范围应满足：

R＞V_cc/U_in(3)

其中，Uin为包络信号对应的电压值。

Vin为超声波包络信号输入，传给运算放大器OP正极(+)端，负极(-)端接入的是阈值电压，经过阈值比较之后通过Vout输出高/低电平。

本发明阈值检测原理图如图5所示，坐标轴x轴表示包络信号输入电压Vin，y轴表示运算放大器OP输出电压Vout；结合图4，U_CMP为比较电压值，取决于滑动变阻器R的R1值大小，并满足以下关系式：

当Vin小于U_CMP，Vout输出低电平，即等于或略小于0的负电压值U_D，当Vin大于U_CMP，Vout输出高电平，即等于或略小于运放工作电压的电压值U_Z；根据接收到的超声波包络信号幅值以及所需的阈值，调整滑动变阻器R，即可得到所需要的阈值电压。

超声波包络信号及互相关算法原理示意图如图6所示，其中y轴表示AD采样值，为了采样方便故将原来的电压值乘以1200进行放大，使采集的数值便于区分；x轴为采样点数，表示采样过程中采集的点数。图6A显示为气液两相流上游发射时采集到的包络信号数据流对应的包络信号图，信号从时刻t₁开始产生；图6B显示为气液两相流下游发射时所采集到的包络信号数据流对应的包络信号图，包络信号从t′时开始产生，因此产生的时间差为Δt′＝t₂′-t₁′。

互相关算法，首先在上游发射，存储上游动态包络信号波形；从发射超声波脉冲开始存储，时间t₁’之后接产生超声波包络信号，采集，进行AD转换成包络信号数据流存储在单片机中，采样频率可根据需要进行改变；之后在下游发射，由于超声波脉冲传播速度受到流体流速的影响，所以上下游的超声波包络信号会有时间延迟，采集到的信号在时间t2’之后产生包络信号，转换与上游采集相同；实际采集过程中，从发射超声波脉冲开始采集并进行AD转换成数据流；对采集到的数据流y()与原始数据流x()进行如下互相关运算：

为了便于计算，采集过程中都以采样点的形式存储，因此将该公式离散化，变换为离散傅里叶变换，计算更快：

j＝1，2...，m且m＜N (6)

其中，R_xy为相关函数值，该值越大，相关性越强；N为采样点数，x()是预存包络信号数据流，y()是AD转换得到的包络信号数据流，Δ为抽样时间间隔，Δt为时间差。

采样点N，一般选择18的倍数，优选72各采样点，数字越大，运算量越大；从0时刻开始计算，运行时间可根据采样点数和采样频率计算得出；计算出一个相关值R_xy之后，存储相关值，并将计算的72个采样点进行右移18个点，对新的72个采样点进行相关运算得出相关值，直到采样点中包含AD采样值峰值时，比较所有的相关值，最大的相关值即为与上下游包络信号相似度最高的波形，计算得出此时两个包络信号的采样时间t₁’和t₂’，即可计算出超声波脉冲传播时间差Δt’。

系统在采样频率为f的情况下，互相关函数在点N处取得最大值，则通道的时间差Δt为

得出时间值t₁、t₂和Δt之后，即可计算出井口气液两相流中气体、液体的瞬时流速和瞬时流量：

式(8)中，v为瞬时流速，L为换能器间距，α为换能器与流体流向锐角夹角，式(9)中，Q为瞬时流量，d为管道内液体或气体高度，H为管道宽度，K为流体流速修正系数。

本发明的实施例及其具体工作过程如下：

将井口气液两相流量计量装置安装在井口原油采集管道中，原油中的主要成分是原油液体和甲烷烃气体，由于密度相差大，经过一段流动进入计量装置，首先通过整流装置形成明显分层；在这种气液两相流体的环境中，2对超声波换能器发射出不同频率、不同幅值的超声波脉冲，并在接收端接收，计算出超声波脉冲飞行时间的同时，对采集到的包络信号进行相关处理，并计算出延时时间，同时将两个时间进行比较，若两个时间值相差误差在允许范围内，一般为5％，则认为时间值可靠，并取平均值作为最后的时间值，存储后开始逆向发射，方法相同；若误差超过5％，则认为不可靠，将此次时间测量作为错误测量，立刻放弃此次测量并重新开始下一次测量；测量得到时间差后，根据液位传感器和温度传感器测得的温度值，得到相应参数传到单片机即可分别计算出原油液体和甲烷气体的流量；整个测量频率一般为2Hz即可。

时间测量分为两部分，第一部分是通过启动、停止单片机内的定时器，第二部分是通过互相关算法计算出时间值，第二部分是对第一部分时间值的可靠性检验以及补偿；对于第二部分接收到的包络信号，采集点数越多效果越明显，由于单片机工作频率有限，故一般根据单片机的最大频率选择采样频率，一般一个周期采72个点即可描绘波形。对于采样点进行计算，得到最大相关值并取出此时的时间值，即为第二部分时间值。同时，单片机可将采样数据传送到计算机，通过matlab软件绘制采样信号曲线图，观察是否与超声波包络信号图吻合，并观察波形可靠性。

具体实施中，单片机芯片可选用美国德州仪器生产的单片机，其型号为MSP430系列低功耗多功能单片机；温度传感器可选择常用型号，如型号为DS18B20即可；液位传感器可选择静压式液位传感器，如德国Standex-Meder的液位传感器，型号为LS05；超声波换能器可选择高功率工业级别的超声波换能器，工作电压5V——15V均可，谐振频率200KHz至2MHz，直径可根据使用场景自定。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种井口气液两相流量计量方法及装置，其特征是：将2套或者更多若干套具有双向收发功能于一体的超声波换换能器收发装置安装在气液两相流管道壁两侧；超声波换能器分别向气液两相流中发射超声波脉冲，经过两相流由接收端接收，通过计时器计算时间同时采集包络信号；上游测量完成后反向再一次测量，即下游发射，上游端计算时间且收集包络信号；通过AD采集收集的超声波包络信号经过转换成包络信号数据流，对上、下游不同的超声波信号数据流进行数据处理，通过基于傅里叶变换离散形式变换的互相关算法，计算上、下游时间差，与通过计时器比较的时间差进行验证与补偿，得出可靠的时间差值；通过液位传感器与温度传感器的测量值，单片机通过查询的方式给出相应的超声波速度值，最后计算出气液两相流中气相、液相的瞬时流量。

2.根据权利要求1所述的一种井口气液两相流量计量方法及装置，其特征在于，所述2套或更多若干套超声波换能器，均具有双向收发功能；用于测量气相的超声波换能器需要连接滤波放大器，安装在气液两相流管道壁两侧上边缘处，与管内流体流向存在一定夹角，超声波脉冲频率优先选择在200kHz以上，500kHz以下，但不局限于此频率；用于测量液相的超声波换能器安装在气液两相流管道壁两侧下边缘处，与管内流体流向存在一定夹角，超声波脉冲频率优先选择在1MHz以上，2MHz以下，但不局限于此频率。

3.根据权利要求1所述的一种井口气液两相流量计量方法及装置，其特征在于，所述气液两相管道在使用过程中，管道水平安装，且流入管道内的流体较为稳定，气液两相流管道入口处安装有整流装置，用于对井口采集的流体进行整流，能够达到气体和液体明显分层的效果；在管道后半部，即超声波换能器后面，管道中间分别装有液位传感器和温度传感器，用于实时测量液面高度和管道内温度。

4.根据权利要求1所述的一种井口气液两相流量计量方法及装置，其特征在于，所述定时测量时间差，当超声波脉冲发射的瞬间，触发单片机内两个定时器，开始计时；当2对换能器接收端接收到超声波包络信号时，后面连接的阈值比较电路，通过预设的阈值比较后输出方波信号返回给单片机给定时器中断，并停止计时，单片机存储时间值后开始下一次定时器计时。

5.根据权利要求1所述的一种井口气液两相流量计量方法及装置，其特征在于，所述阈值比较电路包括运算放大器OP、滑动变阻器R，运算放大器OP的正极输入端接超声波包络信号，负极输入端接滑动变阻器滑动端，滑动变阻器R的两固定端分别接单片机工作电压Vcc和地Vss，运算放大器OP输出端接单片机定时器中断管脚，滑动变阻器R的取值范围应满足：

R＞V_cc/U_in

其中，Uin为包络信号峰值电压一半的电压值。

6.根据权利要求1所述的一种井口气液两相流量计量方法及装置，其特征在于，所述互相关算法测量时间差，由于上、下游超声波包包络信号在流体中传播存在一定时间差，通过采集上、下游超声波脉冲信号，将信号数据流带入基于离散傅里叶变换的互相关算法中进行匹配计算，当相关值达到最大时认为波形匹配度最高，根据两波形此时的采样点与采样频率，即可计算出时间差；互相关算法及时间差计算公式如下：

<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>*</mo> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，系统在采样频率为f的情况下，互相关函数在点N处取得最大值，R_xy为相关函数值，该值越大，相关性越强；N为采样点数，x()是预存包络信号数据流，y()是AD转换得到的包络信号数据流，Δ为抽样时间间隔，Δt为时间差。