CN202031567U

CN202031567U - 一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路

Info

Publication number: CN202031567U
Application number: CN201120001770XU
Authority: CN
Inventors: 何玉发; 蒋世全; 姜伟; 周建良; 付建红; 许亮斌; 赵辉
Original assignee: Southwest Petroleum University; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Center
Current assignee: Southwest Petroleum University; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Priority date: 2011-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-01-05

Abstract

本实用新型涉及一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，包括与超声波传感器相连的超声波收发模块、与收发模块通过接口电路相连并和上机位完成通讯的测控模块，其特征在于：超声波收发模块中包含有收发电路、通路开关和电源电路，收发电路内含微处理器，产生一个具有一定频率、一定脉冲宽度和一定输出功率的电脉冲驱动信号激励超声波传感器；测控模块中包含有依次按输入输出顺序连接的放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、数字信号处理器，数字信号处理器的输出端顺序连接数模转换电路、电压调整电路。电路为应用多普勒效应测量而设置，可实时测量出海底隔水管与钻柱环空的流量，以便及时判断井下溢流情况。

Description

一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路

技术领域

本实用新型与深水钻井中隔水管与钻杆之间环空瞬时流量的测量有关，特别是关于一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路。

背景技术

在海洋深水钻井过程中，海底隔水管的工作环境恶劣(深水、高压等)，因此对隔水管的力学性能要求很高，成本很大。隔水管内部设置有钻柱，隔水管与钻柱之间环空瞬时流量直接影响隔水管的寿命，因此需要通过测量隔水管与钻柱之间环空瞬时流量来评估和监测隔水管。

有利用靶式流量计来测量钻井液出口流量。测量原理是依靠出口钻井液的冲力使靶体位置发生变化，依靠传感器传递信号来测量流量的大小，变化反应比较灵敏，测量结果基本上能够反映钻井液出口流量的异常变化，但是，传感器在现场应用存在许多缺点：

1)安装条件要求严格，即传感器必须装在钻井液出口高架槽上，高架槽的直径和坡度需满足靶体在静止时能够垂直或接近垂直状态；

2)本体长时间使用会造成活动不灵活、测量范围缩小，即在长时间的录井过程中，钻井液会逐渐干结成泥饼，堆积在靶体活动轴附近，使其活动范围受到限制或者不灵活，导致其输出信号范围变小或者不能真实反映钻井液流量的变化；

3)现场环境对该传感器的影响较大，长时间使用会造成可变电阻容易损坏，易出现接触不良现象，并且可变电阻长期在潮湿环境下使用易产生阻值误差；

4)由于靶体的重量选择不合适，当受到钻井液冲击后，其上升和回落之间的落差较大，致使输出信号变化范围大，测量结果不够准确；

5)测量结果滞后，不利于提前发现井涌。

发明内容

因此，本实用新型的目的是为了克服传统出口流量测量装置的不足，提供一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，能够准确及时地对超声波传感器信号进行处理，及时判断井下井涌情况，提高深水钻井井控安全性。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，它包括与超声波传感器相连的超声波收发模块、与收发模块通过接口电路相连并和上机位完成通讯的测控模块，其特征在于：所述超声波收发模块中包含有收发电路、通路开关和电源电路，收发电路一端与超声波传感器相连，另一端与通路开关相连，内含微处理器，通路开关与接口电路相连，实现向测控模块的信号传输，所述微处理器产生一个具有一定频率、一定脉冲宽度和一定输出功率的电脉冲驱动信号激励超声波传感器；所述测控模块包括放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、数字信号处理器、数模转换电路、电压调整电路、FLASH连接电路、RESET电路、接口电路，FLASH连接电路、RESET电路、与上位机通信的接口电路，接口电路与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与自动增益控制电路的输入端连接，自动增益控制电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端通过电压转换电路与数字信号处理器的输入端连接，数字信号处理器的输出端与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端通过电压调整电路的输入端连接，电压调整电路的输出端与自动增益控制电路的输入端连接，FLASH连接电路、RESET电路、通信接口都与数字信号处理器连接；所述上位机完成对测量数据的显示、存储、分析。

与超声波收发模块的接口中有多路开关控制线、接收开关控制线、超声波信号发射驱动信号线以及接收信号传输线，与上位机通信采用RS232或RS485标准。

所述接口电路中芯片选为HEADER7x2，放大电路芯片选为NE5534，滤波电路芯片选为MAX275，自动增益控制电路芯片选为VCA80，模数转换器芯片选为TT16KK81、ADS802U，电压转换电路芯片选为SN74LVC245A或SN74LVC4245A，数字信号处理器芯片选为DSP，数模转换电路芯片选为DAC7512，电压调整电路芯片为LM258，RESET电路芯片选为CAT811S，FLASH连接电路芯片为S29AL016D，RS232接口电路的芯片选为SP232EEA。

所述超声波传感器接收信号输入到芯片NE5534的输入端2脚后通过输出端6脚和芯片MAX275的输入端8脚输入到芯片MAX275中，芯片VCA80的输入端8脚与芯片MAX275的输出端18脚连接，芯片TT16KK81的输入端6脚与芯片VCA80的输出端5脚连接，芯片ADS802U输入端16脚与芯片DSP79脚连接，芯片ADS802U的输入端3～6脚与ADS802U的10～13脚连接，芯片DAC7512的输入端5、6、7脚分别与芯片DSP的49、53、55脚连接，芯片SN74LVc245A或SN74LVC4245A的输入端5脚与芯片DAC7512的输出端4脚连接，芯片S29AL016D与芯片DSP连接，芯片CAT811S的2脚与芯片DSP的13脚连接，芯片SP232EEA的11、12脚分别与芯片DSP的81、82脚连接。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本实用新型采用多普勒效应超声波测量方式，实时测量出井下隔水管内环空瞬时流量，并通过测控器将井下实时的瞬时流量上传到地面，能够及时判断井下溢流情况，报警及时。本实用新型选择的测量电路，使用并行的高压脉冲发射机微处理器(uP)及控制电路通过译码总线选择不同的发射机，来对不同声路(通道)及不同声路(通道)中的方向(正向或逆向)进行操作。即每个通道的正、逆向有各自的发射机及相应的接收电路。由于发射机之间的切换没有使用继电器，因此发射机之间的切换时间很小(切换时间在微秒级)；这样可以用多脉冲技术，对各个声路进行多次测量，从而提高测量超声波传播时间的精度。

附图说明

图1是本实用新型电路系统的总体布局图；

图2是超声波收发模块的系统框图；

图3是测控模块的系统框图；

图4是放大电路实施例原理图；

图5是滤波电路实施例原理图；

图6是自动增益控制电路实施例原理图；

图7是模数转换模块实施例原理图；

图8是电压转换电路实施例原理图；

图9是数模转换电路实施例原理图；

图10是电压调整电路实施例原理图；

图11是RESET电路实施例原理图；

图12是RS232接口电路实施例原理图；

图13是FLASH连接电路实施例原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型的一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，主要是为完成多普勒效应超声波测量而设置的，它包括：与超声波传感器1直接相连的完成信号检测以及收发控制的超声波收发模块2、与收发模块通过接口电路3相连并和上机位5完成通讯的测控模块4。上位机5完成对测量数据的显示、存储、分析等任务。

如图2所示，超声波收发模块2中包含有收发电路21、通路开关22和电源电路23。收发电路21一端与超声波传感器1相连，另一端与通路开关22相连，内含微处理器。通路开关22与接口电路3相连，实现向测控模块4的信号传输。微处理器产生一个具有一定频率、一定脉冲宽度和一定输出功率的电脉冲去激励超声波传感器，再由传感器转为超声波向外发射。驱动信号是由微处理器产生的，微处理器产生一个与换能器压电振子谐振基频相等的方波信号，此信号经过电路的调制产生一个640kHz的正弦波信号，此信号激发传感器产生共振，发射出超声波信号。由微处理器产生的数字驱动信号需先经光耦隔离后方可进入后面的功率放大电路。

如果数字信号处理器发射的信号为640kHz的交替高低电平，在高频脉冲变压器的初级线圈将形成640kHz的交变电压。这样，640kHz交变电压经过高频变压器变压后将在高频脉冲变压器次级线圈产生交流信号用于驱动换能器。这里需要特别指出的是，由数字信号处理器发射出来的交替高低电平信号不能直接接入模拟电路中，需要先经过光耦隔离电路后方可接入模拟电路中。这样通过数字信号处理器控制晶体管推挽电路及场效应管电路，产生低压驱动信号，然后经过高频脉冲变压器变压到所需的电压从而得到所需交变信号，由于变压器具有隔离作用，将使保护电路的设计大大简化。

如图3所示，测控模块4包括含有芯片U1的放大电路41、含有芯片U₂的滤波电路42、含有芯片U₃的自动增益控制电路43、含有芯片U₄、U₅的模数转换器44、含有芯片U₆、U₇电压转换电路45、含有芯片DSP的数字信号处理器46、含有芯片U₈的数模转换电路47、含有芯片U₉的电压调整电路48、含有芯片U₁₃的FLASH连接电路、含有芯片U₁₀的RESET电路、含有芯片U₁₇的接口电路50、含芯片U₁₁的RS232接口电路，FLASH连接电路和RESET电路同属于相关外围电路49，接口电路50与上位机通信。

接口电路3与放大电路41的输入端连接，放大电路41的输出端与滤波电路42的输入端连接，滤波电路42的输出端与自动增益控制电路43的输入端连接，自动增益控制电路43的输出端与模数转换器44的输入端连接，模数转换器44的输出端通过电压转换电路45与DSP数字信号处理器46的输入端连接，DSP数字信号处理器46的输出端与数模转换电路47的输入端连接，数模转换电路47的输出端通过电压调整电路48的输入端连接，电压调整电路48的输出端与自动增益控制电路43的输入端连接；FLASH连接电路、RESET电路、通信接口都与DSP数字信号处理器46连接。测量的基本流程为，首先数字信号处理器发射一定频率f₁的驱动信号给超声波传感器的发射端，发射端产生超声波信号，经过流体等介质返回到接收端，转换为电信号，通过一系列放大滤波的处理，传送给数字信号处理器，数字信号处理器通过对接收信号进行分析，得到接收信号的频率f₂，从而得到偏移频率Δf，最后计算出流体速度。

自动增益控制电路、模数转换电路、电压转换电路、DSP数字信号处理器、数模转换电路和电压调整电路组成为自动增益控制系统，通过在DSP数字信号处理器中进行峰值检测和自动增益控制算法来实现调节和稳定超声波信号幅值的目的。与超声波收发模块的接口中需要有多路开关控制线、接收开关控制线、超声波信号发射驱动信号线以及接收信号传输线，与上位机通信采用RS232或RS485标准。

上述接口电路3中芯片型号可选为HEADER7x2，芯片U₁的型号可选为NE5534，芯片U₂的型号可选为MAX275，芯片U₃的型号可选为VCA80，芯片U₄、U₅的型号可选为TT16KK81和ADS802U，芯片U₆、U₇的型号可选择SN74LVC245A或SN74LVC4245A，芯片U₈的型号可选为DAC7512，芯片U₉的型号可选为LM258，芯片U₁₀的型号可选为CAT811S，芯片U₁₁的型号可选为SP232EEA，芯片U₁₃的型号可选为S29AL016D，芯片U₁₇的型号可选为SP3222E。

基于选择上述芯片情况下的一个实施例为：

如图4所示的放大电路、图5所示的滤波电路、图6所示的增益控制电路、图7所示的模数转换电路、图8所示的电压转换电路、图9所示的数模转换电路、图10所示的电压调整电路、图11所示的RESET电路、图12所示的RS323接口电路、图13FLASH电路中，超声波传感器接收信号输入到芯片U₁的输入端2脚后通过输出端6脚和芯片U₂的输入端8脚输入到芯片U₂中，芯片U₃的输入端8脚与芯片U₂的输出端18脚连接，芯片U₄的输入端6脚与芯片U₃的输出端5脚连接，芯片U₅的输入端16脚与芯片DSP79脚连接，芯片U₆的输入端3～6脚与U₅的10～13脚连接，芯片U₈的输入端5、6、7脚分别与芯片DSP的49、53、55脚连接，芯片U₉的输入端5脚与芯片U₈的输出端4脚连接，芯片U₁₃与芯片DSP连接，芯片U₁₀的2脚与芯片DSP的13脚连接，芯片U₁₁的11、12脚分别与芯片DSP的81、82脚连接。

超声波收发电路接收到的信号强度为毫伏级的，而信号处理板后端的ADC输入需要几伏，所以要选择合适的放大倍数将接收信号放大。NE5534具有10MHz的单位增益带宽，符合设计需要。此外NE5534还具有低噪声、高输出驱动能力等特点。经过放大后的超声波信号中有干扰信号，其中既有杂波噪声也有谐波干扰，为了能够减小这些噪声的影响使检测算法更容易执行且使检测结果更精确，需要对超声波信号进行滤波。滤波电路主要功能由MAX275实现，它含有两个独立的二阶有源滤波子电路，每个独立的滤波电路都能实现低通或带通滤波器，其中心频率可达300kHz。对超声波信号进行检测时，要求数字滤波后的超声波信号具有较稳定的幅值，所以要对其进行自动增益控制以实现稳定信号波形幅度的目的。自动增益控制电路由VCA810实现，VCA810具有恒定单位增益带宽35MHz，它的可控制增益范围：-40dB～+40dB，控制电压为-2V～0V，其中在-1.8V～-0.2V的时候，增益精度为±1.5V。DSP只能处理数字信号，所以要将模拟信号转化为数字信号。A/D转换芯片采用ADS802U，它是流水线型的ADC，具有12位分辨率，采样频率范围是10kHz～10MHz，SNR约66dB，12通道的并口输出。ADS802U有单端输入和差分输入两种模式。单端输入要求信号电压在0.25V～4.25V，而差分输入的基准电压为2.25V，要求差分输入电压在1.25V～3.25V，考虑到采用差分信号还可以有效的消除偶次谐波干扰，所以这里选择差分输入模式。超声波信号经过ADS802U之后就变成了12位的数字信号，需要与DSP的并行端口相连。模数转换器ADS802U是5v CMOS电平的器件，而DSP是3.3v TTL电平工艺的器件，所以两者之间要进行电压转换使之匹配。选SN74LVC4245A来实现电平转换的功能，SN74LVC4245A是双电平转换型电平转换芯片，在A端供电5V，B端供电2.6V～3.3V，可以实现双向电平转换。第一片SN74LVC4245A芯片的3到10脚作为输入连接芯片ADS802U的2到9脚，14到21脚作为输出；第二片SN74LVC4245A芯片的3到6脚作为输入连接芯片ADS802U的10到13脚，18到21脚作为输出。DSP电路是整个测控模块的硬件核心，对整个系统进行控制和数据处理。结合性能、价格和功耗等方面的考虑，选择ADSP-BF531作为超声波流量计测控模块的控制和运算核心。ADSP-BF531具有1个UART口、1个SPI口、1个并行外设接口(PPI)、3个通用定时器(具有PWM功能)、1个实时时钟、1个看门狗定时器、2个串行口(SPORTS)以及16个与其他端口复用的通用I/O口(GPIO)。ADSP-BF531在硬件结构上的运算优势和外设配置上的灵活性能够满足设计需要。

由A/D转换电路传来的采样数据读入DSP后，DSP会进行自动增益控制算法，计算出增益控制电压值来控制VCA810对下一次接收的超声波信号进行增益。因为ADSP-BF531不提供片上DAC，所以需要单独选择DAC芯片来实现数模转换。数模转换电路由DAC7512来实现，DAC7512是一个12位的线性的模数转换器，它的功耗很低，其三线接口可以工作在30MHz的时钟频率。VCA810的输入控制电压信号要求在-2V～0V的范围，但是DAC输出正电压信号，这就需要在DAC之后串接电压调整电路把DAC的输出的信号进行反相。电压调整电路由LM258实现。LM258包括两个独立的运算放大器，单位增益带宽为700kHz。直接用其分别实现电压跟随器和反相器并且相连即可。FLASH电路如图13，FLASH存储编写好的程序，使DSP能够在上电后按照程序工作。选用的FLASH为S29AL016D，S29AL016D具有2M×8bit的空间；扇区结构灵活，有1个16Kbyte，2个8Kbyte，1个32Kbyte和31个64Kbyte的扇区；70ns的接入速度；超低功耗；数据可以保存20年等特点。RESET电路如图11，通过一个机械按键进行复位控制。结合ADSP-BF531的供电为3.3V以及RESET引脚的电平有效方式，确定复位电路由CAT811芯片实现。DSP与上位机之间选用RS232标准进行通信。ADSP-BF531提供UARTs端口，可用作串口通信。但是UARTs端口是3.3V TTL电平，不能和上位机的RS232接口直接相连，需要利用硬件接口先进行电平转换。电平转换接口由SP3222E来实现。芯片SP3222E的11、12脚分别与DSP的81、82脚连接。本实施例中设有5V，-5V，3.3V和1.25V四套电源系统。首先选用隔离电源模块通过24V输入产生出5V和-5V的输出电源，然后由5V电源再生成3.3V电源，最后由3.3V电源生成1.25V电源。

本实用新型用于监测海洋深水钻井中泥线处隔水管与钻柱环空钻井液返出瞬时流量，多个声路(通道)测量使用并行的高压脉冲发射机微处理器(uP)及控制电路通过译码总线选择不同的发射机，来对不同声路(通道)及不同声路(通道)中的方向(正向或逆向)进行操作。即每个通道的正、逆向有各自的发射机及相应的接收电路。由于发射机之间的切换没有使用继电器，因此发射机之间的切换时间很小(切换时间在微秒级)；这样可以用多脉冲技术，对各个声路进行多次测量，从而提高测量超声波传播时间的精度。

由于环空内流速分布在空间及时间上的变化具有相当大的不确定性，流量测量实际上是一个统计的过程，通过多脉冲技术，大量采样数据进行统计平均，才能获得高精度。另外，接收信号中不可避免会出现随机噪声，采用多脉冲技术也有利于消除噪声的干扰。多脉冲技术还有一个优点，就是在井下环空中的像钻井液这种存在固相颗粒或气泡等阻碍超声波脉冲传播的物体的情况下，能有效克服信号丢失现象。

Claims

1.一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，它包括与超声波传感器相连的超声波收发模块、与收发模块通过接口电路相连并和上机位完成通讯的测控模块，其特征在于：

所述超声波收发模块中包含有收发电路、通路开关和电源电路，收发电路一端与超声波传感器相连，另一端与通路开关相连，内含微处理器，通路开关与接口电路相连，实现向测控模块的信号传输，所述微处理器产生一个具有一定频率、一定脉冲宽度和一定输出功率的电脉冲驱动信号激励超声波传感器；

所述测控模块包括放大电路、滤波电路、自动增益控制电路、模数转换器、电压转换电路、数字信号处理器、数模转换电路、电压调整电路、FLASH连接电路、RESET电路、接口电路，FLASH连接电路、RESET电路、与上位机通信的接口电路，

接口电路与放大电路的输入端连接，放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与自动增益控制电路的输入端连接，自动增益控制电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端通过电压转换电路与数字信号处理器的输入端连接，数字信号处理器的输出端与数模转换电路的输入端连接，数模转换电路的输出端通过电压调整电路的输入端连接，电压调整电路的输出端与自动增益控制电路的输入端连接，FLASH连接电路、RESET电路、通信接口都与数字信号处理器连接；

所述上位机完成对测量数据的显示、存储、分析。

2.如权利要求1所述的一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，其特征在于：与超声波收发模块的接口中有多路开关控制线、接收开关控制线、超声波信号发射驱动信号线以及接收信号传输线，与上位机通信采用RS232或RS485标准。

3.如权利要求1或2所述的一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，其特征在于：所述接口电路中芯片选为HEADER7x2，放大电路芯片选为NE5534，滤波电路芯片选为MAX275，自动增益控制电路芯片选为VCA80，模数转换器芯片选为TT16KK81、ADS802U，电压转换电路芯片选为SN74LVC245A或SN74LVC4245A，数字信号处理器芯片选为DSP，数模转换电路芯片选为DAC7512，电压调整电路芯片为LM258，RESET电路芯片选为CAT811S，FLASH连接电路芯片为S29AL016D，RS232接口电路的芯片选为SP232EEA。

4.如权利要求3所述的一种用于隔水管内环空瞬时流量测量的电路，其特征在于：所述超声波传感器接收信号输入到芯片NE5534的输入端2脚后通过输出端6脚和芯片MAX275的输入端8脚输入到芯片MAX275中，芯片VCA80的输入端8脚与芯片MAX275的输出端18脚连接，芯片TT16KK81的输入端6脚与芯片VCA80的输出端5脚连接，芯片ADS802U的输入端16脚与芯片DSP79脚连接，芯片ADS802U的输入端3～6脚与ADS802U的10～13脚连接，芯片DAC7512的输入端5、6、7脚分别与芯片DSP的49、53、55脚连接，芯片SN74LVC245A或SN74LVC4245A的输入端5脚与芯片DAC7512的输出端4脚连接，芯片S29AL016D与芯片DSP连接，芯片CAT811S的2脚与芯片DSP的13脚连接，芯片SP232EEA的11、12脚分别与芯片DSP的81、82脚连接。