CN202403774U

CN202403774U - 多相流模拟实验信号发生装置

Info

Publication number: CN202403774U
Application number: CN2011205617353U
Authority: CN
Inventors: 陈继革; 周建峰; 喻晓
Original assignee: LANZHOU HAIMO TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: LANZHOU HAIMO TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2021-12-29

Abstract

一种多相流模拟实验信号发生装置，包括：ARM控制模块、LCD触摸液晶屏，SPI总线控制模块，模拟电流输出、输入模块，数字输入/输出控制模块，FPGA管理控制模块，能量信号发生模块及数模转换模块。ARM控制模块分别与触控液晶屏、存储器及SPI接口总线控制模块相连接；SPI接口总线控制模块的输出端一路分别与DAAD数字I/O板连接，另一路与模拟单双能信号生成板连接。本实用新型采用电子信号模拟方式模拟多相流测试验证环线对多相流量计产品的输入信息，生成多相流测试过程中关键输入信号工况温度、压力、差压（流量）、伽玛计数等，一定程度上实现了模拟测试环线功能，为多相流计量产品的研发和功能测试提供经济高效的解决方案。

Description

多相流模拟实验信号发生装置

技术领域

本实用新型涉及油田采油生产过程中在线不分离计量产品的模拟测试及功能检测技术，具体说是一种多相流模拟实验信号发生装置。

背景技术

油井产量计量是油藏动态研究和油田生产管理过程中必不可少的基础性工作之一。近年来，多相流量计以其先进的技术、节省的费用投入等方面的比较优势，在油井产量计量方面得到了越来越多的石油公司的青睐，其中相分率测量以伽马射线测量不受流体流型流态影响、测量部件不与流体接触的优点而被广泛使用；总流量计量以文丘里管结构简单、无可动部件，性能稳定可靠等优点而被大量使用。但在多相流量计研发和产品测试、以及在对多相流量计功能检测过程中，大都依赖于庞大、运行费用昂贵的多相流测试验证环线装置。通过测试验证环线装置，可以对多相流量计产品功能、性能给出准确的反馈，但是该设备体积庞大、运转及维护费用都很昂贵，通常只有具备一定资金和技术实力的专业机构才能建造。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是模拟实现多相流测试验证环线的部分功能，降低多相流计量技术研发过程中和多相流产品检验环节中由于使用测试环线产生的高额费用，从而提供一种多相流模拟实验信号发生装置。

本实用新型的技术问题采用下述技术方案解决：

一种多相流模拟实验信号发生装置，包括：

ARM控制模块、LCD触摸液晶屏，SPI总线控制模块，模拟电流输出、输入模块，数字输入/输出控制模块，伽玛信号模拟脉冲发生（FPGA）管理控制模块，能量信号发生模块及数模转换模块；

所述的ARM控制模块为主控芯片，分别与触控液晶屏、存储器及SPI接口总线控制模块相连接；

所述SPI接口总线控制模块的输出端一路分别与DAAD数字I/O板上的模拟电源输出模块、模拟电源输入模块及数字输入输出模块连接；

所述SPI接口总线控制模块的输出端另一路与模拟单双能信号生成板连接，所述模拟单双能信号生成板设有FPGA管理控制模块，FPGA管理控制模块并联3通道能量信号发生模块，每道能量信号发生模块对应连接有数模转换模块。

所述的模拟电源输出模块由模拟电源输出模块Ⅰ、模拟电源输出模块Ⅱ、模拟电源输出模块Ⅲ和模拟电源输出模块Ⅳ并联组成。

所述的能量信号发生模块由能量信号发生模块Ⅰ、能量信号发生模块Ⅱ和能量信号发生模块Ⅲ组成，采用DDS（直接数字式频率合成器）技术实现。

本实用新型采用电子学模拟技术产生包含关键多相流信息的信号。包括：在线三相介质流量信号，在线三相介质相分率信号，工况温度和工况压力信号。三相介质分别为油气田工业生产过程中从井口获得的产出物：石油、天然气和矿化水三种介质。流量信息为三相介质在生产管线中的流速或单位时间内的流量信息。相分率信息用于描述油气水单相介质在三相总体积中占的比例。为达到通过电子学技术实现多相流信息模拟的目的，需要将流量和相分率信息通过电子学信号进行解析。本装置通过模拟表征三相介质总流量信息的文丘里差压信号和模拟表征相分率信息的单、双能伽玛脉冲计数实现多相流模拟实验。首先通过人机交互界面让操作者设置实验预设条件：即指定工况温度，工况压力和在该工况条件下期望的单相介质流经被观察管线的平均日流量（原油日产量，天然气日产量和伴生水日产量）。之后通过数学模型将其转化为可用电子学技术模拟的电流、电压信号。关系如下：

通过如上公式，可以将输入的油、气、水流量转换成差压信号输出。

通过如上公式，可以将输入的油、气、水相分率信息转换成单能、高能、低能伽玛模拟脉冲电压信号输出。最终，输入的油、气、水产量信息和相分率信息可以用４～２０ｍＡ模拟差压表电流信号和0～－５V的模拟伽玛计数脉冲信号模拟，以上信号都可以通过多相流实验模拟装置生成，生成的信号输入到多相流研发装置或多相流量计产品中，可以代替实验环线检测相关产品及装置的性能或其他特征指标。

本实用新型采用电子信号模拟的方式模拟多相流测试验证环线对多相流量计产品的输入信息，生成多相流测试过程中关键输入信号工况温度、压力、差压（流量）、伽玛计数等，FPGA单元采用DDS（直接数字式频率生成器）技术加DA数模转换模块实现了伽马计数脉冲信号的全特征仿真模拟。首先通过设定的频率、幅度和占空比输入DDS模块，可以形成全仿真信息的数字波信号，然后通过DA数模转换模块将数字波转化成全信息模拟脉冲信号，这种技术路线可以实现复杂脉冲波形的模拟生成，而不是只包含频率和幅度信息的方波、角波，从一定程度上实现了模拟测试环线的功能，为多相流计量产品的研发和功能测试提供经济高效的解决方案。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为ARM主控逻辑模块示意图；

图3为AD/DA DI/DO控制模块示意图；

图4为伽玛信号模拟脉冲发生模块示意图；

图5为本实用新型系统流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型ARM控制模块1为主控芯片，分别与触控液晶2、存储器及SPI接口总线控制模块3相连接；SPI接口总线控制模块3的输出端一路分别与DAAD数字I/O板上的模拟电源输出模块4、模拟电源输入模块5及数字输入输出模块6连接； SPI接口总线控制模块3的输出端另一路与模拟单双能信号生成板连接，所述模拟单双能信号生成板设有FPGA管理控制模块7，FPGA管理控制模块7并联3通道能量信号发生模块8，每道能量信号发生模块8对应连接有数模转换模块9。

系统运行时，ARM控制模块将控制软件程序从存储器载入内存运行，之后液晶显示器2上出现人机交互界面，允许用户通过触摸屏幕控制系统输入设定的气流量、油流量、水流量、工况温度、工况压力信息。之后ARM控制模块1将输入信息通过模型分解为4~20mA的差压信号，4~20mA的压力信号，4~20mA的温度信号以及高能脉冲计数值，低能脉冲计数值和两路单能脉冲计数值，同时根据用户输入生成调节阀门控制信号及关断阀门控制信号的数字表征。通过SPI接口，ARM控制模块将差压、压力、温度、阀门状态数字信号传递到DAAD数字I/O版，将单能、高能、低能脉冲计数值传递到模拟单双能信号产生板。

如图3所示，本实用新型的DAAD数字I/O板的三个主要控制模块：模拟电源输出模块4、模拟电源输入模块5和数字输入输出模块6由SPI接口总线控制模块3和ARM控制模块1相连，并分别单独同ARM模块进行通讯。模拟电源输出模块4由模拟电源输出模块Ⅰ、模拟电源输出模块Ⅱ、模拟电源输出模块Ⅲ和模拟电源输出模块Ⅳ并联组成。差压、压力、温度、阀门状态数字信号通过ARM控制模块1由SPI接口总线控制模块3传输进入DAAD数字I/O板后，由模拟电源输出模块Ⅰ、模拟电源输出模块Ⅱ、模拟电源输出模块Ⅲ和模拟电源输出模块Ⅳ将差压、压力、温度、调节阀门状态等数字信号转换为4~20mA模拟电流通过输出端输出；关断阀门信号通过数字输入输出模块6转换为高低电平信号，通过输出端输出；同时，模拟电源输入模块5通过输入端接线端子和多相流量计关断阀反馈信号相连，可以将多相流量计发送的4~20mA调节阀门反馈信号转换成数字信号，通过SPI接口回传到ARM控制模块，由ARM控制模块将反馈结果显示到液晶屏上供用户读取。由此完成一个完整数据循环。

如图4所示，模拟单双能信号生成板的能量信号发生模块8由能量信号发生模块Ⅰ、能量信号发生模块Ⅱ和能量信号发生模块Ⅲ组成。FPGA管理控制模块通过SPI接口总线和ARM控制模块相连，单能、高能、低能脉冲计数值进入模拟单双能信号生成板后，首先通过FPGA管理控制模块，由FPGA管理控制模块根据这些脉冲计数值，调用与之相连的能量信号发生模块Ⅰ、能量信号发生模块Ⅱ和能量信号发生模块Ⅲ生成指定频率，指定幅度的数字脉冲波。其中第一路单能计数值传入能量信号发生模块Ⅰ，第二路单能计数值传入能量信号发生模块Ⅱ，高能和低能计数值传入能量信号发生模块Ⅲ。由能量信号发生模块产生的数字脉冲波最终进入与之分别相连的数模转换模块，由数模转换模块将数字脉冲波转换成0~-5V的电压模拟脉冲信号输出到输出端。完成一个完成的信号模拟生成过程。

本实用新型的具体工作过程：

用户通过触摸液晶屏2设定需要输出的工况温度、压力、设备阀门状态、管线气流量、油流量、水流量信息；ARM控制模块1在收到输入后将输入转换为与流量和相分率相关的仪表数字信号，包括：温度值，压力值，差压值，阀门位置（开/关），阀门开度（0--100%），单能伽玛计数，双能伽玛计数。然后通过SPI总线控制模块3把温度、压力、差压、阀门开度数字信号发送到对应的模拟电流输出模块4，模拟电流输出模块4将以上信号转换为4--20mA标准仪表电流信号输出，同时通过模拟电流输入模块5将阀门开度反馈信号回传ARM控制模块1；ARM控制模块1通过SPI总线控制模块3把阀门位置信号发送到数字输入输出模块6，数字输入输出模块6将阀门位置信号转换为数字信号输出，输出的信号可被多相流量计系统接收并处理。同时ARM控制模块1通过总线控制模块3将单能伽玛计数、双能伽玛计数发送到FPGA管理控制模块7，由FPGA管理控制模块7根据3个伽玛计数输入值调用能量信号发生模块8形成指定幅度，指定频率，指定占空比的数字脉冲，该数字脉冲通过数模转换模块9转换为模拟脉冲电压信号输出。输出的信号可被多相流量计接收并处理。

在通过触摸液晶屏2设定工况温度、压力、管线气流量、油流量、水流量信息时，可以输入一组静态数据，也可以通过存储的外部文件批量导入多组数据，以此产生批量输出结果，实现完全的测试环线在线动态模拟。另外，输入还支持指定函数形式产生无限连续输入或指定范围的随机数，具体形式如下：

输入温度T　＝　ｆ（Ｔｘ）；

输入压力Ｐ　＝　ｆ（Ｐｘ）；

输入流量Ｑ　＝　ｆ（Ｑｘ）。

Claims

1.一种多相流模拟实验信号发生装置，其特征在于包括：

ARM控制模块(1)、LCD触摸液晶屏（2），SPI总线控制模块（3），模拟电流输出模块（4），模拟电流输入模块（5），数字输入/输出控制模块（6），FPGA管理控制模块（7），能量信号发生模块（8）及数模转换模块（9）；

所述的ARM控制模块（1）为主控芯片，分别与触控液晶屏（2）、存储器及SPI接口总线控制模块(3)相连接；

所述SPI接口总线控制模块（3）的输出端一路分别与DAAD数字I/O板上的模拟电源输出模块（4）、模拟电源输入模块（5）及数字输入输出模块（6）连接；

所述SPI接口总线控制模块（3）的输出端另一路与模拟单双能信号生成板连接，所述模拟单双能信号生成板设有FPGA管理控制模块（7），FPGA管理控制模块（7）并联3通道能量信号发生模块（8），每道能量信号发生模块（8）对应连接有数模转换模块（9）。

2.根据权利要求1所述的一种多相流模拟实验信号发生装置，其特征在于所述的模拟电源输出模块（4）由模拟电源输出模块Ⅰ、模拟电源输出模块Ⅱ、模拟电源输出模块Ⅲ和模拟电源输出模块Ⅳ并联组成。

3.根据权利要求1所述的一种多相流模拟实验信号发生装置，其特征在于所述的能量信号发生模块（8）由能量信号发生模块Ⅰ、能量信号发生模块Ⅱ和能量信号发生模块Ⅲ组成。