CN204255419U - 双频超声波流量测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双频超声波流量测试仪。其包括：声波导装置，包括超声波发射端和超声波接收端，所述超声波发射端用于发射第一频率超声波和第二频率超声波，所述超声波接收端用于分别接收由流体中的颗粒反射回的对应第一反射波和第二反射波以分别转换为第一反射波电信号和第二反射波电信号；数据处理单元，与所述声波导装置连接，用于接收所述第一反射波电信号和第二反射波电信号，以获取所述流体的流速。本实用新型的有益效果为：采用这种双频超声波流量测试仪能够准确测试测井内油、气或者水的流量，为石油的勘探或者钻井施工提供准确的参考。

Description

双频超声波流量测试仪

技术领域

本实用新型属于流量检测技术领域，具体涉及一种双频超声波流量测试仪。

背景技术

随着超声波技术的不断发展，超声波流量计技术得到快速的发展。但是，我国对于超声波流量计技术的研究起步较晚，并且发展速度和研究水平仍然落后于国际水平。

超声波流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础。具体为：当声源和观察者之间存在相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这是由于相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。另外，超声波多普勒流量测量的一个必要条件是：被测流体中含有一定数量的固体粒子或气泡，这些固体粒子或者气泡能够反射声波。

但是，在石油勘探、钻井技术领域应用上述超声波流量计时，并不能够准确地测量井内流体的流量，由此影响石油勘探或者钻井的工程进度，严重的情况下，给油气的开发带来危险。因此，需要一种双频超声波流量测试仪，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种双频超声波流量测试仪。采用这种双频超声波流量测试仪能够准确测试测井内油、气或者水的流量，为石油的勘探或者钻井施工提供准确的参考。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种双频超声波流量测试仪，其包括：声波导装置，用于设置于测井内，包括超声波发射端和超声波接收端，所述超声波发射端用于发射第一频率超声波和第二频率超声波，所述超声波接收端用于分别接收对应地由流体中的颗粒反射回的第一反射波和第二反射波以分别转换为第一反射波电信号和第二反射波电信号；数据处理单元，与所述声波导装置连接，用于接收所述第一反射波电信号和第二反射波电信号，以获取所述流体的流速。

优选地，所述数据处理单元包括单片机和DSP处理器，所述超声波发射端和所述超声波接收端分别连接于所述DSP处理器，所述DSP处理器连接于所述单片机。

优选地，所述超声波发射端和所述DSP处理器之间设置有DDS芯片和功率放大电路，所述DDS芯片连接于所述DSP处理器，所述功率放大电路设置于所述DDS芯片和所述超声波发射端之间。

优选地，所述超声波接收端和所述DSP处理器之间设置有滤波放大电路，所述滤波放大电路包括顺次连接的前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器和低通滤波器，所述前置放大电路连接于所述超声波接收端，所述低通滤波器连接于所述DSP处理器，其中所述混频器还连接于所述功率放大电路。

优选地，所述功率放大电路包括放大器(U0)、NPN型三极管(Q1)、PNP型三极管(Q2)、二极管(D1、D2)、电容(C1)、电阻(R1、R2、R3以及R4)以及变压器(T1)，所述电阻(R3)连接于所述放大器(U0)的第一输入端，所述电容(C1)和所述PNP型三极管(Q2)的基极依次串联至所述放大器(U0)的第一输出端，所述电阻(R4)的两端分别连接所述放大器(U0)的第一输入端和第一输出端，所述NPN型三极管(Q1)的发射极连接于所述PNP型三极管(Q2)的集电极，所述电阻(R1)、所述二极管(D1)、所述二极管(D2)和所述电阻(R2)串联后与所述NPN型三极管(Q1)和所述PNP型三极管(Q2)并联，所述变压器(T1)的输出端连接至所述NPN型三极管(Q1)和所述PNP型三极管(Q2)之间。

优选地，所述单片机的型号为AT89C51ID2，所述DSP处理器为TMS320F2812数字信号处理器，和/或所述DDC芯片为AD9850直接频率合成器。

优选地，所述声波导装置包括圆柱体段和圆锥段，所述圆锥段设置于所述圆柱体段的一端，所述圆柱体段构造为中空的管段，所述圆柱体段的侧壁上设置有环状透声孔，所述圆柱体段的内部设置有垂直于所述圆柱体段轴线方向的安装隔板，所述超声波接收端设置于所述安装隔板的中心处，所述超声波发射端设置于所述超声波接收端的周缘。

优选地，超声波发射端包括第一频率超声波发射端和第二频率超声波发射端，所述第一频率超声波发射端设置于所述超声波接收端的周缘，所述第二频率超声波发射端设置于所述第一频率超声波发射端的周缘，其中所述第一频率超声波发射端和所述第二超声波发射端之间以及所述第一频率超声波发射端和所述超声波接收端之间分别设置有隔声套。

优选地，所述超声波发射端为超声波换能器，所述超声波换能器采用连续正弦波激励。

优选地，所述超声波接收端为压电薄膜超声波接收器。

本实用新型的有益效果为：由于超声波射入到流体中，碰到流体中的颗粒反射后就载有流体流速的信息，而通过接收到的反射波信号可以测量流体的流速和流量。作为优选地，本实用新型的双频超声波流量测试仪采用两组不同频率而相互独立的超声波，来识别和排除错误信号，有效地去除噪声信号，并且将准确识别出的多普勒信号放大，由此准确获取流体流速，为石油钻井或者勘探施工提供准确参考。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个优选实施例的双频超声波流量测试仪的方框图；

图2是图1所示双频超声波流量测试仪的功率放大电路的原理图；

图3是图1所示双频超声波流量测试仪的滤波放大电路的原理图；

图4是图1所示双频超声波流量测试仪的声波导装置的剖面图。

图中：1、圆柱体段；2、圆锥段；3、安装隔板；4、第一频率超声波发射端；5、超声波接收端；6、第二频率超声波发射端；7、透声孔；8、挡板。

具体实施方式

本实用新型提供的双频超声波流量测试仪包括声波导装置和数据处理单元。下面将详细地描述本实用新型的双频超声波流量测试仪及其各个部分。

如图4所示，声波导装置可以放置在测井内用来发送超声波信号的同时还接收反射回来的带有流速信息的反射波波信号。声波导装置包括超声波发射端和超声波接收端，超声波发射端可以分别发射第一频率超声波和第二频率超声波。而超声波接收端可以分别接收对应地由流体中的颗粒反射回的第一反射波和第二反射波，并且超声波接收端分别将第一反射波和第二发射波对应地转换为第一反射波电信号和第二反射波电信号，用于数据处理单元后续的信号处理。这种双频超声波合并后能够有效去除多余杂波，获取真实信息，利于获取流体的真正流速和流量信息。

数据处理单元与声波导装置连接，可以接收第一反射波电信号和第二反射波电信号，通过处理后可以获取流体的流速。作为优选的实施例，如图1所示，数据处理单元包括单片机和DSP处理器，超声波发射端和超声波接收端分别连接于DSP处理器，DSP处理器连接于单片机。DSP处理器可以将单片机发送过来的电信号进行数/模转换后由超声波发射端发出超声波，而DSP处理器可以将超声波接收端接收的反射波电信号进行模/数转换后由单片机进行相应的数据处理，以获取流体流速等的相关信息。进一步地，单片机的型号为AT89C51ID2，DSP处理器为TMS320F2812数字信号处理器。TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP处理器，是目前控制领域最先进的处理器之一，其频率高达150MHz，极大地提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。本实用新型以TMS320F2812为核心，对采样数据进行加窗处理、FFT变化求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，由此获得流速，并且将流速信息通过SPI协议发送给单片机。通常情况下，TMS320F2812数字信号处理器采用3.3V和1.8V双电源供电，由复杂可编程逻辑器件CPLD提供各种控制信号，如读、写和复位等。TMS320F2812数字信号处理器分别通过SPISIMO端口、SPISOMI端口、SPICLK端口和SPISTE端口与单片机连接，来实现流体流速信息的发送。

优选地，超声波发射端和DSP处理器之间设置有DDS芯片和功率放大电路，DDS芯片连接于DSP处理器，功率放大电路设置于DDS芯片和超声波发射端之间。优选地，DDC芯片为AD9850直接频率合成器。进一步地，超声波发射端为超声波换能器，超声波换能器采用连续正弦波激励。由于超声波的频移反映了流速信息，准确测量频移是确保测量精度的关键。其中，愈少在频谱中引入干扰分量愈好，因此我们需要源信号有较高的纯度。一般的正弦振荡电路会有很多谐波分量，而且频率漂移较大，频率一旦调节好了不易修改，导致系统适应不同频率的超声波发射端的灵活性减低。但是DDS芯片可以解决这些问题。DDS芯片可以把数字量信号通过DAC转换成模拟量信号，是目前使用最广泛的利用高速存储器作查寻表，然后通过DAC产生以数字形式存入的正弦波。优选DDS芯片是AD9850直接频率合成器，该芯片最高可支持125MHz时钟频率，32位频率调节字可用并行或串行方式装入。其中，是8D数据的74HC574锁存器可将写入的数据保存在输出端，直到下次时钟到来。AD9850直接频率合成器的W-CLK端、FQ-UD端和RESET端分别通过74HC574锁存器连在DSP处理器的输入端口GPI0A。

由于流体中存在较多的颗粒，由此导致超声波的衰减较大，发射信号要有一定功率，因此功率放大不可少。由于超声波的频率较高，可以选用功率晶体管和放大电路的组合，如图2所示。DOS-IN端接DDS芯片的输出端口，变压器T1的输出端接超声波发射端。其中，功率放大电路包括放大器U0、NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、二极管D1、D2、电容C1、电阻R1、R2、R3以及R4以及变压器T1，电阻R3连接于放大器U0的第一输入端，电容C1和PNP型三极管Q2的基极依次串联至放大器U0的第一输出端，电阻R4的两端分别连接放大器U0的第一输入端和第一输出端，NPN型三极管Q1的发射极连接于PNP型三极管Q2的集电极，电阻R1、二极管D1、二极管D2和电阻R2串联后与NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2并联，变压器T1的输出端连接至NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2之间。

作为优选的实施例，如图1所示，超声波接收端和DSP处理器之间设置有滤波放大电路，滤波放大电路包括顺次连接的前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器和低通滤波器，前置放大电路连接于超声波接收端，低通滤波器连接于DSP处理器，其中混频器还连接于功率放大电路。混频器连接于功率放大电路的目的是采集功率放大后的原始的超声波发射电信号，以用于后续与超声波接收端接收到的反射波电信号作比较。进一步地，超声波接收端为压电薄膜超声波接收器。由此通过压电薄膜超声波接收器可以将接收的第一反射波和第二反射波分别对应地转换为第一发射波电信号和第二反射波电信号以用于后续的处理。如图3所示为滤波放大电路的一个优选实施例，其中，滤波放大电路包括选频放大器U1、运算放大器U2、U3以及U6、CMOS模拟复用器/解复用器U5、反相器U4。例如选频放大器U1可以采用MC1350型号，运算放大器U2、U3以及U6可以采用TLE2072型号，CMOS模拟复用器/解复用器U5可以采用CD4053型号，反相器U4可以采用54LS04型号。图中可以看出这些芯片分别与其它部件连接实现了对应的前置放大电路、带通滤波放大器、混频器和低通滤波器。

作为一个优选的实施例，如图4所示，声波导装置包括圆柱体段1和圆锥段2，圆锥段2设置在圆柱体段1的一端，圆柱体段1构造为中空的管段，圆柱体段1的侧壁上设置有环状的透声孔7，圆柱体段1的内部设置有垂直于圆柱体段轴线方向的安装隔板3，超声波接收端5设置于安装隔板3的中心处，超声波发射端设置于超声波接收端5的周缘。进一步地，如图所示，超声波发射端包括第一频率超声波发射端4和第二频率超声波发射端6，第一频率超声波发射端4设置于超声波接收端5的周缘，第二频率超声波发射端6设置于第一频率超声波发射端4的周缘，其中第一频率超声波发射端4和第二超声波发射端6之间以及第一频率超声波发射端4和超声波接收端5之间分别设置有隔声套。由此避免超声波接收端5、第一频率超声波发射端4和第二频率超声波发射端6之间的振动干扰。

超声波的收发工作流程大体为：第一频率超声波发射端4和第二频率超声波发射端6分别对应地发射第一频率超声波和第二频率超声波，第一频率超声波和第二频率超声波分别通过圆锥段2发射出去，发射出去的第一频率超声波和第二频率超声波射入被测流体中，在碰到流体中的颗粒或者油气泡时发生反射后对应地形成第一反射波和第二反射波，第一反射波和第二反射波在扩散过程中通过圆柱体段1上的透声孔7进入圆柱体段1内，从而超声波接收端5分别获取到该载有流体流速信息的第一反射波和第二反射波，最后通过换能器分别将第一反射波和第二反射波转换为相应的第一反射波电信号和第二反射波电信号，后续可以对这两路超声波电信号进行相应的处理，从而获取相应的流体的流速和流量信息。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频超声波流量测试仪，其特征在于，包括：

声波导装置，包括超声波发射端和超声波接收端，所述超声波发射端用于发射第一频率超声波和第二频率超声波，所述超声波接收端用于分别接收对应地由流体中的颗粒反射回的第一反射波和第二反射波以分别转换为第一反射波电信号和第二反射波电信号；

数据处理单元，与所述声波导装置连接，用于接收所述第一反射波电信号和第二反射波电信号，以获取所述流体的流速。

2.根据权利要求1所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所述数据处理单元包括单片机和DSP处理器，所述超声波发射端和所述超声波接收端分别连接于所述DSP处理器，所述DSP处理器连接于所述单片机。

3.根据权利要求2所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所述超声波发射端和所述DSP处理器之间设置有DDS芯片和功率放大电路，所述DDS芯片连接于所述DSP处理器，所述功率放大电路设置于所述DDS芯片和所述超声波发射端之间。

4.根据权利要求3所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所述超声波接收端和所述DSP处理器之间设置有滤波放大电路，所述滤波放大电路包括顺次连接的前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器和低通滤波器，所述前置放大电路连接于所述超声波接收端，所述低通滤波器连接于所述DSP处理器，其中所述混频器还连接于所述功率放大电路。

5.根据权利要求3或4所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所 述功率放大电路包括放大器(U0)、NPN型三极管(Q1)、PNP型三极管(Q2)、二极管(D1、D2)、电容(C1)、电阻(R1、R2、R3以及R4)以及变压器(T1)，所述电阻(R3)连接于所述放大器(U0)的第一输入端，所述电容(C1)和所述PNP型三极管(Q2)的基极依次串联至所述放大器(U0)的第一输出端，所述电阻(R4)的两端分别连接所述放大器(U0)的第一输入端和第一输出端，所述NPN型三极管(Q1)的发射极连接于所述PNP型三极管(Q2)的集电极，所述电阻(R1)、所述二极管(D1)、所述二极管(D2)和所述电阻(R2)串联后与所述NPN型三极管(Q1)和所述PNP型三极管(Q2)并联，所述变压器(T1)的输出端连接至所述NPN型三极管(Q1)和所述PNP型三极管(Q2)之间。

6.根据权利要求3所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所述单片机的型号为AT89C51ID2，所述DSP处理器为TMS320F2812数字信号处理器，和/或所述DDC芯片为AD9850直接频率合成器。

7.根据权利要求1所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所述声波导装置包括圆柱体段和圆锥段，所述圆锥段设置于所述圆柱体段的一端，所述圆柱体段构造为中空的管段，所述圆柱体段的侧壁上设置有环状透声孔，所述圆柱体段的内部设置有垂直于所述圆柱体段轴线方向的安装隔板，所述超声波接收端设置于所述安装隔板的中心处，所述超声波发射端设置于所述超声波接收端的周缘。

8.根据权利要求7所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，超声波发射端包括第一频率超声波发射端和第二频率超声波发射端，所述第一频率超声波发射端设置于所述超声波接收端的周缘，所述第二频率超声波发射端设置 于所述第一频率超声波发射端的周缘，其中所述第一频率超声波发射端和所述第二频率超声波发射端之间以及所述第一频率超声波发射端和所述超声波接收端之间分别设置有隔声套。

9.根据权利要求7或8所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所述超声波发射端为超声波换能器，所述超声波换能器采用连续正弦波激励。

10.根据权利要求7或8所述的双频超声波流量测试仪，其特征在于，所述超声波接收端为压电薄膜超声波接收器。