賈偉，王小敏

(1 西安航天恒星科技實業(yè)（集團）公司 西安 710061；2 陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦通訊信息部 韓城 715405)

0 引言

隨著數(shù)字油田的不斷發(fā)展,多普勒流量計在流量測量中扮演著越來越重要的角色，對高性能多普勒流量計的研制和性能評價提出了更加迫切的需求[1]。作者在多年的研究與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的超聲波多普勒流量測量裝置在現(xiàn)場應(yīng)用中,會出現(xiàn)許多實驗室難以發(fā)現(xiàn)的問題,其主要原因是油田現(xiàn)場的環(huán)境非常復(fù)雜,測量信號中包括了各種振動噪聲和電磁干擾,從而使得實驗調(diào)試好的流量計在現(xiàn)場無法工作。但在現(xiàn)場進行調(diào)試不僅周期長,費時費力,而且有關(guān)的調(diào)試和檢測手段也不夠完善。在這種情況下,本文研制了一種超聲波多普勒流量測量模擬器，其目的是模擬復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，以考核超聲波多普勒流量計對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，并考核其性能指標。

多普勒流量測量模擬器可模擬的信號包括不同流速產(chǎn)生的超聲波信號、各種電動機和管道振動引起的噪聲。模擬系統(tǒng)中設(shè)有計算機軟件和相關(guān)的硬件電路，以考核流量計的各種指標，這樣,就使多普勒流量計在實驗室的模擬環(huán)境中,得到充分的測試。并可通過計算機對各項參數(shù)進行設(shè)置。應(yīng)用本模擬器后,可以在很短的時間內(nèi)進行多次重復(fù)測試,復(fù)現(xiàn)調(diào)試現(xiàn)象,驗證試驗結(jié)果,從而極大地提高調(diào)試效率。這對降低研制成本、縮短研制周期、提高性能指標都有積極的作用。

1 多普勒頻移估算

生產(chǎn)過程中，原油中不可避免地含有油氣水三相流，其流速由（1）式給出，式中， v 表示流速，單位為m/s；p表示日產(chǎn)液量,單位為m3/d；油管半徑為r,單位為m,若單井日產(chǎn)液量為10～50m3，油管內(nèi)徑為55mm，則計算出流速為0.0487～0.243 m/s。

超聲波多普勒發(fā)送頻率與接收頻率的關(guān)系如式（2）[2]；式中 f ' 為接收頻率， f0發(fā)射源頻率， u '為接收器的速度，u為波源的移動速度為， v 為波的傳播速度。

若以管道為參考系，即取 u =0,（2）式可簡化為：

發(fā)射源頻率為650kHz,聲波在介質(zhì)中的傳播速度為1500m/s。據(jù)公式（3）可得頻移范圍為20～106Hz，在實際應(yīng)用中，多普勒頻差會超過這個范圍。

DDS有其獨特的技術(shù)特點，DDS頻率變化響應(yīng)速度快；頻率由數(shù)字控制字控制，頻率變化控制范圍大,有48位控制字；頻率穩(wěn)定度取決于頻率綜合器所提供的頻率穩(wěn)定度，由此可見利用DDS技術(shù)可以方便的實現(xiàn)模擬器功能。

2 模擬器使用系統(tǒng)構(gòu)成

模擬器使用平臺如圖1 所示，系統(tǒng)平臺由PC、多普勒流量計、多普勒流量模擬器構(gòu)成。PC協(xié)調(diào)其他兩個設(shè)備工作。通過PC能方便地對多普勒流量計和多普勒流量模擬器進行設(shè)置及數(shù)據(jù)提取。

圖1 模擬器使用平臺框圖

系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示，PC控制多普勒流量計開始工作，流量模擬器接收多普勒流量計的信號后，開始發(fā)送帶有流量信息的回波信號。流量信息可通過計算機進行調(diào)整。流量測量結(jié)果同時也送至計算機進行顯示與計算。計算機可發(fā)回修正系數(shù)，以便對測量結(jié)果進行修正。這樣可以快速準確地對流量計性能進行測試，從而為多普勒流量計的研發(fā)提供了有力的測試工具。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3 多普勒流量模擬器設(shè)計

在過去的模擬器中大多采用鎖相技術(shù)。由于多普勒頻移與載頻相比非常小,而且又是變量,因此用上述方法將它們分開是極其困難的。過去的電路設(shè)計師和元器件設(shè)計師為此付出了巨大的努力，例如,在鎖相環(huán)中盡可能降低鑒相頻率,以提高多普勒頻移的分辨率；增加單邊帶電路級數(shù)，以便分開小的多普勒頻移；研制性能優(yōu)良的濾波器及雙平衡混頻器等器件來濾除或抵消載頻。但其結(jié)果是,電路日趨復(fù)雜，成本也很高，而穩(wěn)定性卻有所下降。

本文提出了一種采用直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)的多普勒流量模擬器。這種模擬器主要采用數(shù)字技術(shù),電路簡單、頻率變化控制范圍大、分辨率高、成本低,具有一定的先進性和實用性。

3.1 硬件電路設(shè)計

DDS采用了美國的AnalogDveiees公司所生產(chǎn)的AD985X 系列中的AD9852作為信號源的核心，在TMS320F2812型DSP的控制下進行工作，通訊單元采用CAN總線。電路原理框圖如圖3所示。

圖3 多普勒流量模擬器電路框圖

信號疊加通道將DDS所產(chǎn)生的頻率信號進行疊加，模擬采樣空間的不同流速。

固件程序流程圖如圖4所示。開機后設(shè)備根據(jù)PC傳來信息進行設(shè)備初始化對信號幅度頻率進行初始化。初始化后等待接收流量計信號，接收后對信號頻率進行分析，最終輸出流量信號，并傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)給計算機。

圖4 多普勒流量模擬器固件流程圖

3.2 軟件設(shè)計

為實現(xiàn)通過PC可對多普勒流量模擬器和流量計進行方便的控制及狀態(tài)顯示。本設(shè)計配備了PC軟件，軟件界面如圖5所示包括多普勒流量模擬器部分，流量計數(shù)據(jù)部分，測量記錄共3部分。

圖5 PC界面示意圖

在流量計及流量模擬器開機后通過本界面對流量模擬器部分進行流速，顆粒密度，測量時間進行設(shè)置。流量計測得數(shù)據(jù)上傳至計算機并顯示在流量計數(shù)據(jù)部分。測量記錄部分能記錄歷史測量的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)查詢。

4 實驗及分析

利用所研制的模擬器使用平臺，通過實驗獲取了如圖6和圖7所示的測量數(shù)據(jù)。圖6和圖7分別是在模擬器流量設(shè)置為0.3m/s和2.5m/s情況下，流量計在10min內(nèi)的實測數(shù)據(jù)圖。

圖6 0.3m/s測量數(shù)據(jù)圖

圖7 2.5m/s測量數(shù)據(jù)圖

從測得數(shù)據(jù)了解到當模擬器設(shè)置為0.3m/s時，測得數(shù)據(jù)最大偏移量為0.04m/s。設(shè)置為2.5m/s時，測得數(shù)據(jù)最大偏移量為0.037m/s。測量數(shù)據(jù)始終圍繞在設(shè)置值附近波動，無異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)的分析我們可以很直觀的了解到這臺流量計工作穩(wěn)定，測量精度達到設(shè)計要求。

5 結(jié)論

多普勒流量模擬器的使用加快了超聲多普勒流量計的研發(fā)速度，能快速有效的對流量計進行性能評估。

多普勒信號模擬器整機結(jié)構(gòu)簡單,用戶可操作性強,且容易升級,可廣泛應(yīng)用于超聲多普勒流量計及其相關(guān)測試平臺的檢測。

[1] 羅守南.基于超聲多普勒方法的管道流量測量研究[D].北京:清華大學,2004:1-3.

[2] 鐘錫華.多普勒頻移的普遍公式[J].大學物理,1995(10):16-17.

[3] 徐科軍.張瀚.TMS320X281x DSP原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006:1-18.

[4] 葉佳. 基于AD9852的多功能直接數(shù)字信號合成源的研制[D].南京:南京航空航天大學,2005:21.

[5] 杜尚豐,曹曉鐘,徐津,等.CAN總線測控技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:5-8.

[6] 林莉，李喜孟 超聲波頻譜分析技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:48-63.

[7] Richard G.lyons.understanding digital signal processing[M].Beijing :China machine press,2005.

[8] 耿全喜,鐘興水.油田開發(fā)測井技術(shù)[M].北京:石油大學出版社,1992.