王攀　賈惠芹　馮旭東

摘要：設(shè)計(jì)了一種外置式基于超聲波傳感器的固體顆粒檢測(cè)裝置。通過(guò)研究分析固體顆粒撞擊管壁信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理、特征和影響因素，將壓電傳感器接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D芯片轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)紸RM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出固體顆粒的瞬時(shí)量和累計(jì)量，最后實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上。

關(guān)鍵詞：壓電傳感器；ARM；數(shù)據(jù)處理；固體顆粒檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）34-0196-02

由于我國(guó)的油田的地理環(huán)境等因素，很多地方的實(shí)際采收率較低，因此提高石油采收率、解決油氣井產(chǎn)是當(dāng)下石油行業(yè)亟需解決的問(wèn)題。而其中一項(xiàng)問(wèn)題就是油氣管道內(nèi)固體顆粒問(wèn)題。固體顆粒有來(lái)自地層的砂粒，也有來(lái)自壓裂的顆粒材料，這些都會(huì)造成油氣井管道的阻塞或磨損，所以要提高油氣井的采收率，保證油氣井的正常作業(yè)，就需要對(duì)油氣井內(nèi)固體顆粒進(jìn)行評(píng)估，可以使決策者了解油氣井內(nèi)固體顆粒含量的情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的信息制定合理的策略，達(dá)到提高油氣井產(chǎn)能的最終目的。

1 原理分析

1.1 碰撞信號(hào)的產(chǎn)生

在經(jīng)過(guò)封閉管道時(shí)，流體對(duì)其中的固體顆粒具有一定的裹攜能力，固體顆粒撞擊管壁的信號(hào)正是由于流體攜帶的這些固體顆粒撞擊彎頭處的管壁產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，如圖1-1所示。由于固體顆粒撞擊管壁的位置和方向具有隨機(jī)性，撞擊力度的大小也不全部相同，所以有用信號(hào)也不是固定不變的。另外，由于各種外界風(fēng)中裹攜的砂礫等撞擊管壁，大氣中的電磁干擾和現(xiàn)場(chǎng)工作人員作業(yè)時(shí)都會(huì)引起的被測(cè)管道的相應(yīng)振動(dòng)，這些都是隨機(jī)的噪聲信號(hào)，所以對(duì)內(nèi)部固體顆粒撞擊管壁的信號(hào)和噪聲信號(hào)要區(qū)別開(kāi)分析，否則會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.2理論分析

根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電材料受擠壓而產(chǎn)生的電荷和其受到的作用力的大小是成正比的，即當(dāng)壓電材料受到壓力大小為F的作用力時(shí)，在壓電材料的兩個(gè)極上分別產(chǎn)生數(shù)量相等而不同極性的電荷，這就因?yàn)閴弘娦?yīng)而形成了電場(chǎng)。所以將固體顆粒撞擊管壁的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)需要用到由壓電材料組成的壓電傳感器。壓電傳感器能利用壓電效應(yīng)將固體顆粒撞擊管壁的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。同時(shí)壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)電容，如果其被施加的外力大小方向不變，則在該電容兩端上產(chǎn)生的電荷量能保持不變。在壓電傳感器兩端上產(chǎn)生的電荷量與被施加外力的關(guān)系如式（1）所示。

由（4）可知，最后的端電壓與撞擊管壁的固體顆粒的動(dòng)能是成線性相關(guān)的。也就是說(shuō)，壓電傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)是與撞擊管壁的固體顆粒的質(zhì)量和速度是相關(guān)的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要由ARM和A/D轉(zhuǎn)換芯片以及LCD液晶顯示電路構(gòu)成。將超聲波探頭固定在管壁上后，接收到固體固體顆粒撞擊到管壁產(chǎn)生的超聲波信號(hào)后，首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將結(jié)果顯示在LCD上。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如2所示：

3 軟件設(shè)計(jì)

本作品的軟件設(shè)計(jì)，主要在于ARM的編程，具體包括系統(tǒng)的初始化，A/D轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)子程序，LCD顯示的驅(qū)動(dòng)子程序，計(jì)算瞬時(shí)量和累計(jì)量的運(yùn)算子程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程框圖如圖6所示。

4 總結(jié)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完成后，對(duì)于顯示本設(shè)計(jì)對(duì)流體的流速有些要求，不能低于10m/s，然后當(dāng)顆粒直徑大小小于0.18mm時(shí)，測(cè)量效果不理想。原因是顆粒直徑較小時(shí)，有可能由于撞擊信號(hào)太微弱，被淹沒(méi)在噪聲信號(hào)當(dāng)中，提取信號(hào)困難；也有可能傳感器的靈敏度限制，太微弱的信號(hào)捕捉不到造成的。

最后經(jīng)過(guò)測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中還是在精度上還是有些不太理想，尤其是在低流速和固體顆粒較小的情況下更嚴(yán)重。這說(shuō)明在傳感器的靈敏度方面還有待提高，并且數(shù)據(jù)處理的算法還有待優(yōu)化，對(duì)于噪聲的處理還不夠。

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