一种基于时差法的超声流量计的设计与试验研究党瑞荣++刘阳++宋汐瑾摘要：为了提高油田注水开发工作的效率，设计了一种面向油田注水井参数测量的基于时差法的高精度超声流量计，并在室内流体循环系统上进行了试验，通过调整螺杆泵的转速调节流量大小，将质量流量计作为标定仪器，试验结果论证了设计的超声流量计的测量精度基本满足油田注水参数测量的使用要求。关键词：超声流量计；时差法；注水井：TP311文献标识码：A：1009-3044（2016）09-0107-03DesignandExperimentalResearchofUltrasonicFlowmeterBasedonTimeDifferenceMethodDANGRui-rong，LIUYang，SONGXi-激n（XianShiyouUniversity，KeylaboratoryofPhotoelectricLoggingandDetectingofOilandGas，MinistryofEducation，Xian710065，China）Abstract：Toimprovetheefficiencyofoilfieldwaterflooding，designedanultrasonicflowmeterwhichbasedonthetimedifferencemethod.Experimentalwasconductedonthebasisoftheindoorfluidcyclesystem.Thespeedoffluidiscontrolledbythescrewpumpandamassflowmeterisusedasamarkingapparatus.Theexperimentalresultsshowthatthemeasuringaccuracyofultrasonicflowmetercanbasicallymeetthedemandsofoilfieldwaterflooding.Keywords：ultrasonicflowmeter；timedifferencemethod；oilfieldwaterinjectionwell随着油田开发工作进入到中后期，各层间的矛盾越发突出。注水开发就是向油层注水增压以保障油藏的压力安全，但是一味加大注水量会导致油藏的含水率过高进而影响石油的采收率，所以进行及时、高效并且精确地注水参数测量可以保障油田稳定高质量地生产，有效提高油田注水开发效率。因此针对油田注水开发研制出高精度的流量测量仪器对于提高注水工作效率和石油采收率具有重要的意义[1]。目前，油田注水工作主要使用的流量计有：涡轮流量计，电磁流量计等。由于电磁流量计的电极直接接触被测流体，容易受到腐蚀[2]；涡轮流量计容易缠绕杂物或者结水垢，机械结构也容易磨损导致测试结果不可靠。相较而言超声流量计机械损坏率更低，有着更高的可靠性和测量精度[3]，本文设计了一种基于时差法的高精度超声流量计，它不与被测流体直接接触因此不扰动被测流体的流动特性[2]。该装置非常适用于油田应用，可以实现对单相流体的非接触、实时监测，为解决油田注水问题提供了有效的手段。2系统硬件设计系统选用的是SiliconLabs公司推出的C8051f500单片机，该单片机的数据处理的格式和处理速度完全满足超声法时间差测量的技术要求。C8051单片机的性能优势有：系统集成度高，总线时钟可达25M，全兼容8051指令集，增加了中断源，集成了丰富的模拟资源和丰富的外设接口并且增强了信号处理性能等[7]。高精度计时电路选用的是德国ACAM公司推出的一款高精度时间数字转化芯片TDC-GP2，选择合适的测量范围可使它的测量精度达到PS级[8]。TDC-GP2具有高速脉冲发生器，停止信号使能，时钟控制和温度测量等功能，这些功能模块使它尤其适用于超声波法测流体流量[9]。系统总体围绕C8051和TDC-GP2来设计外围电路。总体框图如图2所示：C8051主要用来进行系统控制和数据处理，GP2主要用来采集换能器收、发信号的时间差。系统硬件主要包括高精度计时电路、发射驱动电路、放大滤波电路、通道切换电路等。在测量过程中，GP2在C8051的控制下实现与流量相关的时间参数的测量，并存在GP2的内部寄存器里，C8051将参数读出后进行相应的数据处理与存储。系统上电后，存储在C8051内部ROM中的程序被引导进C8051内部运行。C8051首先完成对自身和GP2的初始化设置，然后给模拟开关一个确定信号，使之处于一个确定状态，这样就可以确定两个超声波换能器是顺流测量还是逆流测量。然后C8051给GP2发送命令，GP2的FIRE引脚发射信号，给一个超声波传感器提供激励，同时也给GP2提供START信号。另一个超声波传感器接收到的信号经过放大滤波电路、调理电路后送回GP2，将其作为STOP信号，GP2通过计算START信号和STOP信号之间的时间差得出超声波在流体中的传播时间。然后，C8051改变模拟开关的通道开关状态来切换两个超声换能器的收发状态，...