井下恒功率热式流量计设计与实现

根据热式流量计检测原理设计了流量检测传感器和开发了流量检测电路, 设计实现了一种可以应用于液相流量测量的恒功率热式流量计。通过实验检验了开发的恒功率热式流量计的流量检测特性。实验结果表明, 该恒功率热式流量计对于低流量的测量具有良好的灵敏度, 对低产液油井在线流量检测具有实用价值。

对于我国很多低产液油井, 目前常用的涡轮流量计无法很好地在线检测这类油井的井下流量[1-3]。热式流量计分为恒温差型和恒功率型两种。恒温差热式流量计主要用于地面上对气体的流量测量, 而对于井下液相流量测量的热式流量计还未有过[4]。本文进行了热式流量计测量井下液相流量的研究, 设计开发了一种可以应用于液相流量测量的恒功率热式流量计。该热式流量计在低流量测量时具有良好的灵敏度, 可作为低产液井在线流量检测的一种解决方案的手段。

热式流量计是根据热扩散原理[5], 通过流体流量与热源热量的热交换关系来测量流体流速的流量计。热式流量计测量装置由2个铂电阻温度传感器、加热器以及测量电路构成。一个铂电阻温度传感器用于测量流速变化时加热器的温度, 称为测速传感器;另一个铂电阻温度传感器用于测量流体环境温度, 称为测温传感器。热式流量计在测量时将测速传感器与加热器封装在一起且放置在流体下游, 测温传感器放置在流体上游且与加热器相距一定距离。热式流量计工作原理图如图1所示。

图1 热式流量计工作原理图

测量时, 给加热器接通电源使其加热。在热平衡状态下, 加热器与流体的对流换热关系为:

式中, P为加热器加热功率;h为流体对流换热系数;A为加热器的表面积, 对于圆柱形加热器, A=πld, 其中l为加热器长度, d为加热器直径;Th为加热器温度;Te为流体环境温度;ΔT为两者温度之差。

若给出流体对流换热系数h, 就能够通过式 (1) 来给出流体的热平衡关系。根据传热学研究引入以下参数:

式 (2) ~式 (4) 中, Nμ为努塞尔数;Pr为普朗特数;Re为雷诺数;λf为被测流体热导率;η为流体动力粘度;Cp为流体定压比热容;ρ为流体密度;V为流体流速。

根据Kramers提出的换热公式[6], Nμ可以表示为:

则联立式 (2) 和式 (5) , h可以表示为:

将式 (6) 代入式 (1) 得:

令Ac=0.42πlλfPr0.2, Bc=0.57πlλfPr0.33 (ρd/η) 0.5, 得出加热器和流体的对流换热公式如下:

当加热器的尺寸和被测流体的物性一定时, Ac和Bc均为常数。因此, 若加热器加热功率恒定, 只要加热器结构和被测流体的物性参数一定, 就可以根据加热器与环境的温差来检测流体的流速。

恒功率法是通过检测加热器与流体环境的温差来计算流体流速的方法, 而加热器与流体环境的温差是通过检测2个铂电阻的阻值来计算, 因此要求铂电阻对温度的变化具有良好的灵敏度。在0℃~850℃温度范围内, 铂电阻的阻值与温度的关系为[7]:

式中, T为铂电阻所检测的温度;RT为铂电阻在温度为T的环境下的电阻值;R0为0℃时铂电阻阻值;T为的检测的铂电阻温度;A、B分别为分度常数, A=3.9×10-3, B=-5.8×10-7。目前常用的铂电阻有PT20、PT100、PT1000, 它们在0℃时的阻值分别为20Ω、100Ω、1 000Ω。当温度变化到1℃时, 由式 (8) 计算PT20、PT100、PT1000的阻值分别约为0.078Ω、0.39Ω、3.9Ω。因此, PT1000不仅在相同温度条件下的电阻值要远大于PT20和PT100, 而且对温度变化的灵敏感度也远大于PT20和PT100。考虑到测温电阻应对流体的温度影响要小, 对温度变化的灵敏度要高, 因此选择铂电阻PT1000作为测温传感器。

当测速铂电阻Rh和测温铂电阻Re均选用PT1000时, 两电阻的阻值之差为:

井下环境温度Te***高为150℃, 若设置加热器温度Th***高为200℃, 即 (Th+Te) ≤350℃, 则式 (9) 中括号内的第二项5.8×10-7× (Th+Te) 可以忽略, 两电阻的阻值之差与两者的温差成正比, 可近似为:

因此当2个铂电阻均选用PT1000时, 就可以根据检测2个铂电阻的差值来计算加热器和流体环境的温差。

为了保证加热器的功率恒定, 避免在加热器两端电压一定时加热器的阻值随着温度的变化导致加热功率的变化, 加热器材料电阻的温度系数应越小越好。实际选择0Cr21Al6电阻电热合金作为电加热材料。当温度从100℃变化到200℃时, 0Cr21Al6材料的电阻值仅仅增加了2‰, 由此引起的功率的变化忽略不计。

恒功率热式流量计检测电路总体框图如图2所示。测速铂电阻和测温铂电阻将测得的温度信号通过温差检测电路转化为与被测温差成正比的电压信号U1;由于全水流量***大时实际加热器温度高于流体温度, 导致全水流量***大时温差检测电路输出电压U1可能不为零, 为此设置了调零电路, 通过调整外加偏置电压使测量全水流量***大时调零电路输出的电压U2为零;在流量测量过程中, U2经放大电路放大后输出U3, 再经低通滤波器滤除信号中的高频干扰后送入A/D转换器将其数字化。

信号调理电路由温差检测电路和调零电路构成, 如图3所示。

两路大小为1 m A的电流源分别送入测温铂电阻Re和测速铂电阻Rh, 2个电阻上的电压分别为Ue (1 m A×Re) 和Uh (1 m A×Rh) , 分别送到仪表放大器进行差分放大, 输出为:

式中, Rg为仪表放大器增益调节电阻。

由于加热器温度不会低于流体环境温度, 即便在流体为全水且流量***大时, 输出的差分电压U1仍大于0。若刻度全水流量达到***大时的输出电压为零, 则应对U1调零。放大器A1、反相器A2和D/A转换器 (AD5541A) 组成了调零电路。D/A转换器输出电压UDA经反相器A2后形成负的调零电压在A1的同相端与U1相加, 即:

因此, 在全水流量达到***大值时, 通过改变D/A转换器的输出电压UDA使其等于U1, 则此时U2=0。

放大滤波电路由放大电路和低通滤波器构成, 如图4所示。

图2 恒功率热式流量计检测电路总体框图

图3 信号调理电路

图4 放大滤波电路

设置放大电路, 并选择数字可编程增益仪表放大器, 主要是考虑很方便地将被检测信号的动态范围调整到A/D转换器***佳量程范围内。由于油的热扩散系数要低于水的热扩散系数, 因此当被测流体为全油, 且流量为零时, 加热器和流体之间的温差***大, 导致温差检测电路输出电压U1***大, 因此放大器增益调整的原则是保证将该***大电压放大到后续A/D转换器的二分之一满量程至满量程的范围内。

设置低通滤波器, 主要是考虑温差的变化是一种慢变化, 为了避免高频信号的干扰, 防止信号采样时引入折叠噪声, 实际采用截止频率为100 Hz的二阶巴特沃斯低通滤波器, 通带内增益为1, 频率响应曲线具有***大平坦度, 通带外按-12 d B每倍频程衰减。

根据检测2.5~20 m3/d的流量要求, 分析表明对应的放大滤波后有效电压范围约为0.001~2 V, 信号动态约66 d B。如要保证对0.001 V的***小有效电压有20 d B的量化精度, 实际量化器的动态应不低于86 d B。实际选用AD7988-1, 它是一款16位高精度逐次比较型A/D转换器, 数据输出速率为100 k SPS, 具有87 d B的信噪比, -114 d B的总谐波失真等交流特性, 积分线性误差***大为±1.25 LSB。当参考电压为+2.5 V时, 其***小量化分辨率为0.000 038 1 V, 满足对***小信号0.001 V的采集要求。

为了测试按照上述设计开发的恒功率热式流量计的流量检测特性, 利用多相流模拟试验装置分别在纯水和纯油的不同流量环境下进行检测实验, 试验结果如图5所示。

图5 不同流量下恒功率热式流量计输出电压值

由图5, 试验结果表明:

1) 由于恒功率热式流量计测量的温差与流体流速的平方根成反比, 因此对于低流量测量具有良好的灵敏度。

2) 随着流量的增大, 流体带走加热器的热量增多, 加热器和流体的温差逐渐减小, 导致热式流量计输出电压值单调减小。

3) 由于水与油物性参数的差异, 水的热扩散系数大于油的热扩散系数, 因此在相同流量下水带走加热器热量要多, 导致流体为水的温差比流体为油的温差要小, 因此测量介质为全水时输出的电压值比测量介质为全油时输出的电压值要小。

设计实现了一种可以应用于液相流量测量的恒功率热式流量计。通过试验研究, 恒功率热式流量计对于液相低流量测量具有良好的灵敏度, 输出电压值随着流量的增大而减小。恒功率热式流量计适用于低产液井井下在线流量检测。