一种基于时差法的超声流量计的设计与试验研究
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。
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。
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；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，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。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。
1.基于时差法的超声波流量测量原理
超声波的传播速度与介质的流速和流动方向有关，所以利用超声波在流体中顺流和逆流产生的时间差可以获得流体的流速信息[4]。在如图1 所示有一段直管道，其中有流速为v 的单相流体，管道直径为D，在测量管道的上、下游分别放置超声波换能器A 和B，A 和B 之间的距离为L，L 与v 之间的夹角 θ ≠ 0o 。
公式（7）中的 L
2 和cosθ为常数，所以只要测出超声波顺
流和逆流的传播时间 tAB 和 tBA 就能求出流体流速 v ，再根据管道的形状和流速的分布形式，进行判别和补偿以降低测量结果同流速分布及雷诺系数的关系，从而可以计算得到流量，避免了求声速 c 的困难同时减小了温度对测量结果的影响，提高准确度。
2.系统硬件设计
系统选用的是Silicon Labs 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。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。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。
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,再进行一次测量并得到一个传播时间。将这两个时间参数代入超声时差法原理测流速的公式中即可计算出流体流速，然后C8051 将计算的结果存入外部存储器中。在测量完成后,将电路和计算机连接,将所测数据传送到计算机进行流速曲线的绘制并作进一步的数据分析与处理。
3.软件设计
根据时差法超声波测流速的理论，流体流速与超声波在流体中顺流、逆流之间传播的时间差成正比，只要获取到超声波顺、逆流传播的时间差即可计算出流速[10]，流量和累计流量也可以根据管径和测量时长分别求得。采集流速的软件流程框图如图3 所示：
首先C8051 对自身和对TDC-GP2 进行初始化，然后启动TDC- GP2，打开中断。判断中断的有无，等待中断来临后 C8051 通过TDC-GP2 的SPI 口读取测量数据并进行存储。然后切换测量通道，重复以上的测量过程。等待中断再次来临，读出测量数据。判断循环是否达10 次，若未达到10 次，则重复以上过程；若循环已达10 次，则对数据进行数字滤波，然后根据时间差计算流速并相应地计算出流量和累计流量。待数据处理完毕，将数据存储在相应的存储空间，以备数据回放和绘制曲线。
4.室内试验装置与流程
该试验在室内的油气井管道流体循环系统上进行，试验平台结构如图4 所示，其结构包括螺杆泵、管路、阀门、回收罐及各种辅助器件。
将质量流量计作为标定仪器，流体为自来水，将超声换能器探头置于与质量流量计同路径的较长的直管段部分，探头位置选取原则是换能器探头前后的直管段长度要分别大于管径的10 倍和5 倍，通过调节螺杆泵的转速可以模拟不同流速下的管道流量，给回收罐注入足够多的水量从而保证流体满管流动，通过控制各管段上的阀门开关让流体在管道和回收罐之间循环流动。
测试流程是先把整个系统装好在被测管道上进行测试,将测量所得流量数据暂时存储在静态存储器中,测量完毕再把系统与计算机进行连接，系统接收到计算机的指令后在上位机上进行数据回放与处理。
5.试验结果与分析
试验结果如表 1 所示.
由该组试验数据可知，本文实现的超声波流量计在单相流量测量中的测量误差随着管道流体流速的减小而增大。当变频器的频率设置在 20Hz、25Hz 时，流速相对误差***高达到5.19%；当变频器的频率分别设置为30 Hz、35Hz、40Hz、45Hz 和 50Hz 时，采用本文所设计的超声流量计测得的流速其相对误差大概在3.3%以内，室内模拟试验的结果表明本文设计的流量计其测量精度基本满足油田注水参数的计量要求。