渦輪流量計(jì)干擾故障現(xiàn)象 ，故障原因及消除方法

一、渦輪流量計(jì)正常安裝后，沒有流量通過，就有信號(hào)輸出或有流量顯示，且數(shù)值不穩(wěn)定 1、截止閥關(guān)閉不嚴(yán)，有泄漏量 ：
檢查前端閥門狀態(tài)，確保已關(guān)閉，沒有流量通過 2、信號(hào)線屏蔽接地不良：
確保良好接地。選接地線，或設(shè)備金屬外殼。 3、附近有電機(jī)、變頻器等大功率設(shè)備運(yùn)行 ：
渦輪流量計(jì)的安裝應(yīng)遠(yuǎn)離大功率設(shè)備，避免強(qiáng)磁電場(chǎng)環(huán)境。較強(qiáng)的磁電信號(hào)會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)出現(xiàn)虛假信號(hào)。   二、渦輪流量計(jì)正常安裝后，有流量通過，信號(hào)輸出或流量顯示數(shù)值很不穩(wěn)定 1、供電電源不穩(wěn)定 ： 對(duì)于需要外供電的渦輪流量計(jì)，應(yīng)確保供電電源質(zhì)量，儀表供電與大功率設(shè)備供電分開。必要時(shí)應(yīng)通過隔離變壓器對(duì)流量計(jì)進(jìn)行供電。或通過隔離變壓器后給開關(guān)電源供電，再給流量計(jì)供電。 2、傳輸信號(hào)線與強(qiáng)電混在一起 ： 渦輪流量計(jì)流量計(jì)傳輸?shù)男盘?hào)屬于弱信號(hào)，盡量不要與380V，220V等強(qiáng)電電纜混在一起鋪設(shè)，否則可能會(huì)引入干擾。 3、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備沒有良好接地 ： 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管道應(yīng)由良好接地，不能帶電。否則會(huì)對(duì)流量計(jì)的工作造成干擾。 4、 管道有強(qiáng)烈震動(dòng)： 加固管道，隔離震源。 5、前后直管段嚴(yán)重不足 ： 至少保證，前面5D，后面2D的直管段，否則會(huì)引起流量顯示的較大波動(dòng)。 目前，在油田原油開采中面臨的一個(gè)困難問題就是對(duì)開采的原油進(jìn)行在線計(jì)量。主要原因是原油的成分非常復(fù)雜，原油中含油、水、氣和其他雜質(zhì)，屬于多相復(fù)雜的流體，而且單井原油又是間歇流動(dòng)，因此一般的流量計(jì)是無法滿足的。本文設(shè)計(jì)了基于超聲波相關(guān)流量計(jì)算的計(jì)量系統(tǒng)，較好地解決了原油非接觸在線計(jì)量問題。

1、超聲波相關(guān)流量計(jì)原理

相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流體流量。測(cè)量精度與流體中的聲速無關(guān)，測(cè)量精度高，適用于多相流，干擾大的流體的測(cè)量。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如果含有其他雜質(zhì)，其內(nèi)部就存在著各種各樣的隨機(jī)擾動(dòng)，從而產(chǎn)生了與流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)信號(hào)，并具有一定的統(tǒng)計(jì)特性。相關(guān)法流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

A，A’和B，B’是兩組超聲波發(fā)射和接收換能器，L為上游換能器和下游換能器之間的距離。當(dāng)超聲波信號(hào)穿過管道時(shí)，超聲波信號(hào)會(huì)受到流體中噪聲的調(diào)制，調(diào)制后的超聲波信號(hào)中就包含了流體速度場(chǎng)的信息，對(duì)此超聲波信號(hào)進(jìn)行分析，提取與流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)信號(hào)A(t)和B(t)，且將A(t)和B(t)作相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)函數(shù)RAB(τ)：

該函數(shù)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移為τ，就是流體從上游換能器傳遞到下游換能器的時(shí)間，即該系統(tǒng)中的傳遞時(shí)間(也稱渡越時(shí)間)。流速的計(jì)算公式為：

根據(jù)流速，進(jìn)而求得流量：

式中：D為管道的直徑。

2、單井原油超聲波相關(guān)流量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，單井流量測(cè)量系統(tǒng)主要由氣液分離預(yù)處理，超聲波檢測(cè)，信號(hào)處理三部分構(gòu)成。下面分別對(duì)這三部分進(jìn)行分析。

2．1氣液分離預(yù)處理部分

預(yù)處理部分其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)處理部分的功能一是進(jìn)行液氣分離(抽油機(jī)抽出的原油中除了油液混合外，還含有氣體和其他雜質(zhì)，氣體對(duì)油液測(cè)量會(huì)帶來較大的誤差，所以在對(duì)油液測(cè)量時(shí)必須進(jìn)行氣液分離)；二是解決間歇流動(dòng)時(shí)的滿管測(cè)量(抽油機(jī)工作時(shí)每次抽出的原油不等，而且是間歇流動(dòng)，這樣造成管道中油液可能不是滿管，也會(huì)帶來很大的測(cè)量誤差)?；谶@些原因在對(duì)油液測(cè)量前要進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后實(shí)現(xiàn)氣液分離和油液滿管通過計(jì)量油管，減小計(jì)量誤差。工作原理是：原油從進(jìn)油口經(jīng)沉沙罐后進(jìn)入儲(chǔ)油罐，在儲(chǔ)油罐里進(jìn)行油氣分離，分離的氣體從儲(chǔ)油罐上閥門(出氣閥)經(jīng)氣管道輸出，當(dāng)儲(chǔ)油罐中的油液達(dá)到一定高度時(shí)，浮球上浮打開下閥門(出油閥)，同時(shí)上閥門封堵氣口，建立壓力，儲(chǔ)油罐中的油在壓力的作用下，通過測(cè)量管道流向出油口，當(dāng)儲(chǔ)油罐中的油液下降到一定的液位時(shí)，浮球下沉封堵下閥門，打開上閥門，這樣重復(fù)工作完成氣液分離。

2．2超聲波檢測(cè)部分

檢測(cè)部分主要是由兩對(duì)超聲波傳感器構(gòu)成。超聲波傳感器的檢測(cè)是通過超聲波的發(fā)射和接收能量來完成的，核心是換能器(將超聲波能轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，可逆換能器是指以相等的效率對(duì)兩種形式的能量做相互轉(zhuǎn)換的換能器)。常見的換能器有壓電晶體振子、磁致伸縮振子等。用于相關(guān)流量測(cè)量的超聲波一般有正弦波與脈沖波兩種形式。脈沖超聲波和正弦波的相關(guān)流量計(jì)都是對(duì)流場(chǎng)橫截面的速度信息進(jìn)行積分而得到流速的。本設(shè)計(jì)采用壓電晶體超聲波傳感器，中心頻率為200kHz。為了克服駐波影響，超聲波采用鎖相環(huán)脈沖信號(hào)發(fā)生器。

2．3信號(hào)處理部分

信號(hào)處理部分主要由超聲波接收換能器和DSP構(gòu)成。

信號(hào)調(diào)理電路由接收換能器、三級(jí)放大電路、濾波電路和包絡(luò)檢波電路組成。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構(gòu)成，二級(jí)放大器和末級(jí)放大器由INA128精密低功耗儀表用放大器構(gòu)成；濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構(gòu)成的一個(gè)帶通濾波器，中心頻率為200kHz，由TL14構(gòu)成低通濾波器，主要取出檢波后的信號(hào)，包絡(luò)檢波電路由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波器。

另一部分是由DSP模塊組成的數(shù)據(jù)采集處理電路。該電路選用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前過程控制領(lǐng)域中，它是先進(jìn)的DSP微處理器，與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，它具有功能強(qiáng)、資源豐富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并綜合較佳的外設(shè)接口，它集成了閃存、高速A／D轉(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等。

測(cè)量時(shí)，上、下游發(fā)射換能器發(fā)射出高頻超聲波，超聲波在流體中傳播時(shí)，流動(dòng)信號(hào)對(duì)超聲波會(huì)產(chǎn)生幅值、相位和頻率調(diào)制，接收換能器接收的高頻調(diào)制信號(hào)，經(jīng)濾波和放大后進(jìn)行解調(diào)，獲得流動(dòng)信號(hào)，送至A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的信息送至DSP進(jìn)行相關(guān)處理，獲得流體的流量。

3、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括DSP初始化、計(jì)算模塊、流量顯示、中斷處理模塊等部分。

主程序流程圖如圖3所示，主程序完成初始化后，進(jìn)入一個(gè)循環(huán)程序，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨時(shí)響應(yīng)外部A／D中斷請(qǐng)求、串口通信中斷請(qǐng)求和定時(shí)器中斷請(qǐng)求，同時(shí)還要隨時(shí)判斷流量顯示定時(shí)是否到達(dá)。主程序響應(yīng)以上各中斷請(qǐng)求并調(diào)用各個(gè)相應(yīng)的處理程序，完成數(shù)據(jù)的采集和處理。

初始化一方面是設(shè)置DSP的工作環(huán)境，另一方面是為后面的信號(hào)處理做準(zhǔn)備。系統(tǒng)初始化程序包括影響DSP芯片CPU運(yùn)行的內(nèi)部初始化和影響各個(gè)外設(shè)工作的外設(shè)初始化，以及外圍可編程器件(如A／D，D／A等)的初始化等幾個(gè)方面，具體地說包括以下功能：設(shè)置時(shí)鐘發(fā)生器，設(shè)置定時(shí)器，初始化各狀態(tài)寄存器，開中斷等。

中斷處理模塊包括三個(gè)中斷：定時(shí)器中斷處理模塊用于啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器和控制采樣頻率，串行通信中斷處理模塊用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，A／D中斷處理模塊用于讀取A／D轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)據(jù)，其流程圖如圖4所示。

圖4 A/D中斷處理程序流程

顯示模塊定時(shí)刷新儀表，顯示瞬時(shí)流量值和累積流量值。

系統(tǒng)處理過程為：設(shè)定定時(shí)周期，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，此中斷啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A／D轉(zhuǎn)換器向DSP請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)中斷，DSP響應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器中斷請(qǐng)求，調(diào)用A／D中斷處理模塊，讀取采樣數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于流體是間歇流動(dòng)，所以DSP接收到上、下游信號(hào)的N點(diǎn)數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，判斷流體是否流動(dòng)，如流動(dòng)則調(diào)用計(jì)算程序，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，尋找相關(guān)函數(shù)的峰值，確定渡越時(shí)間T，并根據(jù)儀表參數(shù)、溫度補(bǔ)償，獲得瞬時(shí)流量值和累積流量值，并將結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，供顯示儀表顯示。

在相關(guān)流量測(cè)量中，關(guān)鍵問題之一是相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法，要求能高速、準(zhǔn)確地完成對(duì)大量的隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的采集、相關(guān)積分運(yùn)算和相關(guān)函數(shù)的峰值搜索。相關(guān)函數(shù)的算法主要有極性重合法和零點(diǎn)穿越法兩種。為了提高運(yùn)算速度，本系統(tǒng)采用頻域中的相關(guān)運(yùn)算。輸入的數(shù)據(jù)通過FFT變換后，即可求出頻域中的相關(guān)運(yùn)算。然后通過IFFT可得到時(shí)域中的相關(guān)結(jié)果，可以用來進(jìn)行峰值搜索。

4、結(jié)語(yǔ)

在分析油田單井工況和相關(guān)流量測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種適合單井原油計(jì)量的裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得了較好的效果，其誤差小于2％。但還存在以下幾個(gè)問題：一是信號(hào)的起伏較大，主要是原油中含氣，含雜質(zhì)不定，所以造成了信號(hào)差別大，需要檢測(cè)電路增加AGC電路。二是修正系數(shù)的整定困難，不同的井含水量不同，油液的粘度差別很大，同時(shí)在不同的溫度下，油液的流動(dòng)性差別也很大，所以要在不同的環(huán)境下多次調(diào)整修正系數(shù)，給使用帶來不便。三是在流速較低時(shí)誤差比較大。這些都是今后研究中要加以改進(jìn)的方面。 超聲波流量計(jì)分類及特點(diǎn)

超聲波流量計(jì)一樣通?？煞譃閮纱箢悾毫鱾鲿r(shí)間式超聲波流量計(jì)和多普勒超聲波流量計(jì)。在含有懸浮粒子的活動(dòng)流體中，可以使用聲學(xué)多普勒效應(yīng)丈量多普勒頻移來確定媒質(zhì)流速v，這種方法稱為超聲波多普勒法。

由于現(xiàn)在市場(chǎng)上的超聲息體流量計(jì)產(chǎn)物都是流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)，以是下文將重點(diǎn)論述流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)的原理。當(dāng)超聲波在活動(dòng)的媒質(zhì)中流傳時(shí)，相對(duì)付牢固坐標(biāo)體系，超聲波速率與在靜止媒質(zhì)中的流傳速率有所差別，其變革值與媒質(zhì)流速有關(guān)。因此憑據(jù)超聲波速率的變革量可以求出媒質(zhì)的流速，流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)便是憑據(jù)這一原理計(jì)劃而成的。超聲波流量計(jì)由兩大部門構(gòu)成：丈量變更器部門和電子電路部門。

直圓管段內(nèi)流體的特性由流體的雷諾數(shù)決定，這是個(gè)無綱數(shù)（dimensionless），由流體的流速，管道直徑，流體的密度和動(dòng)態(tài)粘度通過盤算得出。通常環(huán)境下，被測(cè)流體可以分為湍流(turbulent)和層流(laminar)兩種管流狀態(tài)，當(dāng)流速較高或管壁粘性較小時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)受慣性力作用較大，質(zhì)點(diǎn)間相互稠濁呈紊亂無章不規(guī)矩的活動(dòng)稱湍流；流速較低或管壁粘性較大時(shí)，流體的粘性所造成的摩擦力作用較大，流體活動(dòng)的狀態(tài)是膩滑的層狀活動(dòng)，各流層的質(zhì)點(diǎn)互不稠濁且條理明白，這種活動(dòng)稱為層流。湍流狀態(tài)的流速以管道軸線為中央呈對(duì)數(shù)曲線對(duì)稱漫衍，而層流狀態(tài)下游速呈拋物線曲線對(duì)稱漫衍。一樣通常環(huán)境下，當(dāng)雷諾數(shù)Re≥2300時(shí)，可以以為已經(jīng)到達(dá)湍流而雷諾數(shù)較小時(shí)（小于2300）一樣通常為層流。但這種流場(chǎng)特性會(huì)由于管線中存在彎管而擾亂，通常環(huán)境下這種擾亂可以形貌成在流體的管道軸向流速上疊加了一個(gè)和流向成垂直正交干系的稱為渦流的流速分量，渦流的強(qiáng)度取決于流體由于雷同彎管的作用而孕育發(fā)生的擾亂的強(qiáng)度。這種渦流無疑是對(duì)超聲流量計(jì)的精度孕育發(fā)生影響的，從機(jī)器安置的角度思量，可以通過在流量計(jì)前加裝充足長(zhǎng)的直管道辦理。而對(duì)付流量計(jì)計(jì)劃自己，可以通過多通道丈量的方法，部署交織的聲道大概接納反射型的聲道來消除渦流的影響。

任何丈量都存在偏差，流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)的丈量方法，其丈量偏差大抵可以分為以下幾種：

1.被測(cè)介質(zhì)溫度大概濃度的變革引起聲速 值的相應(yīng)變革，聲速的變革孕育發(fā)生的流速丈量偏差稱為純溫度或純濃度偏差。

2.雙通道參數(shù)的不合錯(cuò)誤稱，包羅雙通道換能器參數(shù)如機(jī)器尺寸、電氣特性等的不合錯(cuò)誤稱，被測(cè)介質(zhì)活動(dòng)狀態(tài)的差別等以及電子電路的不合錯(cuò)誤稱。這些因素引起的丈量偏差稱為附加溫度偏差。

3.流速斷面上現(xiàn)實(shí)流速漫衍與抱負(fù)流速漫衍之間的差別等所引起的丈量偏差稱為流速斷面偏差。

純溫度和純濃度偏差是超聲波流量計(jì)的重要固有偏差。如前所述，對(duì)付時(shí)差法，溫度和濃度變革引起的流速丈量相對(duì)偏差為聲速相對(duì)變革的兩倍。

附加溫度偏差一樣通常分為兩類，一類是由換能器參數(shù)不合錯(cuò)誤稱、電路零點(diǎn)漂移等引起的隨機(jī)偏差，另一類是由電路布線和器件不合錯(cuò)誤稱、流速較大時(shí)引起聲束偏移在順流和逆流偏向的差別等等因素引起的體系偏差，前一種可以通過接納單通道和統(tǒng)計(jì)均勻的方法減小，后一種則必要與背面提到的第三類流速斷面偏差一起通過修正系數(shù)k實(shí)測(cè)標(biāo)定的方法同一消除。

流量計(jì)敏捷度的界說是當(dāng)流體流速變革單元量時(shí)，種種方法中所直接丈量的特性量的變革值（特性量便是指時(shí)差法中的 ），敏捷度分別為 。

流量計(jì)的丈量范疇便是流速丈量的上限和下限的起止范疇。原則上講，流速的丈量范疇是從零開始而且沒有上限，但是，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中流量丈量范疇會(huì)受到如許那樣的條件的限定，好比聲束的漂移以及每種方法的特性量所能到達(dá)的最小丈量值等等。

在時(shí)差法中，流速u是特性量 的單值函數(shù)，因此丈量范疇理論上沒有上限，但是丈量范疇的下限卻受到了限定，這重要是對(duì)時(shí)差的丈量決定的。要是一個(gè)別系可以到達(dá)0.01微秒的絕對(duì)精度，要是要包管1％的丈量精度，測(cè)時(shí)下限便是1微秒。當(dāng)超聲波束在管道中反射后由吸收換能器吸收，根據(jù)式(1－2)取 ，D＝50毫米， =340米秒 ,則流速丈量的下限是u=0.578米秒 。要是在此底子上，必要進(jìn)一步進(jìn)步體系的丈量精度，那么可以接納時(shí)間擴(kuò)展法，也便是使超聲波順流和逆流分別發(fā)射多次如N次，再顛末統(tǒng)計(jì)均勻，丈量相對(duì)精度相應(yīng)進(jìn)步 倍。同時(shí)這種方法還可以使流速丈量下限擴(kuò)展到 。從式(1－2)中可以看出敏捷度與直徑D成正比，與媒質(zhì)中聲速 平方成反比。在管道直徑增大和丈量聲速較小的流體時(shí)，敏捷度會(huì)進(jìn)步。

噪聲

通常環(huán)境下，管道上存在振動(dòng)，這些振動(dòng)由泵、減壓閥等引起，這些振動(dòng)發(fā)射超聲噪聲，噪聲頻譜可以延伸至超聲換能器的事情頻率范疇內(nèi)。噪聲的引入可以是流體感到噪聲，大概設(shè)置裝備部署感到噪聲，諸如由減壓閥所發(fā)出的噪聲。后一種范例的滋擾噪聲更為嚴(yán)峻，分外是當(dāng)如許的減壓閥事情于高壓差的時(shí)間，比方高于10或20bar，在這些條件下，所耗散的能量可以相稱大，縱然只有非常少的部門被轉(zhuǎn)換成為聲能，但照舊大概發(fā)出非常大的噪聲。由于信號(hào)和噪聲頻率范疇同等，在信號(hào)被噪聲吞沒的環(huán)境下，流傳時(shí)間就不克不及被有用檢出，流量計(jì)大概不克不及事情。通常的辦理措施一是在流量計(jì)的安置位置上思量，通過加長(zhǎng)管線的方法使流量計(jì)只管即便闊別噪聲源，二是應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處置處罰技能，好比用一些濾波和相干算法。進(jìn)步信噪比是研究怎樣進(jìn)步流量計(jì)性能的重要內(nèi)容。

產(chǎn)業(yè)尺度和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

只管現(xiàn)在公布有AGA N09號(hào)陳訴，ISO公布有TR12765技能文件，我國(guó)也訂定了相應(yīng)的GB/T18604尺度，但從產(chǎn)業(yè)化、尺度化應(yīng)用角度來看，超聲流量計(jì)要得到產(chǎn)業(yè)上的遍及應(yīng)用，還應(yīng)當(dāng)辦理以下四個(gè)方面題目。

- 針對(duì)產(chǎn)業(yè)流場(chǎng)上游側(cè)差別范例阻力件孕育發(fā)生的影響，公道確定不憐憫況下游量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度。

- 操縱壓力、溫度及氣體組分的變革對(duì)流量丈量影響及校正措施。

- 差別雷諾數(shù)速率漫衍剖面修正系數(shù)準(zhǔn)確確定和流量計(jì)主體多少尺寸偏差所帶來對(duì)精度的影響。

- 探頭電氣特性的穩(wěn)固性及探頭的交換性等。

別的，關(guān)于超聲流量計(jì)標(biāo)定還沒有到達(dá)共鳴。從超聲流量計(jì)的布局和丈量原理來看，這種速率型流量儀表可以實(shí)現(xiàn)“干標(biāo)”。這是由于使用現(xiàn)在的丈量技能及本領(lǐng)，流量計(jì)腔體多少尺寸D、聲道長(zhǎng)度L和傳感器間的軸向長(zhǎng)度X是可以得到正確測(cè)定的。要是電子電路和傳感器的性能得到正確丈量，傳感器組件的電氣特性穩(wěn)固并具有可交換性，那么“干標(biāo)”就可得到現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。然而，現(xiàn)在仍沒有充足技能步伐和理論來證明這一點(diǎn)。當(dāng)前，在北美、南美、歐洲，供需兩邊都要求用于商業(yè)計(jì)量的超聲流量計(jì)有充足的丈量精度，基于這一點(diǎn)，可信任的措施照舊要標(biāo)定。

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