雙頻超聲波流量測試儀的製作方法
2023-11-01 03:51:12 1
雙頻超聲波流量測試儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種雙頻超聲波流量測試儀。其包括：聲波導裝置，包括超聲波發射端和超聲波接收端，所述超聲波發射端用於發射第一頻率超聲波和第二頻率超聲波，所述超聲波接收端用於分別接收由流體中的顆粒反射回的對應第一反射波和第二反射波以分別轉換為第一反射波電信號和第二反射波電信號；數據處理單元，與所述聲波導裝置連接，用於接收所述第一反射波電信號和第二反射波電信號，以獲取所述流體的流速。本實用新型的有益效果為：採用這種雙頻超聲波流量測試儀能夠準確測試測井內油、氣或者水的流量，為石油的勘探或者鑽井施工提供準確的參考。
【專利說明】雙頻超聲波流量測試儀
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於流量檢測【技術領域】，具體涉及一種雙頻超聲波流量測試儀。
【背景技術】
[0002]隨著超聲波技術的不斷發展，超聲波流量計技術得到快速的發展。但是，我國對於超聲波流量計技術的研宄起步較晚，並且發展速度和研宄水平仍然落後於國際水平。
[0003]超聲波流量計的測量原理是以物理學中的都卜勒效應為基礎。具體為:當聲源和觀察者之間存在相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同於聲源所發出的頻率。這是由於相對運動而產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。另外，超聲波都卜勒流量測量的一個必要條件是:被測流體中含有一定數量的固體粒子或氣泡，這些固體粒子或者氣泡能夠反射聲波。
[0004]但是，在石油勘探、鑽井【技術領域】應用上述超聲波流量計時，並不能夠準確地測量井內流體的流量，由此影響石油勘探或者鑽井的工程進度，嚴重的情況下，給油氣的開發帶來危險。因此，需要一種雙頻超聲波流量測試儀，以解決現有技術中存在的上述技術問題。
實用新型內容
[0005]為了解決現有技術存在的上述問題，本實用新型提供了一種雙頻超聲波流量測試儀。採用這種雙頻超聲波流量測試儀能夠準確測試測井內油、氣或者水的流量，為石油的勘探或者鑽井施工提供準確的參考。
[0006]本實用新型所採用的技術方案為:
[0007]一種雙頻超聲波流量測試儀，其包括:聲波導裝置，用於設置於測井內，包括超聲波發射端和超聲波接收端，所述超聲波發射端用於發射第一頻率超聲波和第二頻率超聲波，所述超聲波接收端用於分別接收對應地由流體中的顆粒反射回的第一反射波和第二反射波以分別轉換為第一反射波電信號和第二反射波電信號；數據處理單元，與所述聲波導裝置連接，用於接收所述第一反射波電信號和第二反射波電信號，以獲取所述流體的流速。
[0008]優選地，所述數據處理單元包括單片機和DSP處理器，所述超聲波發射端和所述超聲波接收端分別連接於所述DSP處理器，所述DSP處理器連接於所述單片機。
[0009]優選地，所述超聲波發射端和所述DSP處理器之間設置有DDS晶片和功率放大電路，所述DDS晶片連接於所述DSP處理器，所述功率放大電路設置於所述DDS晶片和所述超聲波發射端之間。
[0010]優選地，所述超聲波接收端和所述DSP處理器之間設置有濾波放大電路，所述濾波放大電路包括順次連接的前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器和低通濾波器，所述前置放大電路連接於所述超聲波接收端，所述低通濾波器連接於所述DSP處理器，其中所述混頻器還連接於所述功率放大電路。
[0011]優選地，所述功率放大電路包括放大器(UO)、NPN型三極體(Ql)、PNP型三極體(Q2)、二極體(D1、D2)、電容(Cl)、電阻(R1、R2、R3以及R4)以及變壓器(Tl)，所述電阻(R3)連接於所述放大器(UO)的第一輸入端，所述電容(Cl)和所述PNP型三極體(Q2)的基極依次串聯至所述放大器(UO)的第一輸出端，所述電阻(R4)的兩端分別連接所述放大器(UO)的第一輸入端和第一輸出端，所述NPN型三極體(Ql)的發射極連接於所述PNP型三極體(Q2)的集電極，所述電阻(Rl)、所述二極體(Dl)、所述二極體(D2)和所述電阻(R2)串聯後與所述NPN型三極體(Ql)和所述PNP型三極體(Q2)並聯，所述變壓器(Tl)的輸出端連接至所述NPN型三極體(Ql)和所述PNP型三極體(Q2)之間。
[0012]優選地，所述單片機的型號為AT89C51ID2，所述DSP處理器為TMS320F2812數位訊號處理器，和/或所述DDC晶片為AD9850直接頻率合成器。
[0013]優選地，所述聲波導裝置包括圓柱體段和圓錐段，所述圓錐段設置於所述圓柱體段的一端，所述圓柱體段構造為中空的管段，所述圓柱體段的側壁上設置有環狀透聲孔，所述圓柱體段的內部設置有垂直於所述圓柱體段軸線方向的安裝隔板，所述超聲波接收端設置於所述安裝隔板的中心處，所述超聲波發射端設置於所述超聲波接收端的周緣。
[0014]優選地，超聲波發射端包括第一頻率超聲波發射端和第二頻率超聲波發射端，所述第一頻率超聲波發射端設置於所述超聲波接收端的周緣，所述第二頻率超聲波發射端設置於所述第一頻率超聲波發射端的周緣，其中所述第一頻率超聲波發射端和所述第二超聲波發射端之間以及所述第一頻率超聲波發射端和所述超聲波接收端之間分別設置有隔聲套。
[0015]優選地，所述超聲波發射端為超聲波換能器，所述超聲波換能器採用連續正弦波激勵。
[0016]優選地，所述超聲波接收端為壓電薄膜超聲波接收器。
[0017]本實用新型的有益效果為:由於超聲波射入到流體中，碰到流體中的顆粒反射後就載有流體流速的信息，而通過接收到的反射波信號可以測量流體的流速和流量。作為優選地，本實用新型的雙頻超聲波流量測試儀採用兩組不同頻率而相互獨立的超聲波，來識別和排除錯誤信號，有效地去除噪聲信號，並且將準確識別出的都卜勒信號放大，由此準確獲取流體流速，為石油鑽井或者勘探施工提供準確參考。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是根據本實用新型的一個優選實施例的雙頻超聲波流量測試儀的方框圖；
[0019]圖2是圖1所示雙頻超聲波流量測試儀的功率放大電路的原理圖；
[0020]圖3是圖1所示雙頻超聲波流量測試儀的濾波放大電路的原理圖；
[0021]圖4是圖1所示雙頻超聲波流量測試儀的聲波導裝置的剖面圖。
[0022]圖中:1、圓柱體段；2、圓錐段；3、安裝隔板；4、第一頻率超聲波發射端；5、超聲波接收端；6、第二頻率超聲波發射端；7、透聲孔；8、擋板。
【具體實施方式】
[0023]本實用新型提供的雙頻超聲波流量測試儀包括聲波導裝置和數據處理單元。下面將詳細地描述本實用新型的雙頻超聲波流量測試儀及其各個部分。
[0024]如圖4所示，聲波導裝置可以放置在測井內用來發送超聲波信號的同時還接收反射回來的帶有流速信息的反射波波信號。聲波導裝置包括超聲波發射端和超聲波接收端，超聲波發射端可以分別發射第一頻率超聲波和第二頻率超聲波。而超聲波接收端可以分別接收對應地由流體中的顆粒反射回的第一反射波和第二反射波，並且超聲波接收端分別將第一反射波和第二發射波對應地轉換為第一反射波電信號和第二反射波電信號，用於數據處理單元後續的信號處理。這種雙頻超聲波合併後能夠有效去除多餘雜波，獲取真實信息，利於獲取流體的真正流速和流量信息。
[0025]數據處理單元與聲波導裝置連接，可以接收第一反射波電信號和第二反射波電信號，通過處理後可以獲取流體的流速。作為優選的實施例，如圖1所示，數據處理單元包括單片機和DSP處理器，超聲波發射端和超聲波接收端分別連接於DSP處理器，DSP處理器連接於單片機。DSP處理器可以將單片機發送過來的電信號進行數/模轉換後由超聲波發射端發出超聲波，而DSP處理器可以將超聲波接收端接收的反射波電信號進行模/數轉換後由單片機進行相應的數據處理，以獲取流體流速等的相關信息。進一步地，單片機的型號為AT89C51ID2，DSP處理器為TMS320F2812數位訊號處理器。TMS320F2812數位訊號處理器是TI公司最新推出的32位定點DSP處理器，是目前控制領域最先進的處理器之一，其頻率高達150MHz，極大地提高了控制系統的控制精度和晶片處理能力。本實用新型以TMS320F2812為核心，對採樣數據進行加窗處理、FFT變化求其功率譜、功率譜的延伸、疊加等處理得到都卜勒頻偏值，由此獲得流速，並且將流速信息通過SPI協議發送給單片機。通常情況下，TMS320F2812數位訊號處理器採用3.3V和1.8V雙電源供電，由複雜可編程邏輯器件CPLD提供各種控制信號，如讀、寫和復位等。TMS320F2812數位訊號處理器分別通過SPISIMO埠、SPIS0MI埠、SPICLK埠和SPISTE埠與單片機連接，來實現流體流速信息的發送。
[0026]優選地，超聲波發射端和DSP處理器之間設置有DDS晶片和功率放大電路，DDS晶片連接於DSP處理器，功率放大電路設置於DDS晶片和超聲波發射端之間。優選地，DDC晶片為AD9850直接頻率合成器。進一步地，超聲波發射端為超聲波換能器，超聲波換能器採用連續正弦波激勵。由於超聲波的頻移反映了流速信息，準確測量頻移是確保測量精度的關鍵。其中，愈少在頻譜中引入幹擾分量愈好，因此我們需要源信號有較高的純度。一般的正弦振蕩電路會有很多諧波分量，而且頻率漂移較大，頻率一旦調節好了不易修改，導致系統適應不同頻率的超聲波發射端的靈活性減低。但是DDS晶片可以解決這些問題。DDS晶片可以把數字量信號通過DAC轉換成模擬量信號，是目前使用最廣泛的利用高速存儲器作查尋表，然後通過DAC產生以數字形式存入的正弦波。優選DDS晶片是AD9850直接頻率合成器，該晶片最高可支持125MHz時鐘頻率，32位頻率調節字可用並行或串行方式裝入。其中，是8D數據的74HC574鎖存器可將寫入的數據保存在輸出端，直到下次時鐘到來。AD9850直接頻率合成器的W-CLK端、FQ-UD端和RESET端分別通過74HC574鎖存器連在DSP處理器的輸入埠 GP10A。
[0027]由於流體中存在較多的顆粒，由此導致超聲波的衰減較大，發射信號要有一定功率，因此功率放大不可少。由於超聲波的頻率較高，可以選用功率電晶體和放大電路的組合，如圖2所示。DOS-1N端接DDS晶片的輸出埠，變壓器Tl的輸出端接超聲波發射端。其中，功率放大電路包括放大器UO、NPN型三極體Q1、PNP型三極體Q2、二極體D1、D2、電容Cl、電阻R1、R2、R3以及R4以及變壓器Tl，電阻R3連接於放大器UO的第一輸入端，電容Cl和PNP型三極體Q2的基極依次串聯至放大器UO的第一輸出端，電阻R4的兩端分別連接放大器UO的第一輸入端和第一輸出端，NPN型三極體Ql的發射極連接於PNP型三極體Q2的集電極，電阻R1、二極體Dl、二極體D2和電阻R2串聯後與NPN型三極體Ql和PNP型三極體Q2並聯，變壓器Tl的輸出端連接至NPN型三極體Ql和PNP型三極體Q2之間。
[0028]作為優選的實施例，如圖1所示，超聲波接收端和DSP處理器之間設置有濾波放大電路，濾波放大電路包括順次連接的前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器和低通濾波器，前置放大電路連接於超聲波接收端，低通濾波器連接於DSP處理器，其中混頻器還連接於功率放大電路。混頻器連接於功率放大電路的目的是採集功率放大後的原始的超聲波發射電信號，以用於後續與超聲波接收端接收到的反射波電信號作比較。進一步地，超聲波接收端為壓電薄膜超聲波接收器。由此通過壓電薄膜超聲波接收器可以將接收的第一反射波和第二反射波分別對應地轉換為第一發射波電信號和第二反射波電信號以用於後續的處理。如圖3所示為濾波放大電路的一個優選實施例，其中，濾波放大電路包括選頻放大器U1、運算放大器U2、U3以及U6、CMOS模擬復用器/解復用器U5、反相器U4。例如選頻放大器Ul可以採用MC1350型號，運算放大器U2、U3以及U6可以採用TLE2072型號，CMOS模擬復用器/解復用器U5可以採用⑶4053型號，反相器U4可以採用54LS04型號。圖中可以看出這些晶片分別與其它部件連接實現了對應的前置放大電路、帶通濾波放大器、混頻器和低通濾波器。
[0029]作為一個優選的實施例，如圖4所示，聲波導裝置包括圓柱體段I和圓錐段2，圓錐段2設置在圓柱體段I的一端，圓柱體段I構造為中空的管段，圓柱體段I的側壁上設置有環狀的透聲孔7，圓柱體段I的內部設置有垂直於圓柱體段軸線方向的安裝隔板3，超聲波接收端5設置於安裝隔板3的中心處，超聲波發射端設置於超聲波接收端5的周緣。進一步地，如圖所示，超聲波發射端包括第一頻率超聲波發射端4和第二頻率超聲波發射端6，第一頻率超聲波發射端4設置於超聲波接收端5的周緣，第二頻率超聲波發射端6設置於第一頻率超聲波發射端4的周緣，其中第一頻率超聲波發射端4和第二超聲波發射端6之間以及第一頻率超聲波發射端4和超聲波接收端5之間分別設置有隔聲套。由此避免超聲波接收端5、第一頻率超聲波發射端4和第二頻率超聲波發射端6之間的振動幹擾。
[0030]超聲波的收發工作流程大體為:第一頻率超聲波發射端4和第二頻率超聲波發射端6分別對應地發射第一頻率超聲波和第二頻率超聲波，第一頻率超聲波和第二頻率超聲波分別通過圓錐段2發射出去，發射出去的第一頻率超聲波和第二頻率超聲波射入被測流體中，在碰到流體中的顆粒或者油氣泡時發生反射後對應地形成第一反射波和第二反射波，第一反射波和第二反射波在擴散過程中通過圓柱體段I上的透聲孔7進入圓柱體段I內，從而超聲波接收端5分別獲取到該載有流體流速信息的第一反射波和第二反射波，最後通過換能器分別將第一反射波和第二反射波轉換為相應的第一反射波電信號和第二反射波電信號，後續可以對這兩路超聲波電信號進行相應的處理，從而獲取相應的流體的流速和流量信息。
[0031]本實用新型不局限於上述最佳實施方式，任何人在本實用新型的啟示下都可得出其他各種形式的產品，但不論在其形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技術方案，均落在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，包括: 聲波導裝置，包括超聲波發射端和超聲波接收端，所述超聲波發射端用於發射第一頻率超聲波和第二頻率超聲波，所述超聲波接收端用於分別接收對應地由流體中的顆粒反射回的第一反射波和第二反射波以分別轉換為第一反射波電信號和第二反射波電信號； 數據處理單元，與所述聲波導裝置連接，用於接收所述第一反射波電信號和第二反射波電信號，以獲取所述流體的流速。
2.根據權利要求1所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述數據處理單元包括單片機和DSP處理器，所述超聲波發射端和所述超聲波接收端分別連接於所述DSP處理器，所述DSP處理器連接於所述單片機。
3.根據權利要求2所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述超聲波發射端和所述DSP處理器之間設置有DDS晶片和功率放大電路，所述DDS晶片連接於所述DSP處理器，所述功率放大電路設置於所述DDS晶片和所述超聲波發射端之間。
4.根據權利要求3所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述超聲波接收端和所述DSP處理器之間設置有濾波放大電路，所述濾波放大電路包括順次連接的前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器和低通濾波器，所述前置放大電路連接於所述超聲波接收端，所述低通濾波器連接於所述DSP處理器，其中所述混頻器還連接於所述功率放大電路。
5.根據權利要求3或4所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述功率放大電路包括放大器(UO)、NPN型三極體(Ql)、PNP型三極體(Q2)、二極體(D1、D2)、電容(Cl)、電阻(R1、R2、R3以及R4)以及變壓器(Tl)，所述電阻(R3)連接於所述放大器(UO)的第一輸入端，所述電容(Cl)和所述PNP型三極體(Q2)的基極依次串聯至所述放大器(UO)的第一輸出端，所述電阻(R4)的兩端分別連接所述放大器(UO)的第一輸入端和第一輸出端，所述NPN型三極體(Ql)的發射極連接於所述PNP型三極體(Q2)的集電極，所述電阻(Rl)、所述二極體(Dl)、所述二極體(D2)和所述電阻(R2)串聯後與所述NPN型三極體(Ql)和所述PNP型三極體(Q2)並聯，所述變壓器(Tl)的輸出端連接至所述NPN型三極體(Ql)和所述PNP型三極體(Q2)之間。
6.根據權利要求3所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述單片機的型號為AT89C51ID2，所述DSP處理器為TMS320F2812數位訊號處理器，和/或所述DDC晶片為AD9850直接頻率合成器。
7.根據權利要求1所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述聲波導裝置包括圓柱體段和圓錐段，所述圓錐段設置於所述圓柱體段的一端，所述圓柱體段構造為中空的管段，所述圓柱體段的側壁上設置有環狀透聲孔，所述圓柱體段的內部設置有垂直於所述圓柱體段軸線方向的安裝隔板，所述超聲波接收端設置於所述安裝隔板的中心處，所述超聲波發射端設置於所述超聲波接收端的周緣。
8.根據權利要求7所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，超聲波發射端包括第一頻率超聲波發射端和第二頻率超聲波發射端，所述第一頻率超聲波發射端設置於所述超聲波接收端的周緣，所述第二頻率超聲波發射端設置於所述第一頻率超聲波發射端的周緣，其中所述第一頻率超聲波發射端和所述第二頻率超聲波發射端之間以及所述第一頻率超聲波發射端和所述超聲波接收端之間分別設置有隔聲套。
9.根據權利要求7或8所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述超聲波發射端為超聲波換能器，所述超聲波換能器採用連續正弦波激勵。
10.根據權利要求7或8所述的雙頻超聲波流量測試儀，其特徵在於，所述超聲波接收端為壓電薄膜超聲波接收器。
【文檔編號】G01F1/66GK204255419SQ201420646095
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】劉中敏 申請人:南陽市天達同興石油技術有限公司