CN103063274A - 压电换能器井下液位测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于石油开采作业过程中井下液位的测量设备。为直接利用大功率超声探头，提供一种集信号发生、采集与分析于一体的简易***，本压发明采用的技术方案是，压电换能器井下液位测量仪，包括五个部分：探头、频率可调的正弦信号产生、功率放大、峰值检测以及相位差检测部分；频率可调的信号产生部分产生频率可调的正弦波经过幅值、功率放大后，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头；探头中的压电换能器阻抗发生改变，通过峰值检测部分得到这些变化的电压、电流信号的峰值；通过相位差检测部分检测电压和电流信号的相位差；用其突变来指示套管井液面位置。本发明主要应用于井下液位的测量。

Description

压电换能器井下液位测量仪

技术领域

本发明涉及应用于石油开采作业过程中井下液位的测量设备，具体讲，涉及压电换能器井下液位测量仪。

背景技术

压电换能器在空气中和液体中时，其辐射负载差别很大，即换能器的谐振频率、阻抗值、导纳圆差别明显。用多个压电换能器制作的大功率超声探头常用于油井作业，疏通地层中的堵塞物，提高地层的渗透能力。当这些探头下井时，技术人员希望通过仪器设备既能动态地了解探头所处的深度和地层，又能测量套管井中液面的位置。利用压电换能器在空气和液体中辐射阻抗差别很大的特征，发明了井下液位测量***。

目前，国内许多高校和企业对井深测量进行了大量的研究，也取得了很多成果。例如吉林大学的关济实，在其硕士毕业论文《高精度井温井深测量仪的研制》(2006)中，研制了以ARM嵌入式***为核心的井温-井深测量仪，解决了传统测量中深度偏差较大的问题，提高了测量精度。由压电换能器测量套管井中液面的位置，在国内的研究和产品较少，同时国外的设备则相对昂贵。因此，配合大功率超声波作业，研究一种有效的井下液位测量方法，并设计一种低价、灵敏、便捷的测量***，对判断超声波作业效果将有重大的现实意义。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，直接利用大功率超声探头，在其下井的过程中对井内的液位深度进行测量。提供一种集信号发生、采集与分析于一体的简易***，当探头进入到液面时，***可通过电流表指示出来。为达到上述目的，本压发明采用的技术方案是，压电换能器井下液位测量仪，包括五个部分：探头、频率可调的正弦信号产生、功率放大、峰值检测以及相位差检测部分；频率可调的信号产生部分以集成芯片为核心，产生频率可调的正弦波，频率范围是10Hz～50kHz；该正弦波经过幅值、功率放大后，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头；在探头下井的过程中，当探头从空气进入液面时，探头中的压电换能器阻抗发生改变，探头两端的电压与流过探头的电流信号均发生改变；通过峰值检测部分得到这些变化的电压、电流信号的峰值；通过相位差检测部分检测电压和电流信号的相位差。相位差检测部分以乘法器为核心，经过乘法器以后的输出为直流信号与二倍频信号的叠加，将叠加信号经过RC积分电路处理，即可得到直流信号的相位差，该相位差最终通过电流表输出，用其突变来指示套管井液面位置。

功率放大部分包括前置放大与甲乙类双电源互补对称功率放大两部分，前置放大电路的主要元件为电流反馈放大器，甲乙类双电源互补对称电路主要由三级管Q1、Q2、二极管D2与D3构成，三级管Q1和Q2组成互补输出级，静态时，二极管D2、D3上产生的压降为三级管Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态，当有输入信号时，在信号的正半周，Q1导通，Q2截止；在信号的负半周，Q1截止，Q2导通。

峰值检测电路主要由三部分组成：输入端射极跟随器、RC峰值检测部分以及输出端射极跟随器；输入端射极跟随器、输出端射极跟随器均由运放构成，由同相端接入输入信号，反相端接反馈，输出端射极跟随器运放与地之间并接的电阻、电容构成RC峰值检测部分。

探头是大功率超声探头，是由8个压电换能器制作的，采用并联方式，每个压电换能器由三个压电陶瓷管并联，并且径向上内外均加预应力。

本发明的技术特点及效果：

本发明由频率可调的信号产生部分，功率放大部分，峰值检测部分以及相位差检测部分结构，通过所测量的电压、电流正弦信号的幅度和相位差的变化探测液面位置，具有结构简单、测量准确的特点。

附图说明

图1电路生成的正弦波。

图2(a)探头两端的电压信号，(b)流过探头的电流信号。

图3井下液位测量***电路板。

图4井下液位测量***装置。

图5井下液位测量功能结构图。

图6超声波采油及井下液位测量***工作流程示意图。

图7ICL8038信号发生器主电路。

图8功率放大电路。

图9峰值检测电路。

图10相位差检测电路。

图11积分电路。

图12积分电路充电过程。

具体实施方式

在地面通过电缆给井下探头中的压电换能器发射正弦波，通过测量探头两端的电压峰值和流过探头的电流峰值以及二者的相位差指示探头下井过程中所处的状态，即探头是在液体中还是在空气中。状态改变的位置即为套管井的液位。

本***主要包括四个部分：频率可调的信号产生部分，功率放大部分，峰值检测部分以及相位差检测部分。频率可调的信号产生部分以ICL8038集成芯片为核心，产生频率可调的正弦波，其频率范围是10Hz～50kHz，带宽可覆盖绝大多数压电换能器的工作频率。该正弦波经过功率放大部分后，幅值与功率均被放大，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头。在探头下井的过程中，当探头从空气进入液面时，探头中的压电换能器的负载改变，由于空气的密度及声波速度与液体相差比较大，导致压电换能器的辐射阻抗发生改变，这时探头两端的电压与流过探头的电流信号也相应改变。我们通过峰值检测部分得到电压、电流信号的峰值。同时将具有相位差的电压、电流信号输入液位测量***的相位差检测部分，该部分以AD633乘法器为核心，经过乘法器计算后的输出为直流信号与二倍频信号的叠加信号，将叠加信号经过RC积分电路处理，即可得到为直流信号的相位差，该相位差最终通过电流表来指示，在液面位置，相位差发生突变，从一个数值变化到另外一个数值。

由ICL8038生成的正弦波如图1所示，该正弦波的频率可调，调节范围是10Hz～50kHz，此图的频率为探头的谐振频率(35.285kHz)；正弦波的占空比也可调，此图为50％；此外，该波形的失真度较小，峰峰值为3v。

峰值检测电路输出波形为直流信号，图2(a)为探头两端的电压，图2(b)为流过探头的电流。从结果可知，直流信号大小与交流信号的峰值相等。

大功率超声探头是由8个压电换能器制作的，采用并联方式。每个压电换能器由三个压电陶瓷管并联，并且径向上内外均加预应力。

相位差检测电路输出波形为直流信号，表1给出了4种不同相位情况下相位差的输出。通过对比理论输出大小与实际输出大小，得出相位差误差较小，说明该***的测量准确性较高。

表1 AD633J输出数据统计

图3为井下液位测量***的电路板，该电路主要包括五部分，分别是：信号发生部分，功率放大部分，峰值检测部分，相位差检测部分以及扰动信号放大部分。图4为井下液位测量***装置，该***是在主电路正常工作的前提下，外加了指示电流表、机箱以及开关电源。

下面结合附图对本发明的井下液位测量***及其方法的研究做出详细说明。

本发明是关于井下液位测量***及其方法的研究，一方面，***可以自身产生频率可调的正弦信号，由峰值检测电路与相位差检测电路直接采集探头两端的电压以及流过探头的电流的幅度和相位差，进而通过电流表指示井下的液位情况；另一方面，在电路中添加跳线帽，信号不直接进入峰值检测电路与相位差检测电路，而是由采集卡采集压电换能器两端电压以及流过探头的电流，然后通过峰值检测与相位差检测处理出信号的峰值与相位差，最终，由计算机来显示这些变化，指示探头所处液位的深度。

如图5所示是井下液位测量功能结构图，实现液位测量的方法为：

由ICL8038产生安全、稳定的正弦超声波信号，其频率的可调范围是10Hz～50kHz。在超声波作业前，该信号通过特种电缆加到探头上，探头通过电缆下放到井中，探头到达液位之前，一直处于空气介质中，其辐射阻抗很大，当进入液体时，辐射阻抗变小。由于油井比较深，电缆比较长(通常3000米)，因此，在***中设计了功率放大部分，该部分可将功率放大到原来的10倍以上，功率放大后的信号再通过电缆传输给探头。

如图6所示为大功率超声采油设备及井下液位测量***工作流程图，该***包含了大功率超声采油作业所需的主要设备。本***所采用的大功率超声电源是由STM32单片机产生控制信号，即与压电换能器谐振频率一致的两路间歇式高频信号。这两路信号的相位差为180°，“死区时间”均为3μs，控制大功率超声电源中的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极性晶体管)驱动电路，使驱动信号的频率与压电换能器的谐振频率一致，从而激发压电换能器产生高频振动。这些高频振动的超声波通过套管、水泥环后作用于孔隙地层，巨大的超声能量可降低孔隙地层中的原油粘度，改善流体渗透特性，提高原油流速，增加地层的渗透率，有效解除地层的堵塞，达到提高油井采收率的目的。***中的电缆将大功率超声电信号传输至探头，由于传输的电功率比较大，一般采用特种单芯同轴电缆。***中产生大功率振动能量的压电换能器采用多个压电陶瓷管并联的方式，这些压电管需配对使用，即所采用的压电换能器需有相同或者接近的谐振频率、阻抗与导纳圆，在高频电压的激发下，产生最大幅度的振动，释放最大功率的振动能量。石油套管的作用是巩固井壁防止油井塌陷、隔离油水层。***中的分析显示部分即为图5描述的井下液位测量***，本发明的目的就是实现该部分的功能——采集信号并通过电流表指示井下液位情况。

一、正弦信号的产生

本发明的正弦信号由图7所示电路产生。ICL8038是一种具有精密波形输出的集成芯片，频率可调节范围是10Hz～50kHz，输出波形的频率和占空比可由电容或电阻控制。基本参数主要通过引脚1、引脚4、引脚5、引脚8、引脚10以及引脚12调节。其中，引脚1与引脚12对信号的失真度起控制作用，如图7所示，R₁与WR₁，R₂与WR₂分别调节正弦波的失真度，其中R₁与R₂为10kΩ定值电阻，WR₁与WR₂为100kΩ电位器，调节电位器大小约为82kΩ即可得到失真度较小的信号。引脚4与引脚5对信号的充电时间、占空比起控制作用，如图7所示，R₄与R₅均为3.3kΩ定值电阻，WR₃为1kΩ电位器，由于R₄与R₅的实际阻值并不精确，所以可通过调节WR₃来改善信号的占空比。与引脚5相连的R₃为15MΩ大电阻，该电阻有助于减小占空比的波动。引脚8与引脚10对信号的频率起控制作用，其中引脚8对频率起粗调作用，改变电位器WR₄的阻值即可调节频率，此处的电容C₁为稳压电容。此外，调节WR₄改变电源+Vcc与管脚8之间的输入电压，使得最高频率与最低频率之比能达到f_n/f_l＝1000∶1；二极管D在对电路中的作用是降低芯片输入电压，使其低于端口8的电压。引脚10对信号的频率起细调作用，此时频率与电容C₂有关，C₂大小影响充放电时间。

(1)充电电流

I₁大小由R₄与WR₃确定，I₂大小由R₅与WR₃确定，为便于计算，假设R₄与WR₃串联得到的电阻为R_A，R₅与WR₃串联得到的电阻为R_B。则I₁与I₂的计算方法如下：

$I_1=\frac{R_a}{R_a+R_b}\×\frac{(V_{+}-V_{-})}{R_A}=0.22\frac{(V_{+}-V_{-})}{R_A}=0.44\frac{\mathrm{Vcc}}{R_A}---\left(1\right)$

$I_2=\frac{2R_a}{R_a+R_b}\×\frac{(V_{+}-V_{-})}{R_B}-\frac{R_a}{R_a+R_b}\×\frac{(V_{+}-V_{-})}{R_A}=0.88\frac{\mathrm{Vcc}}{R_B}-0.44\frac{\mathrm{Vcc}}{R_A}---\left(2\right)$

其中R_a，R_b为芯片的内嵌电阻，其大小分别为11kΩ，39kΩ；V+＝Vcc，V-＝-Vcc。

(2)上升时间t₁与下降时间t₂

$t_1=\frac{C\×V}{I_1}=\frac{C\×\frac{2}{3}\mathrm{Vcc}}{0.44\frac{\mathrm{Vcc}}{R_A}}=\frac{R_A\×C}{0.66}---\left(3\right)$

$t_2=\frac{C\×V}{I_2}=\frac{C\×\frac{2}{3}\mathrm{Vcc}}{0.88\frac{\mathrm{Vcc}}{R_B}-0.44\frac{\mathrm{Vcc}}{R_A}}=\frac{R_A\×R_B\×C}{0.66(2R_A-R_B)}---\left(4\right)$

占空比 $D=\frac{t_1}{t_1+t_2}=(1-\frac{R_B}{2R_A})\×100\%,---\left(5\right)$

所以，由以上分析可知，当R_A＝R_B时，占空比为50％。

(3)频率f

$f=\frac{1}{t_1+t_2}=\frac{1}{\frac{R_A\×C}{0.66}(1+\frac{R_B}{2R_A-R_B})}=\frac{0.33(2R_A-R_B)}{{R_A}^2\×C}---\left(6\right)$

同理，当R_A＝R_B时，频率

二、信号的功率放大

本发明的功率放大电路如图8所示。该电路包括前置放大与甲乙类双电源互补对称功率放大两部分。前置放大部分可提高正弦信号的幅度并保持信号的稳定，功率放大部分可提高电源的带负载能力，使信号能传送到探头不至于被电缆完全吸收。前置放大电路的主要元件为AD810AN电流反馈放大器，图8中U2的引脚3处为前置放大电路的输入信号，该信号是由图7中信号发生器ICL8038产生的正弦信号SIN，调节电位器WR5，可改变信号的输出幅度。经过运放AD810AN放大后，U2的引脚6输出电压幅度最高可高达+VCC_1。甲乙类双电源互补对称电路主要由Q1、Q2、D2与D3等元器件构成，与乙类双电源互补对称电路相比，该电路可有效克服交越失真现象。由图8可知，Q1和Q2组成互补输出级，静态时，D2、D3上产生的压降为Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。当有输入信号时，在信号的正半周，Q1导通，Q2截止；在信号的负半周，Q1截止，Q2导通，如此便可放大SIN信号的功率。电路图8中，三极管Q1与Q2的型号分别为2N3904与2N3906，二者可承受的额定电流为200mA，能有效地提高信号的输出功率，增强电路的带负载能力。

三、峰值检测

本发明的峰值检测电路如图9所示。该电路主要由三部分组成：输入端射极跟随器、RC峰值检测部分以及输出端射极跟随器。其中，射极跟随器输入阻抗Ri→∞，输出阻抗Ro→0，对信号能起到很好的缓冲作用，可作为隔离级。图9中的U_in信号为探头两端的电压信号，其采集方式有两种：(1)当信号的功率较低时，直接将信号作为峰值检测电路的输入信号；(2)当信号的功率超过运算放大器的额定功率时，可通过采集卡采集后再输入电路。采集到的电压信号从运算放大器U3A的引脚3输入，根据运放的虚短法则，U3A的引脚2与引脚3具有同样幅值与相位的信号；U3B是电压跟随器，U3B的引脚6与引脚7的电压幅值与电容C9、R12上的相同。D4、D5、C9、R11与R12依据半波整流原理构成峰值检测部分。当输入电压U_in大于输出电压Peak_Uout时，电阻R11上将产生压降，电流从电阻R11的左边流向右边。根据运放的虚断法则，U3A的引脚2不能提供电流，并且D4因反偏而不导通。因此，为了维持平衡只有提升R11右端的电压(即是电容C9的电压)，充电电流从U3A的引脚1经过D5进入C9与R12。当输入电压U_in小于输出电压Peak_Uout时，电阻R11上将产生压降，电流从电阻R11的右边流向左边。同理，根据运放的虚断法则，U3A的引脚2不能提供电流，电流只能经过D4进入U3A。由于电压跟随器U3A输出电压与电容C9上的电压相同，二极管D5截止，电容不能通过D5放电，电压得到保护。电容C9有一个放电电阻R12，组成RC电路，放电时间常数τ＝RC，计算得100ms，10S后如果没有脉冲过来则放电到电压0V。得到的直流信号可输入电流表，通过表针指示电压的大小及其变化。

流过探头的电流信号的采集方法与峰值检测原理，与探头两端的电压相似，故不再叙述。

四、相位差检测

本发明的相位差检测电路如图10所示。AD633模拟乘法器包含两路差分输入X和Y，高阻抗的求和输入Z。根据AD633的芯片手册可知，输出W可表示为：

$W=\frac{(X_1-X_2)(Y_1-Y_2)}{10V}+Z---\left(8\right)$

如图10所示，本部分以AD633模拟乘法器为核心元件，芯片的供电电源为±12V，芯片的引脚5与引脚8分别对应正电压与负电压。X₁、Y₁两个引脚端分别接两路频率相同，相位差为θ的交流信号；X₂、Y₂、Z引脚接地。设压电换能器两端的电压信号为图10中的U_in，为便于理解令U_in＝U₁，此时U₁＝a cos ωt；流过换能器的电流信号为图10中的I_in，为便于理解令I_in＝U₂，此时U₂＝bcos(ωt+θ)。分别调节滑动变阻器WR6与WR7，U_in与I_in信号可通过运算放大器U5放大，此时U5的引脚1与引脚7分别输出U_A＝Acosωt，U_B＝Bcos(ωt+θ)。将U_A输入U6(模拟乘法器AD633)的引脚1，U_B输入U6的引脚3，从U6的引脚7输出为乘法信号：

$W=\frac{(X_1-X_2)(Y_1-Y_2)}{10}+Z=\frac{A\cos \mathrm{\ωt}\·B\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})}{10}---\left(9\right)$

$=\frac{\mathrm{AB}\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})}{20}+\frac{\mathrm{AB}\cos \mathrm{\θ}}{20}---\left(10\right)$

从公式10可知，乘法器的输出信号为直流信号与二倍频信号的叠加信号，为了能由电流表指示相位差信号，我们希望将二倍频信号处理后得到直流信号。所以，将叠加信号经过RC构成的积分电路处理，如图11所示，只要该积分器的参数选择合适，就可以将含有二倍频信号的叠加信号变为直流信号。此直流信号由U7的引脚11输出。

RC积分电路的充电过程如图12所示，图11积分电路中的电阻R为1.5kΩ，电容C为22μF和0.1μF并联，所以，

τ＝R(C₁+C₂)＝1.5×10³(22×10^-6+0.1×10^-6)≈33ms

U_i的频率一般在10kHz～40kHz，所以τ远大于U_i的周期，所以，乘法器输出的叠加信号经过积分电路处理后，就可以得到直流信号，即直流相位差信号，其大小为：

$W=\frac{\mathrm{AB}\cos \mathrm{\θ}}{10}---\left(11\right)$

当电压和电流同相，即θ＝0°时，则直流信号最大，为当电压相位超前电流相位，即θ＞0°时，输出为正；当电压相位超前电流相位，即θ＜0°时，输出仍为正；当电压和电流相位差为90°时，直流信号为最小值0V。由公式11可知，输出信号随着相位差增大而逐渐减小。当输出信号过小而不足以驱动电流表指针摆动时，使经过RC积分电路处理后的输出信号再经过增益可调的运算放大器U7B，则输出信号可在0v～5v的范围内进行调节，从而具有足够的功率驱动直流电流表的指针摆动，进而定性的判断相位差的大小以及液位变化趋势。

两个电流表分别指示电流的峰值和相位差，两者之间没有内在关系，指示的是两个不同的值，这两个值都是独立的测量量，分别所测量的电流和相位差变化，电流主要反应探头电阻抗的模的变化，相位差反应阻抗的虚部的变化，两个均是定性的判断液面位置。

Claims (4)

1.一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，包括五个部分：探头、频率可调的正弦信号产生、功率放大、峰值检测以及相位差检测部分；频率可调的信号产生部分以集成芯片为核心，产生频率可调的正弦波，频率范围是10Hz～50kHz；该正弦波经过幅值、功率放大后，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头；在探头下井的过程中，当探头从空气进入液面时，探头中的压电换能器阻抗发生改变，探头两端的电压与流过探头的电流信号均发生改变；通过峰值检测部分得到这些变化的电压、电流信号的峰值；通过相位差检测部分检测电压和电流信号的相位差；相位差检测部分以乘法器为核心，经过乘法器以后的输出为直流信号与二倍频信号的叠加，将叠加信号经过RC积分电路处理，即可得到直流信号的相位差，该相位差最终通过电流表输出，用其突变来指示套管井液面位置。

2.如权利要求1所述的一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，功率放大部分包括前置放大与甲乙类双电源互补对称功率放大两部分，前置放大电路的主要元件为电流反馈放大器，甲乙类双电源互补对称电路主要由三级管Q1、Q2、二极管D2与D3构成，三级管Q1和Q2组成互补输出级，静态时，二极管D2、D3上产生的压降为三级管Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态，当有输入信号时，在信号的正半周，Q1导通，Q2截止；在信号的负半周，Q1截止，Q2导通。

3.如权利要求1所述的一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，峰值检测电路主要由三部分组成：输入端射极跟随器、RC峰值检测部分以及输出端射极跟随器；输入端射极跟随器、输出端射极跟随器均由运放构成，由同相端接入输入信号，反相端接反馈，输出端射极跟随器运放与地之间并接的电阻、电容构成RC峰值检测部分。

4.如权利要求1所述的一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，探头是大功率超声探头，是由8个压电换能器制作的，采用并联方式，每个压电换能器由三个压电陶瓷管并联，并且径向上内外均加预应力。

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