井下超声波流量计误差分析

　　前　　言

　　井下超声波流量计具有结构简单,安装、使用和维护方便等优点,目前广泛应用于水井测试工作中,但在个别井的测试中,流量计的测量结果误差与实际偏差较大,因此有必要对井下超声波流量计的误差来源作进一步研究。

　　工作原理

　　声波在流体中传播,顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小,同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速,称之传播时间法。按测量具体参数不同,分为时差法、相位差法和频差法[1]。现以时差法阐明工作原理。

　　在流体中发射一定频率的超声波,传播相同距离时,顺流与逆流之间存在相位差,此差值与流体流速成正比,若管径D固定,则通过相位差可测出流量,如图1所示。

　　其数学关系如下:设超声波在流体中的传播速度为C,流体的流动速度为V,声波发射探头与接收探头之间的距离为L。则：

　　由此可见,流体的流速与超声波在流体中传播的顺流和逆流的时间差成正比。所以,流体的流量就可表示为：

　　只要能精确测量出超声波在顺流和逆流传播时产生的时间差,就可计算出相应的流速,进而得到相应的流量[2]。

　　误差来源

　　1.系统误差

　　在吉林油田应用的超声流量计的量程为150m3/d,标称误差是1.5%,也就是说,一支仪器的测量误差在-2.25~2.25 m3/d之间,如果仪器在检定时的结果超过这个范围,就应该重新标定该仪器。而对于一支合格的仪器,根据误差的正态分布理论,它的精度在0.5%~1.0%区间的概率是最高的,所以,理论上仪器的测量误差范围为±0.75~±1.5m3/d之间。超声波的工作原理是时差法(相位差法),时间差(相位差)越小,流量计的流量也越小,流量计的时间差是μs级的,越小的流量测量的误差也就越大,所以仪器的误差下限应该是比±0.75 m3/d略高的。

　　另外,计量间水表也存在误差,水表误差和流量计误差累积,也会使测试水量的误差加大。

　　2.介质的影响

　　超声流量计是在室内的流量标定系统(简称流标)中标定和检定的,流标采用的介质是清水,而在实际中,流量计的工作介质并非纯净的清水,在井筒内,水中含有大量的油污、铁屑、气泡等杂质,这些杂质的存在会对超声波的传播发生散射,影响超声波的直线传播,由于标定时和工作时的工作介质的差别,从而会影响到仪器的测量精度。而且,声信号可能由于碎片的多路反射而失真。如果接收机不能保证识别每一个输入脉冲的同一点,对流量计精度将产生最严重的影响。