基于超声多普勒的井下多相流量测量控制系统

　　0 引言

　　超声波多普勒流量计是利用声波在流体中传播的多普勒效应研制成的流量测试装置，不接触被测流体，不干扰流体的流动，无压力损失，维修方便，特别适用于有毒，有害，有腐蚀性和带有磨料的液体。该装置分辨率高，对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等因素不敏感，没有零点漂移问题。因此，该流量控制系统是测量流型复杂的油、气、水三相流的有效手段，实现了非接触实时在线测量，很好地解决了井下三相流量测量问题。采用高性能的 DSP 处理器作为超声波多普勒流量计的核心测量控制器，辅以数字信号处理技术，使超声波多普勒流量计的测量精度得到大幅度的提高。

　　1 超声波多普勒流量测量原理

　　当信号源发射的超声波信号被一个与之存在相对运动的物体反射时，反射信号的频率出现差异，这种现象称为多普勒效应[1]。当超声多普勒流量计的发射换能器以一定的角度向油管中的流体发射频率为 f1的连续超声波时，设收到的超声波频率为 f2，超声波在被测流体中的传播速度为 c，管道中的颗粒或气泡随流体以速度 u 运动，超声波束与流体流向之间夹角为 θ，如图 1 所示，则多普勒频移 f为：

　　事实上，接收换能器所接收的信号是所有反射粒子的多普勒频移的平均值f。在实际管道中，任意截面上流体的流速分布是不均匀的，都具有速度梯度，从而造成多普勒频移 f 不能正确反映平均流速所代表的流量值，将带来流量测量误差。为此，流量公式中引入流速修正系数 K，以补偿上述原因所带来的测量误差[2-5]。多普勒超声波流量计的实用流量公式为 ：

　　由流量方程(4)可知，知道超声波在被测流体中的传播速度为 c、管道横截面积 s、超声波束与流体流向之间夹角 θ、超声波发射频率 f1及流速修正系数 K，测量出多普勒频移 f，就可以计算得到流体体积流量 Q。

2 超声波多普勒流量计硬件设计

　　超声波多普勒流量计的硬件结构设计可分为两大部分 ：超声波发射、接收探头及调理电路的设计和数字系统的设计。探头用来完成超声波的发射和接收功能。接收到的超声波经带通滤波解调放大后，通过低通放大调理电路，输出含有流速信息的低频模拟信号，提供给后续的数字系统进行处理 ;数字系统部分是以 TMS32OF28335DSP 为核心器件，辅以其他外围电路[6]。数字系统部分是整个仪表的核心，负责整个仪表的控制和数字信号的处理.

    　2.1 井下超声波多普勒流量测量硬件方案