基于电容式电磁流量计的石油流量测量系统的研制

摘要

石油钻采的流量计量对于准确掌握石油的开采量至关重要，对于富油井而言，采用传统的涡轮式流量计量是可行的;但对于像大庆、胜利、辽河、克拉玛依等开发时间较长、出油率较低的贫油田，采用基于传统涡轮式的石油流量计量是难以满足要求的。为解决这一问题，本研究探索开发了一种新型、稳定、可靠的专用于石油井下的流量测量系统。该测量系统是一种基于法拉第电磁感应定律原理的流量计量系统，其基本思想是把液体（石油）的流速线性地转化为感应电动势，即电信号输出，再通过标定就可以把实际的液体流量计量出来。整个系统分为地面仪器和井下仪器两个部分，两部分的有机结合，实现流量信号的拾取、传输、处理及显示。
　　井下仪器部分是由井下仪器传感器、信号转换电路、激磁频率与激磁电路等组成。传感器由原来的电极式传感器改进为电容式，其基本原理是首先在测量管管壁的两侧嵌入两个大电极，通过两侧的大电极与流体之间构成电容来耦合流量信号的，即电压信号;由于信号极其弱，所以要进行严格的信号屏蔽，本设计采用三级屏蔽的方法对信号进行处理后，再通过前置放大电路和差动放大电路使信号变得可方便检测，然后通过旋转电容滤波将噪声干扰去除，为了简化下一步的测量，在将转换后的交流信号通过压频转换处理，即将电压信号转换为与之对应的频率来测量，最后通过软件将所测值编码发送给地面仪器。
　　地面仪器部分以LPC2148为核心芯片，辅以编码采集模块、显示模块等硬件模块构成，根据所设计的这一硬件系统，本研究还规划并编制了相应的测量软件，该软件能够实现对所测曼彻斯特编码频率信号进行解码，进而将电量信号转化为流量信号存储显示。此外，针对地面仪器与用户之间的数据传输与通讯要求，采用了基于CH375芯片的USB数据通讯模块，该模块便于完成数据的实时通讯，并使通讯的可靠性得到提高，且方便拓展和维护。
　　本系统在详细理论分析和方案设计的基础上，进行了实验研究，验证了方案可行性，完成了该系统开发的实验研究。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景

1．2 电磁流量计概述

1．2．1 电磁流量计的发展

1．2．2 国内电磁流量计的发展

1．2．3 电磁流量计的发展趋势

1．3 电容式电磁流量计

1．4 课题研究的意义

1．5 论文的任务及章节划分

2 石油井下流量测量系统的总体设计方案

2．1 电磁流量计综述

2．1．1 电磁感应定律

2．1．2 电极式电磁流量计

2．1．3 电容式电磁流量计

2．1．4 石油井下流量测量系统井下仪器传感器的基本原理

2．2 井下仪器的硬件设计

2．2．1 传感器的结构设计

2．2．2 信号转换器电路

2．2．3 主控电路设计

2．3 井下设备功能

2．4 地面仪器的系统方案

2．4．1 地面仪器的功能实现

2．4．2 地面仪器方案设计特点

2．5 本章小结

3 井下仪器的研制

3．1 电磁流量计传感器

3．1．1 测量管

3．1．2 制作电极

3．1．3 磁路参数的确定

3．1．4 对信号进行可靠屏蔽

3．2 转换器电路

3．2．1 前置放大电路

3．2．2 激磁电路

3．2．3 旋转电容滤波电路

3．2．4 采样转换电路

3．3 井下仪器软件设计

3．3．1 主程序设计

3．3．2 数据采集程序设计

3．3．3 编码通讯程序设计

3．4 本章小结

4 地面仪器的研制

4．1 地面仪器硬件电路设计

4．1．1 遥传编码信号采集模块设计

4．1．2 数码管显示模块电路设计

4．1．3 USB通讯模块电路设计

4．1．4 3．3V电源及复位电路设计

4．2 地面仪器软件设计

4．2．1 遥传编码信号采集与解码程序设计

4．2．2 数据存取程序设计

4．2．3 USB数据通讯程序设计

4．3 本章小结

5 流量测量系统调试与检验

5．1 地面仪器子模块调试

5．1．1 LPC2148核心板管脚连接及其最小系统调试

5．1．2 USB通讯模块的验证

5．2 井下仪器子模块调试

5．2．1 生成模拟曼彻斯特Ⅱ码信号

5．2．2 流量标定

5．2．3 整体系统联机测试

5．3 测量系统的误差分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文