多相流是指在流體流動(dòng)中不是單相物質(zhì)，而是有兩種或兩種以上不同相的物質(zhì)同時(shí)存在的一種運(yùn)動(dòng)。在石油和天然氣工業(yè)中，多相流是十分普遍的現(xiàn)象，常見(jiàn)的是液、液、氣三相，即油、氣、水混合物的三相。研究油氣水三相流的流動(dòng)規(guī)律，包括流動(dòng)形態(tài)、壓力變化的規(guī)律，具有重大的理論和應(yīng)用價(jià)值。多相流是一個(gè)多變的隨機(jī)過(guò)程，需要多方面的測(cè)量技術(shù)，其難度主要體現(xiàn)在油氣水三相組分含量和各相流速的測(cè)量。目前，相流速測(cè)量技術(shù)主要有混合+壓差法、正排量法和互相關(guān)技術(shù)，其中互相關(guān)技術(shù)應(yīng)用最多。不分離式三相流量?jī)x是在不對(duì)產(chǎn)出液作任何分離的情況下實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相計(jì)量，是三相流量?jī)x的主要發(fā)展方向。通常，不分離多相流量計(jì)主要采用“混合液總流量＋各相百分比”以及“各相流速＋各相在測(cè)量管道截面所占百分比”兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用第一種方法，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的文丘里管結(jié)合壓差變送器測(cè)得總體流量，再利用241am-mo源發(fā)射的x射錢和低能伽瑪射線，測(cè)量這兩條低能x、伽瑪射線穿過(guò)產(chǎn)液后的伽瑪能譜和兩個(gè)全能峰區(qū)的峰面積計(jì)數(shù)率，分別計(jì)算出原油、水、天然氣的相分率從而獲得各相流量。本文主要對(duì)油氣水三相不分離流量?jī)x的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)做了綜合性的介紹。

儀器電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　不分離式三相流量?jī)x系統(tǒng)的工作原理如下：首先，產(chǎn)出液從整流器流過(guò)，對(duì)流體進(jìn)行整流，然后再通過(guò)文丘里管。文丘里管裝有壓差式變送器，可以測(cè)量文丘里管喉管和通管之間的壓差，并把壓差信號(hào)傳給下位機(jī)。下位機(jī)再通過(guò)串口與上位機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取和處理。主要的電子測(cè)量部分都在測(cè)試管道上，包括溫度、壓力和低能射線脈沖計(jì)數(shù)，信號(hào)也都傳給下位機(jī)部分。儀器的電子系統(tǒng)整體上分成模擬電路、數(shù)字電路、電源電路和上位機(jī)軟件等四個(gè)相對(duì)獨(dú)立的組成部分。

模擬電路

　　模擬電路主要對(duì)由射線產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行核電子學(xué)的處理，得到脈沖數(shù)。本電路的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大及整形之后，通過(guò)三個(gè)單道脈沖幅度分析器的分離，最后從三道輸出端輸出三道尖脈沖信號(hào)。

　　輸入電路的要求是信號(hào)通過(guò)后，干擾變小，這樣有利于后續(xù)電路的工作。由于探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度比較低，很難檢測(cè)出來(lái)，為了提高測(cè)量的精度，就需要通過(guò)放大電路把信號(hào)放大。而譜儀的放大電路應(yīng)具有良好的線性和增益穩(wěn)定性，為此必須在放大電路中使用很深的負(fù)反饋。通常一個(gè)負(fù)反饋放大單元內(nèi)不能包括許多放大級(jí)，否則將產(chǎn)生振蕩，因而其開環(huán)增益的數(shù)值受到了一定限制，負(fù)反饋較深時(shí)閉環(huán)增益也就較小。信號(hào)經(jīng)過(guò)該級(jí)放大電路后再進(jìn)入穩(wěn)壓部分(這里所討論的是一種低壓的穩(wěn)壓電路)，利用pn結(jié)的反向電阻特性和正向壓降特性，可以獲得較好的穩(wěn)壓性能。最后通過(guò)幅度甑別和反符合電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分選。另外，電子電路中的電阻元件是由半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，電阻的阻值范圍一般在幾十歐到二十千歐左右，阻值范圍不大；此外，電阻值的精度也不易控制，誤差可達(dá)10%~20%左右，所以，高阻值的電阻多用bjt或fet等有源器件組成恒流源來(lái)代替。

數(shù)字電路

　　數(shù)字電路主要用于數(shù)據(jù)采集、計(jì)數(shù)、運(yùn)算、存儲(chǔ)和通信。

　　計(jì)數(shù)脈沖從模擬電路板而來(lái)，通過(guò)計(jì)數(shù)器將需要的各道計(jì)數(shù)率存儲(chǔ)在單片機(jī)中。溫度t、壓力p和壓差△p模擬信號(hào)均由多通道a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。單片機(jī)還可根據(jù)穩(wěn)峰計(jì)數(shù)用tlc5615d/a轉(zhuǎn)換芯片對(duì)高壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持能譜的穩(wěn)定。為了能遠(yuǎn)距離與上位機(jī)通信，單片機(jī)連接到max485芯片，進(jìn)行rs485通信。rs485最大傳輸距離為1200m，最大傳送速率為10mb/s。

電源電路

　　給探測(cè)器提供合適的高壓電源，是獲得預(yù)期輸出信號(hào)的一個(gè)重要條件。各種探測(cè)器對(duì)高壓電源的極性、電壓高低、電流大小和穩(wěn)定度的要求是各不相同的，這就要求根據(jù)情況來(lái)合理選擇。對(duì)于閃爍探測(cè)器，當(dāng)閃爍體和屏蔽外罩處于地電位時(shí)，為了減小光陰極漏電流噪聲，往往使光陰極也處于地電位而采用正高壓；但這時(shí)高壓紋波和交流聲也通過(guò)隔直電容輸出，對(duì)電流信號(hào)產(chǎn)生干擾。為了減少這一干擾，有時(shí)采用負(fù)高壓供電并設(shè)法減小光陰極漏電流。電源電壓的高低要符合探測(cè)器產(chǎn)品說(shuō)明書的額定值，太低達(dá)不到要求，太高則可能損壞探測(cè)器。電源能夠供給的電流和輸出電壓的穩(wěn)定性也要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行選擇。

上位機(jī)軟件

　　為了比較清楚地了解不分離式三相流量?jī)x的工作情況并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，采用micorsoft的visual c++6.0來(lái)編寫上位機(jī)軟件，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量情況的可視化、動(dòng)態(tài)及實(shí)時(shí)處理。

　　首先上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令請(qǐng)求單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)判斷請(qǐng)求并作出相應(yīng)的響應(yīng)。如果數(shù)據(jù)格式正確則回應(yīng)，否則不回應(yīng)。上位機(jī)收到下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)固定格式讀取出數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算并以曲線的方式顯示出來(lái)。對(duì)于峰位是否合適，可以用穩(wěn)峰圖來(lái)直觀地顯示。數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果還存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便日后查詢、處理等。

關(guān)鍵技術(shù)分析