不分离式三相流量仪电子系统设计

　　多相流是指在流体流动中不是单相物质，而是有两种或两种以上不同相的物质同时存在的一种运动。在石油和天然气工业中，多相流是十分普遍的现象，常见的是液、液、气三相，即油、气、水混合物的三相。研究油气水三相流的流动规律，包括流动形态、压力变化的规律，具有重大的理论和应用价值。多相流是一个多变的随机过程，需要多方面的测量技术，其难度主要体现在油气水三相组分含量和各相流速的测量。目前，相流速测量技术主要有混合+压差法、正排量法和互相关技术，其中互相关技术应用多。不分离式三相流量仪是在不对产出液作任何分离的情况下实现油、气、水三相计量，是三相流量仪的主要发展方向。通常，不分离多相流量计主要采用“混合液总流量＋各相百分比”以及“各相流速＋各相在测量管道截面所占百分比”两种方法来实现。本系统采用种方法，应用自行设计的文丘里管结合压差变送器测得总体流量，再利用241Am-Mo源发射的X射钱和低能伽玛射线，测量这两条低能X、伽玛射线穿过产液后的伽玛能谱和两个峰区的峰面积计数率，分别计算出原油、水、天然气的相分率从而获得各相流量。本文主要对油气水三相不分离流量仪的电子系统设计方案和关键技术做了综合性的介绍。

仪器电子系统设计

　　不分离式三相流量仪系统的工作原理如下：首先，产出液从整流器流过，对流体进行整流，然后再通过文丘里管。文丘里管装有压差式变送器，可以测量文丘里管喉管和通管之间的压差，并把压差信号传给下位机。下位机再通过串口与上位机相连，通过上位机软件进行数据的获取和处理。主要的电子测量部分都在测试管道上，包括温度、压力和低能射线脉冲计数，信号也都传给下位机部分。仪器的电子系统整体上分成模拟电路、数字电路、电源电路和上位机软件等四个相对独立的组成部分。

模拟电路

　　模拟电路主要对由射线产生的信号进行核电子学的处理，得到脉冲数。本电路的输入信号经过滤波、放大及整形之后，通过三个单道脉冲幅度分析器的分离，从三道输出端输出三道尖脉冲信号。
 
　　输入电路的要求是信号通过后，干扰变小，这样有利于后续电路的工作。由于探测器输出的脉冲信号幅度比较低，很难检测出来，为了提高测量的，就需要通过放大电路把信号放大。而谱仪的放大电路应具有良好的线性和增益稳定性，为此必须在放大电路中使用很深的负反馈。通常一个负反馈放大单元内不能包括许多放大级，否则将产生振荡，因而其开环增益的数值受到了一定限制，负反馈较深时闭环增益也就较小。信号经过该级放大电路后再进入稳压部分(这里所讨论的是一种低压的稳压电路)，利用PN结的反向电阻特性和正向压降特性，可以获得较好的稳压性能。通过幅度甑别和反符合电路实现信号的分选。另外，电子电路中的电阻元件是由半导体的体电阻构成，电阻的阻值范围一般在几十欧到二十千欧左右，阻值范围不大；此外，电阻值的也不易控制，误差可达10%~20%左右，所以，高阻值的电阻多用BJT或FET等有源器件组成恒流源来代替。

数字电路

　　数字电路主要用于数据采集、计数、运算、存储和通信。

　　计数脉冲从模拟电路板而来，通过计数器将需要的各道计数率存储在单片机中。温度T、压力P和压差△P模拟信号均由多通道A/D转换器转换成数字量。单片机还可根据稳峰计数用TLC5615D/A转换芯片对高压进行调节，以保持能谱的稳定。为了能远距离与上位机通信，单片机连接到MAX485芯片，进行RS485通信。RS485传输距离为1200m，传送速率为10Mb/s。

电源电路

　　给探测器提供合适的高压电源，是获得预期输出信号的一个重要条件。各种探测器对高压电源的极性、电压高低、电流大小和稳定度的要求是各不相同的，这就要求根据情况来合理选择。对于闪烁探测器，当闪烁体和屏蔽外罩处于地电位时，为了减小光阴极漏电流噪声，往往使光阴极也处于地电位而采用正高压；但这时高压纹波和交流声也通过隔直电容输出，对电流信号产生干扰。为了减少这一干扰，有时采用负高压供电并设法减小光阴极漏电流。电源电压的高低要符合探测器产品说明书的额定值，太低达不到要求，太高则可能损坏探测器。电源能够供给的电流和输出电压的稳定性也要根据实际要求进行选择。

上位机软件

　　为了比较清楚地了解不分离式三相流量仪的工作情况并对数据进行实时处理，采用Micorsoft的Visual C++6.0来编写上位机软件，从而实现了对测量情况的可视化、动态及实时处理。

　　首先上位机向下位机发送命令请求单片机发送数据，单片机判断请求并作出相应的响应。如果数据格式正确则回应，否则不回应。上位机收到下位机发送来的数据后，根据固定格式读取出数据，通过数学模型进行计算并以曲线的方式显示出来。对于峰位是否合适，可以用稳峰图来直观地显示。数据计算的结果还存储在数据库中，以便日后查询、处理等。

关键技术分析

三个单道脉冲幅度分析器电路

　　脉冲幅度分析器是测量电脉冲信号幅度分布的仪器。它把脉冲信号按幅度的大小进行分类并记录每类信号的数目，常用于分析射线探测器的输出信号，测量射线的能谱。它的功能是：当输入信号的幅度低于某一给定值时，没有输出信号；而超过这一给定值时，就输出一个有一定幅度的信号，这一定值称为脉冲幅度分析器（甄别器）的甄别阈或阈值 。甄别阈的定义通常是对足够宽的输入信号而言的，当输入信号过窄时，即使其幅度达到甄别阈，输出脉冲也只能上升到不大的数值，因而不能作为信息被后级记录下来。利用这种特性，甄别器可用来滤除幅度小于甄别阈的信号、干扰和噪声。两个不同阈值(VT1和VT2，VT2>VT1)的甄别器可组成单道脉冲幅度分析器，它可以从输入信号中筛选出幅度大于VT1而小于VT2的那些信号，从而实现对射线能量范围的选择。单道脉冲幅度分析器主要由上、下两个甑别器和一个反符合电路组成，上甑别器的阈电压V+△V，下甑别器有较低阈电压V，△V称为道宽，是将线性放大输出的脉冲进行幅度分选。它只允许幅度处于下阈（即下阈甄别器）和上阈所限制的“窗口”范围内的脉冲通过，并推动计数定标器计数。

复位、看门狗电路

　　当外来干扰信号导致数据总线、I/O总线以及控制总线上的数字信号错乱时，将引发一系列的后果，特别是程序指针计数器PC值受干扰而改变时，将引起程序的“跑飞”，使系统出现死机或其他一些不可预知的情况。为了有效防止程序的“跑飞”情况发生，并自动将系统恢复正常工作状态，本文采用了具有看门狗、电压检测和上电复位等功能的MAX813L。MAX813L实质上是一个可使微处理器复位或产生中断请求的定时器，可不断监视程序循环运行时间。若发现时间超过已定的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H入口，在此入口处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨。

通信电路

　　PC机有一个功能强大的可编程异步串行控制器8250和二个采用RS232C串行通信标准接口的COM1、COM2，而单片机中有一个采用TTL电平的可编程串口，所以要使它们之间通信，就必须采用一个电平转换电路。文中采用符合RS485标准的MAXIM公司生产的MAX485转接头，将TTL信号电平转换成RS485标准电平信号。RS485标准是一种多发送器的电路标准，传输速率可达10Mbit/s，传送距离为300m，如果降低数据传输速率，传送距离可达到1200m。RS485标准没有规定在何时控制发送器发送或接收机接收数据的规则。

实验结果

　　不分离式三相流量仪研制成功后，进行了多次实验，图4是不分离式三相流量仪上位机软件的数据采集曲线实例图。该图不仅直观显示了数据的动态特性，而且能够显示各个子集的点轨迹，证明系统有稳定的计数输出且计数具有统计性，实现了对数据的可视化动态、实时处理。

结论

　　仪器电子系统的硬件、软件运行可靠，温度性（多次测量数据的重复性）、一致性（两只样机在相同条件下测井）和准确性（与国外同类仪器测试结果对比）等指标均达到设计要求；整个仪器以单片机为成功实现了数据采集、计数、运算、存储和显示等功能，仪器在微型化方面前进了一步；该仪器运用低能γ射线实现了非接触式测量，减少了管内影响，独特的能谱分析及处理技术，使测量不易受被测介质中各种复杂成分的影响，大大了提高测量。通过进一步改进和完善，它有望在国产高端不分离式三相流量仪的应用中担当起重要角色。

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