专利名称：超声波多相流量测试仪的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及智能化流量测试仪器，具体来说是用于油、气井中测量两相或三相流量的智能化仪器。
二背景技术：
国内外现在生产的测井仪器，无法进行三相流量的定量测试。即使在油—水或气—水两相流的测试上，也实际处于半定量的状况，而且不能直接测出油流量和水流量或气流量和水流量。要用2～3个参数的测试结果，加上图板等换算出相应水、气流量。对油—水两相流，一般是用涡轮流量计测出混合液的总流速，用放射性密度计抽样测出混合液的流体密度，并据以换算成持水率，或用电容法(只适用于低含水井)测出局部持水率，再根据已有图板求出油的滑脱速度，用三个参数换算出油、水流量。其缺点是(1)多次换算导致误差相当大(20～30％)；(2)换算工作量大；(3)成本高、体积大、技术种类多，故需技术人员多；(4)对液流流态变化的适应能力差。
三、实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种超声波多相流量测试仪，它利用超声反射取出油—气—水三相流的相关参数，并测出三相应流量。本新型的目的是这样实现的一种超声波多相流量测试仪，包括超声波换能传感器，井下电路，与井下电路经电缆连接的井上电路，井上电路由放大解调电路级联相互并联的低通滤波器和带通滤波器以及高通滤波器，该三组滤波器分别级联水信号处理电路、油信号处理电路、气信号处理电路，最终分别输出相应水、油、气流量信号，所述井下电路主要由高频振荡电路以及顺次级联的放大差频电路、压频转换器、整形功放电路组成；该高频振荡电路以连续波形式产生频率在1.8-3MHz之间的信号；所述超声波换能传感器构成如下下端为圆锥形的声波导置于外筒之中，外筒的邻近声波导下端位置上开有透声孔，透声孔上复盖有透声筒，圆片形发射压电换能器和圆环形压电超声接收器贴压在声波导上端面上，该换能器经导线接上述高频振荡电路输出端，该接收器经导线接放大差频电路的输入端，蜗轮设置在外筒内，蜗轮轴上固联有一反射片，它具有多个在圆周上均布、呈辐射状的叶片，反射片表面与声波导的轴线垂直；蜗轮轴的外端架设在上支撑座上，上支撑座的偏离轴线位置上开有一导声孔。
目前，使用测井仪器对井下油—气—水三相流量的测试有如下基本流量计算公式Q＝QO+QG+QW＝S·V
Q＝S·YO·VO；QG＝S·YG·VG；QW＝S·YW·VW＝Q-QO-QG其中Q总流量 S导管内截面积V总平均流速QO油流量 YO持油率VO油流速QG气流量 YG持气率VG气流速QW水流量 YW持水率VW水流速由上述公式，只需测得VO，YO，VG，YG，V等五个参数，即可计算得出油—气—水三相流量QO，QG和QW。
从上述分析可见，对液流发射超声波并接收反射回的超声波，经有关电路适当处理后，就能输出与油流量、气流量、水流量成正比的电信号，一次即可完成对三相流量的直接测试。与前述现有技术相比，本新型具有结构简单、使用简便、性能优良、一次就能直接测出油—气—水三相流量的优点。
四
图1是本新型超声波换能传感器的剖面图；图2图3分别是图1所示沿A-A线，沿B-B线的仅对外筒的剖面图；图4是图1所示沿C-C线的剖视图；图5是图1所示反射片的左视图；图6是图1所示声波导部件的剖面图；图7是图6所示声波导剖切一半后的立体图；图8是本新型的电路框图；图9是图8所示井下电路的电路原理图。
五具体实施方式
图1图2示出超声波换能传感器的结构声波导23(参见图6)下端为圆锥形或近似圆锥形，声波导23与换能器座15螺纹联接，其上部设置在换能器中，锥形下部外伸，换能器座又与外筒13螺纹联接，整个声波导位于外筒之中，外筒上邻近声波导下端位置上开有透声孔1(参见图2)，透声孔位置上复盖有透声筒12，既能让超声波通过，又阻止外界液流进入外筒内；声波导上端面(对图6中方向而言)上贴压有圆片形发射压电换能器22和圆环形压电超声接收器21，调节环19与换能器座内壁螺旋联接，采用绝缘材料制作的弹簧座26与调节环下端接触，弹簧25和弹簧20分别压接在弹簧座与圆片形发射压电换能器之间以及与圆环形压电超声接收器之间；弹簧25经导线16接井下电路(井下电路置于电路筒27中，电路筒与换能器座15另一端螺旋联接)中的高频振荡电路28a的输出端(参见图8)，弹簧20经导线17接井下电路中的放大差频电路28b的输入端；蜗轮6设置在外筒内，蜗轮轴8上固联有一具有多个叶片的反射片9(参见图5)，其叶片可采用12片，在圆周上均布，呈辐射状，反射片表面与声波导的轴线垂直。涡轮轴8的外端架设在上支撑座10上，上支撑座的偏离轴线的位置上开有导声孔10a。图1中，涡轮6前部的外筒13位置上开有液流出口14(图3)，图1中还有调节螺钉2，压紧螺母3，轴4，上、下支撑座10、5，锥体7，导声筒11(位于外筒中声波导和导声孔10a之间)；图6中还有O形密封圈18、24。
图8示出，井下电路28的输出信号经电缆传输至井上电路，井上电路由放大解调电路29级联相互并联的低通滤波器30和带通滤波器31以及高通滤波器32，该三组滤波器分别级联水信号处理电路33和油信号处理电路34以及气信号处理电路35，最终分别输出相应水、油、气流量信号至储存和显示装置36。
图9示出井下电路28由高频振荡电路28a，放大差频电路28b级联的压频转换器和整形功放电路28c组成。其中，高频振荡电路28a以连续波形式产生频率为1.8-3MHz的信号，其连接关系如下晶振JZ串联电容C1后与相互串联的电阻R2、R3并联；反向器4069的脚2、3相互连接，并接于R2和R3的结点，其脚1接于R3另一端，脚4与脚5相互连接后接于R2另一端，脚6顺次串联电容C2、电阻R4、电容C3后接LH0002的脚8，LH0002的脚6、7相互连接后接于反向器4069的脚7；电阻R5一端接LH0002的脚8，另一端串联电阻R1后，接于JZ和C1的结点，稳压管DW1、DW2的正级相接，DW2的负极接于R4和C3的结点，DW1的负极接于R5和R1的结点以及-6V的电源接头；LH0002的脚1串联电阻R6后，接于电阻R7和电容C4一端，R7和C4另一端均接地，R6和C4的结点作为信号输出端；反向器4069的脚7接-12V电源接头，脚2串接电阻R8后接-6V电源接头；放大差频电路的元件连接关系如下信号输入端串联电容C6后接第一个LM118的脚3，电容C5和电阻R27并联后接地，二者另一端接于信号输入端，该LM118的脚2依次串联电阻R11、电容C7后接地，脚2和脚6之间串接电阻R10，脚3串接电阻R9后接-6V电源接头，脚6串联电容C8后接于AD781的脚2；AD781的脚2、脚3之间串联电阻R12，脚7串联电阻R14后接于-6V电源接头，脚7依次串联电阻R13、电容C9后接于LH0002的脚1，脚8串联电阻R15后接电解电容C12正极，C12负极接于第二个LM118的脚3，C12的正极串联电容C10后接于AD781的脚5；第二个LM118的脚3串接电阻R18后接-6V电源接头，脚2依次串联电阻R17、电容C21后接-6V电源接头；电阻R16和电容C11相互并联后接于第二个LM118的脚2和脚6之间；上述两个LM118的脚4以及AD781的脚5均接于-12V电源接头；压频转换器和整形功放电路的元件连接关系如下AD537的脚2连接电解电容C13负极，C13正极串联电阻R19后接于所述放大差频电路输出信号端，即第二个LM118的脚6，C13的正极接电解电容C14负极，C14正极接地；AD537的脚2串接电阻R20后接-6V电源接头，脚6、7之间串接电容C15，脚1串接电阻R21后和脚5脚6一并接于-12V电源接头，脚8和脚9分别串联电阻R22和电容C16后均接于HA17555的脚2，脚9串联电阻R23后接地，脚8接地；HA17555的脚4和脚8接地，脚7和脚6串接电容C17后，与脚1一并接于-12V电源接头，脚7串接电阻R24后接地，脚2和脚3分别接于二极管D1和二极管D4的正极，D1、D4的负极均接地，脚3接于二极管D2负极，D2正极接-12V电源接头；D4正极串接电阻R25后接电解电容C19正极，C19负极串联电容C20后接于电缆对外输出。图9中其余部分为工作电源的稳压电路。
井下电路工作原理为产生高频振荡经圆片形发射压电换能器22转变为声能，经声波导圆锥面一部分下斜向井中四周发射。再由下向上的进入超声发、收区域的油、气泡上，产生反向反射信号，并沿发射声路返回圆环形压电超声接收器21后，转换为相应电信号；另一部分声能则向下发射经导声筒和导声孔至与涡轮同轴转动的多辨声反射片，产生反向反射至超声接收器接收。此反射信号的频率f正比于涡轮转速。将接收器的各种信号送至放大差频电路中放大、解调，去掉高频载波，得到与VO，YO，VG，YG，V密切相关的信号，再经压频转换器进行电压V-频率f转换后，经整形功放变成适宜于电缆传输的信号，送至仪器的井上电路。
图8中放大解调电路对调频信号进行解调。低通滤波器，带通滤波器，高通滤波器的作用为将总流量信号、油流量信号和气流量信号从混合信号中分离出来。由于V，VO，VG各处于不同的速度域，与之对应的电信号则处于不同的频率域，故用划分滤波器不难分离出油、气、水信号。以便分离后作进一步的电路处理。其中涡轮f处于相对低的频域，油的fO处于中频频域，气fG频域最高。从低通滤波器30输出的信号频率f正比于Q。经水信号处理电路33转换处理后，按QW＝Q-QO-QG，其输出电信号正比于QW；带通滤波器31输出为有关VO，YO的电信号，在油信号处理电路34中，对油泡信号进行处理后，可得到正比于QO的电压信号。同理，高通滤波器32输出与气流量有关的信号，其处理方式与上述油流量信号相同，最后输出电压UG正比于QG。
由上述电路完成对QO，QG，QW的测量，地面仪中，采用有关硬件电路和相应计算机软件来完成。
权利要求1.一种超声波多相流量测试仪，包括超声波换能传感器，井下电路，与井下电路经电缆连接的井上电路，井上电路由放大解调电路级联相互并联的低通滤波器和带通滤波器以及高通滤波器，该三组滤波器分别级联水信号处理电路、油信号处理电路、气信号处理电路，最终分别输出相应水、油、气流量信号，其特征在于，所述井下电路主要由高频振荡电路以及顺次级联的放大差频电路、压频转换器、整形功放电路组成；该高频振荡电路以连续波形式产生频率在1.8-3MHz之间的信号；所述超声波换能传感器构成如下下端为圆锥形的声波导(23)置于外筒(13)之中，外筒(13)的邻近声波导下端位置上开有透声孔(1)，透声孔上复盖有透声筒(12)，圆片形发射压电换能器(22)和圆环形压电超声接收器(21)贴压在声波导上端面上，该换能器经导线(16)接上述高频振荡电路输出端，该接收器经导线(17)接放大差频电路的输入端，蜗轮(6)设置在外筒内，蜗轮轴(8)上固联有一反射片(9)，它具有多个在圆周上均布、呈辐射状的叶片，反射片表面与声波导(23)的轴线垂直；蜗轮轴(8)的外端架设在上支撑座(10)上，上支撑座的偏离轴线位置上开有一导声孔(10a)。
2.根据权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述声波导(23)上部设置在换能器座(15)中，并与之螺纹联接，所述外筒(13)与换能器座螺旋联接，所述井下电路置于电路筒(27)中，电路筒与换能器座另一端螺旋联接；所述外筒(13)中声波导与导声孔(10a)之间还设有套声筒(11)。
3.根据权利要求2所述的测试仪，其特征在于，所述换能器座(15)中还设置有与其内壁螺旋联接的调节环(19)，还具有与调节环下端面接触、采用绝缘材料制作的弹簧座(26)，还具有分别压接在弹簧座(26)与圆片形发射压电换能器(22)之间以及与圆环形压电超声接收器(21)之间的两个弹簧(25、20)；弹簧(25、20)分别与导线(16、17)电连接。
4.根据权利要求3所述的测试仪，其特征在于，所述反射片(9)具有12个叶片。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的测试仪，其特征在于，所述高频振荡电路主要是由晶振JZ和高频功放器LH0002组成，其元件连接关系如下晶振JZ串联电容C1后与相互串联的电阻R2、R3并联；反向器4069的脚2、3相互连接，并接于R2和R3的结点，其脚1接于R3另一端，脚4与脚5相互连接后接于R2另一端，脚6顺次串联电容C2、电阻R4、电容C3后接LH0002的脚8，LH0002的脚6、7相互连接后接于反向器4069的脚7；电阻R5一端接LH0002的脚8，另一端串联电阻R1后，接于JZ和C1的结点，稳压管DW1、DW2的正级相接，DW2的负极接于R4和C3的结点，DW1的负极接于R5和R1的结点以及-6V的电源接头；LH0002的脚1串联电阻R6后，接于电阻R7和电容C4一端，R7和C4另一端均接地，R6和C4的结点作为信号输出端；反向器4069的脚7接-12V电源接头，脚2串接电阻R8后接-6V电源接头。
6.根据权利要求5所述的测试仪，其特征在于，所述放大差频电路主要由集成块AD781和两个LM118组成，其元件连接关系如下信号输入端串联电容C6后接第一个LM118的脚3，电容C5和电阻R27并联后接地，二者另一端接于信号输入端，该LM118的脚2依次串联电阻R11、电容C7后接地，脚2和脚6之间串接电阻R10，脚3串接电阻R9后接-6V电源接头，脚6串联电容C8后接于AD781的脚2；AD781的脚2、脚3之间串联电阻R12，脚7串联电阻R14后接于-6V电源接头，脚7依次串联电阻R13、电容C9后接于LH0002的脚1，脚8串联电阻R15后接电解电容C12正极，C12负极接于第二个LM118的脚3，C12的正极串联电容C10后接于AD781的脚5；第二个LM118的脚3串接电阻R18后接-6V电源接头，脚2依次串联电阻R17、电容C21后接-6V电源接头；电阻R16和电容C11相互并联后接于第二个LM118的脚2和脚6之间；上述两个LM118的脚4以及AD781的脚5均接于-12V电源接头。
7.根据权利要求6所述的测试仪，其特征在于，所述压频转换器和整形功放电路主要由集成块AD537和集成块HA17555组成；其元件连接关系如下AD537的脚2连接电解电容C13负极，C13正极串联电阻R19后接于所述放大差频电路输出信号端，即第二个LM118的脚6，C13的正极接电解电容C14负极，C14正极接地；AD537的脚2串接电阻R20后接-6V电源接头，脚6、7之间串接电容C15，脚1串接电阻R21后和脚5脚6一并接于-12V电源接头，脚8和脚9分别串联电阻R22和电容C16后均接于HA17555的脚2，脚9串联电阻R23后接地，脚8接地；HA17555的脚4和脚8接地，脚7和脚6串接电容C17后，与脚1一并接于-12V电源接头，脚7串接电阻R24后接地，脚2和脚3分别接于二极管D1和二极管D4的正极，D1、D4的负极均接地，脚3接于二极管D2负极，D2正极接-12V电源接头；D4正极串接电阻R25后接电解电容C19正极，串联电容C20后接于电缆对外输出。
专利摘要一种超声波多相流量测试仪，属油井中油气水三相流量测试仪器。它由超声波换能传感器，井下和井上电路等组成。井下电路一是产生1.8－3MHz的连续高频振荡信号，二是将传感器来的信号进行差频、压频转换、整形功放处理；井上电路将信号放大解调，划分滤波，输出相应的水油气的流量信号；该传感器构成为声波导置于外筒中，外筒的透声孔上复盖有透声筒；圆片形发射压电换能器和圆环形压电超声接收器贴压在声波导上端面，该换能器经导线引入上述高频振荡信号，该接收器经导线接井下电路输入端；外筒中蜗轮轴上固联的反射片将换能器经导声孔来的信号反射。它利用超声波一次测出油气水三相流量。
文档编号G01F1/66GK2646670SQ0325030
公开日2004年10月6日 申请日期2003年9月12日 优先权日2003年9月12日
发明者赵翼晋 申请人:赵翼晋