电子测量中的不分离式三相流量仪电子系统设计
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2020-11-19
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电子测量中的不分离式三相流量仪电子系统设计电子测量中的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最多。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
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
互相关技术应用最多。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。本系统采用第一种方法，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全能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，最后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，为了提高测量的精度，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。最后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，电阻值的精度也不易控制，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最大传输距离为1200m，最大传送速率为
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。
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