超声波测流量的收发电路研究

黄艳芝 贾 伟 范思航 艾治余

(西安石油大学电子工程学院光电油气测井与检测教育部重点实验室)

0 引 言

近年来，随着工业化的快速发展，无论是在民用，军事，还是工业能源的开采上，流量的测量越来越体其现重要性。超声波流量测量方法是最常用的流量测量方式之一。在油田上，无论是砾石填充、出砂、三相流，还是油井测漏方面，都离不开流量测量。本论文就是在油井测漏仪的项目支持下做出的相关研究。在油井测漏仪上我们使用的是超声波时差法的测量原理测泥浆的流速变化，选用的是超声波直探头。

1 超声波时差法流量测量原理

根据检测的方式不同，超声波流量测量可分为传播速度法(即时差法)、多普勒法、波束偏移法、噪声法等几种测量方法。时差法是近几年中常用的一种超声波流量测量的方法，本论文中研究的收发电路也是基于超声波时差法设计的。时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速的，进而求得流量的。超声波传感器被夹装在被测管道的上下游，其安装方式如图1所示。

图1 超声波时差法流量测量原理图

探头A、探头B 两个传感器交替的发射和接收超声波信号，其顺流和逆流传播时间，通过下列公式进行计算。

进而得出流体的流速计算公式如下:

最终可以确定流量计算公式如下:

2 超声波探头收发电路研究

超声波探头(又称换能器)及其发射接收电路在流量测量系统中起着关键的作用，它决定了这个系统所能达到的最终测试指标及测量精度。当超声探头选定后，其性能参数也就确定了，包括它的匹配等效阻抗，机械共振频率等。本论文中提到的超声探头用的是压电式的超声波发生器，它的工作原理是利用压电晶体的谐振来工作的。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板震动，便产生超声波，此时它就是超声波发生器。反之，两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，共振板将压迫晶片震动将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。本文所要研究的就是如何使发射探头的信号更好的发射电路，超声检测中常用的发射信号有三种:单脉冲信号，方波信号，正弦连续波信号，可以根据检测的应用场合确定使用哪种发射信号。本论文讨论的是时差法测流量的收发电路研究，所以选用是单脉冲发射信号，形成时间差，用于计算流速。

2.1 超声波探头发射电路

在超声流量测量系统中，发射电路是一个重要组成部分，它在一定程度上决定着系统的性能指标。当超声换能器选定后，发射电路的设计直接影响着发射的声功率和波形的重复性。本文中设计的超声波探头发射电路如图2所示。

在本电路的设计中，采用Q1高频功率晶体管作为探头驱动电路的功率放大晶体管，采用中频变压器实现升压和探头的阻抗匹配及调谐。此电路采用12 V 的直流供电，当在电路输入端(VIN 端)加上一个单极性正弦波时，经过晶体管的放大、变压器的升压及电容匹配后，探头上将会得到一个较高幅度的功率信号。电路中的电阻R25 用于限制集电极电流，防止烧坏晶体管。

图2 超声波探头发射电路

2.2 超声波探头接收电路

由于探头接收到的回波信号幅度较小，并且在回波信号的传播过程中，这个微弱信号会受到外界环境中的各种噪声的干扰，所以在接收到的信号要进入后续电路进行处理时，需要设计一个调谐放大电路(选频放大电路)，也就是超声波接收电路，如图3 所示。

图3 超声波探头接收电路

本电路中的核心是中频变压器，变压器的功能是:阻抗匹配，信号放大，滤波。二极管D1，D2主要是起到限幅的作用，滤除幅度高于正负0.6 V 的突发噪声信号，防止打信号经过放大后影响后续电路的正常工作。Q2主要是对接收过来的信号进行放大，之后传递到带有调谐作用的变压器中。经过变压器的匹配，放大，滤波就可以得到所需的信号，并传递给后续处理电路。

3 实验测试及结果

在实验室中，我们搭建了简易的装置测试了这两个电路的性能，都能正常工作，测试结果也比较理想。随后我们在实验室模拟测漏仪的现场实验装置，将设计的这两块电路板加入到测试当中，进行试验测试。

两块电路板设计完成后，我们利用实验室现有的条件利用示波器，信号源，直流电源，传感器探头组成了一个简易的测试装置。直流电源分别给发射电路和接收电路提供激励电源，在测试过程中用信号源提供一个脉冲信号给发射电路的输入端，用示波器对接收板接收到的信号进行测试。测试结果如图4 所示。黄色的脉冲信号是用信号源提供给发射板的输入端的，蓝色的信号是从接收板接收到的信号。

图4 超声波发射接收电路测试结果显示

4 结 论

本文依据超声波时差法的测量原理，设计出超声波探头的发射电路和接收电路，并对其进行仿真和实验测试，实现了利用超声波时差法测量流量的原理检测油井的渗漏的功能。该电路测试结果相对比较稳定，测量精度达到一定高度。

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