基于超声波的固体颗粒检测

王攀　贾惠芹　冯旭东

摘要：设计了一种外置式基于超声波传感器的固体颗粒检测装置。通过研究分析固体颗粒撞击管壁信号的产生机理、特征和影响因素，将压电传感器接收到的信号经过A/D芯片转换后，传输到ARM芯片进行数据处理，经过运算得出固体颗粒的瞬时量和累计量，最后实时显示在液晶显示屏上。

关键词：压电传感器；ARM；数据处理；固体颗粒检测

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）34-0196-02

由于我国的油田的地理环境等因素，很多地方的实际采收率较低，因此提高石油采收率、解决油气井产是当下石油行业亟需解决的问题。而其中一项问题就是油气管道内固体颗粒问题。固体颗粒有来自地层的砂粒，也有来自压裂的颗粒材料，这些都会造成油气井管道的阻塞或磨损，所以要提高油气井的采收率，保证油气井的正常作业，就需要对油气井内固体颗粒进行评估，可以使决策者了解油气井内固体颗粒含量的情况，并根据实时获取的信息制定合理的策略，达到提高油气井产能的最终目的。

1 原理分析

1.1 碰撞信号的产生

在经过封闭管道时，流体对其中的固体颗粒具有一定的裹携能力，固体颗粒撞击管壁的信号正是由于流体携带的这些固体颗粒撞击弯头处的管壁产生的超声波信号，如图1-1所示。由于固体颗粒撞击管壁的位置和方向具有随机性，撞击力度的大小也不全部相同，所以有用信号也不是固定不变的。另外，由于各种外界风中裹携的砂砾等撞击管壁，大气中的电磁干扰和现场工作人员作业时都会引起的被测管道的相应振动，这些都是随机的噪声信号，所以对内部固体颗粒撞击管壁的信号和噪声信号要区别开分析，否则会影响监测结果。

1.2理论分析

根据正压电效应，压电材料受挤压而产生的电荷和其受到的作用力的大小是成正比的，即当压电材料受到压力大小为F的作用力时，在压电材料的两个极上分别产生数量相等而不同极性的电荷，这就因为压电效应而形成了电场。所以将固体颗粒撞击管壁的信号转换为电信号需要用到由压电材料组成的压电传感器。压电传感器能利用压电效应将固体颗粒撞击管壁的机械振动信号转换为电信号。同时压电传感器相当于一个电容，如果其被施加的外力大小方向不变，则在该电容两端上产生的电荷量能保持不变。在压电传感器两端上产生的电荷量与被施加外力的关系如式（1）所示。

由（4）可知，最后的端电压与撞击管壁的固体颗粒的动能是成线性相关的。也就是说，压电传感器产生的电信号是与撞击管壁的固体颗粒的质量和速度是相关的。

2 系统硬件设计

系统的硬件电路主要由ARM和A/D转换芯片以及LCD液晶显示电路构成。将超声波探头固定在管壁上后，接收到固体固体颗粒撞击到管壁产生的超声波信号后，首先进行A/D转换，转换为数字信号后传输给ARM进行数据处理，然后将结果显示在LCD上。本设计的系统总体框图如2所示：

3 软件设计

本作品的软件设计，主要在于ARM的编程，具体包括系统的初始化，A/D转换芯片的驱动子程序，LCD显示的驱动子程序，计算瞬时量和累计量的运算子程序。系统软件设计的流程框图如图6所示。

4 总结

系统联调完成后，对于显示本设计对流体的流速有些要求，不能低于10m/s，然后当颗粒直径大小小于0.18mm时，测量效果不理想。原因是颗粒直径较小时，有可能由于撞击信号太微弱，被淹没在噪声信号当中，提取信号困难；也有可能传感器的灵敏度限制，太微弱的信号捕捉不到造成的。

最后经过测试整个系统发现，本设计中还是在精度上还是有些不太理想，尤其是在低流速和固体颗粒较小的情况下更严重。这说明在传感器的灵敏度方面还有待提高，并且数据处理的算法还有待优化，对于噪声的处理还不够。

参考文献：

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[3] 霍宵雁.滑动轴承油膜压力测量应变式传感器静动态特性研究[D].山东：山东大学.2006.

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