数字信号处理技术在含水率测量系统中的应用

杨和庆+王攀

摘要：在我国的石油工业中原油管道的含水率是很重要的一个生产指标，能够动态的测量油井产出液含水率的变化对于指导油井的开采计划有很重要的意义，本文提出了一种非接触式的含水率测量方法，对比传统的测量方式有很明显的优势，重点介绍了硬件的实现及信号的发射、接收以及中间信号处理的过程。该方法经验证可以快速、准确地测量出测量管段中被测流体含水率的变化。整个系统运行稳定，测量效率较高。

关键词：含水率；非接触式；信号处理

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）23-0152-04

针对目前我国石油工业中油井产出液高含水的现状，研制出适用于原油管线含水率测量的仪器设备，具有非常重大的意义。含水率作为多相流动过程的重要参数之一，对动态监测油井生产能力，实现油田数据化管理，及时有效调整油井开采生产计划具有指导性的意义。

目前相含率测量的方法主要有：快关阀法、压差法、电导法、电阻探针法、电容法、射线法、光纤探针法、声学法、热学法、核磁共振法、微波法等。上述方法中主要分为接触式测量法和非接触式测量法两大类。原油在管道运输的过程中，种类众多的化学物质对接触法测量含水率中的传感器造成的腐蚀和原油结蜡等现象都会直接降低传感器的灵敏度，从而降低测量结果的准确度，甚至造成整个测量系统无法正常工作的严重后果。目前应用在油田上的非接触测量方法主要是射线法，放射源的存放和使用都需要昂贵而笨重的防护设备以防止对操作人员的身体产生直接伤害，该方法存在的成本高、安全系数低等缺陷造成了其无法广泛应用的结果。

基于目前原油含水率测量仪所存在的种种弊端，根据电磁感应原理，设计了一种非接触的含水率在线测量仪器。该仪器能够在既不影响流体流型又不影响油井生产的情况下及时获取原油含水率信息，并且避免了原油对测量电极的腐蚀和结蜡现象对测量结果的影响。

1 测量原理

本含水率测量仪所使用的传感器是基于电磁感应线圈系的设计原理进行设计的，当油水混合流体经过传感器测量管段时，由于油相和水相的电参数存在差异，使得规则分布的磁场发生改变，引起接受线圈输出信号发生变化，对输出信号进行处理分析，就可以得到测量管段含水率的变化情况。

2 硬件电路设计

硬件电路部分由DDS信号发生电路、信号功率放大电路、信号调理电路以及单片机控制的AD转换和串口收发电路组成，整体设计如图1所示：

2.1 DDS信号发生电路

DDS芯片即为直接数字式频率合成芯片，DDS技术是一项关键的数字化技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域。本设计应用的DDS芯片为AD9833，它的内部集成了一个32位的相位累加器，正弦和余弦函数表，还有一个十位的D/A，它可以在单片机的控制下产生0-50MHz的频率、相位可调的正弦波信号。DDS信号发生电路的原理图如图2所示。

该芯片是ADI公司生产的一款低功耗，可编程的波形发生器，能够产生正弦波、三角波、方波，本设计中利用PIC单片机PIC16F877控制AD9833产生频率相位可调的正弦波作为激励信号。DDS芯片产生的信号幅值很小而且几乎没有带负载能力，需要将该信号进行功率放大后才能加到发射线圈上。DDS芯片产生的正弦波如图3所示。

2.2 功率放大电路

功率放大电路把DDS输出的信号进行放大并且利用其带负载能力强的特点驱动发射线圈。功率放大电路主要由运算放大器OP27和功率放大芯片LM1875组成。OP27组成一个电压跟随器，减小功放芯片LM1875对DDS产生信号的影响。LM1875将OP27输出的信号进行功率放大驱动发射线圈。功率放大电路的原理图如图4所示：

2.3 信号调理电路

接收线圈接收到的信号除了载有含水率信息的有用信号外还存在较多的杂波干扰，需要用信号调理电路将收到的信号进行放大并滤除无用信号。接收线圈接收到的信号如图6中黄色信号所示，其中蓝色信号为发射线圈发射的信号。

信号调理电路处于对电极系传感器的测量电极输出的流动噪声信号处理的最前端，它的主要作用是抑制杂波干扰，放大有用信号。信号调理电路的工作情况，直接关系到整个系统的测量精度和分辨率等重要指标。

信号调理电路由LM358构成的差动放大电路和由INA118P构成的可调增益放大电路构成。差动放大电路又叫差分电路，能够放大有效信号，减小由于电源波动和随温度变化造成的零点漂移，所以得到广泛的应用。差动放大电路最大的特点就是静态工作点稳定，对共模信号有很好的抑制，只对差模信号进行放大，所以常被用于多级放大器的前置级。基本差动放大电路的输入端需引入两个信号，这两个信号的差信号为有用的需要放大的信号，对于干扰信号，在这两个信号做差值的时候已经减掉了，所以干扰信号的有效输入为零，起到了抗共模信号干扰的作用。信号调理电路的原理图如图7所示：

经信号调理电路调理过后的信号波形如图8中蓝色信号所示，其中黄色信号为信号调理之前的信号。从波形图可以看出该电路有较好的放大滤波效果。

2.4 峰值保持电路

接收信号的幅值变化包含了含水率变化的信息，所以需要将信号调理电路调理之后的信号根据采样定理进行采样，将采样的信息发送到上位机进行信号的还原，从而可以求出接收信号幅值的变化，进而分析出含水率的变化。但是该方案需要的采样率较高，数据量也比较大，对MCU的处理速度、串口数据的发送速度以及AD转换电路转换速度要求都比较高。这里采用了由峰值保持芯片PKD01构成的峰值保持电路来直接采集调理过后的信号的幅值，再将幅值信息发送给上位机进行数据的处理。该方案既简化了系统的设计又提高了幅值采样的精度。峰值保持电路的原理图如图所示。两个PKD01芯片分别保持信号的最大值与最小值，分别对其进行AD转换即可得到信号的幅值。峰值保持电路的原理图如图9所示。

2.5 AD模数转换电路

经信号调理电路输出的信号为载有含水率信息的模拟信号，需要进行模数转换后才能在上位机进行处理。本设计中使用PIC16F877作为主控芯片，控制AD974进行模数转换。AD974是AD公司生产的一种多通道16位高速ADC，具有较高的通过率和和转换精度，而且集成了时钟电路和内部基准等功能，大大简化了外围电路，同时采用串行接口，具有数据传输率高、接口简单的特点。

PIC16F877与AD974之间通过SPI接口进行连接，SPI接口的全称是“Serial Peripheral Interface”，意为串行外围接口，主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。该接口一般使用4条线：串行时钟线SCLK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和从机选择线NSS，由于AD974工作时只需要MCU发送控制信号而不需要发送数据，所以PIC16F877与AD974通信的SPI接口只用了SCK、MISO和NSS三条线，连接非常简洁方便，同时在主器件的移位脉冲下，数据传输速度可达到几Mbps。AD模数转换电路的原理图如图10所示。

2.6 串口收发电路

PIC16F877采集到AD974转换后的数字信号后需要经过RS-232标准串口将数据发送到上位机进行处理，虽然PIC16F877支持标准串行接口，但是收发电平与RS-232并不兼容，需要进行电平转换之后才能实现与PC机之间的串行通信，在该设计中我们使用了MAX232作为串行通信的电平转换 芯片。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电，仅需要极少的外围器件就解决了单片机与PC进行串口通信时电平不兼容的问题。串口收发电路的原理图如图11所示。

2.7 PCB

综合以上各部分电路再加上单片机及电源部分就构成了完整的原理图，通过该原理图画成的PCB如图12所示。

上位机中用LabVIEW进行数据的处理和结果的显示，LabVIEW具有友好的人机交互界面，图形化的语言便于编程人员快速掌握其编程技术，不仅能够实现串口数据的采集，还能够对数据进行显示，并通过相应的算法处理对采集到的数据进行解释，最终实现含水率信息的实时示。上位机软件的流程图如图13所示。

4 结束语

通过对比不同的含水率测量方法，研究电磁场的基本理论，针对原油管线含水率测量的特点，根据不同流体成分之间的电参数差异，建立了一套电磁感应法测量含水率的理论，并设计了具体的实现方案。设计并实现了相应的硬件电路和上位机软件，利用电磁感应的原理进行含水率的测量避免了与测量液体的直接接触，不会因为原油的腐蚀、结蜡等现象降低传感器的灵敏度，保证了长期测量的准确性。

参考文献：

[1] 任笑莹. 原油管线含水率测量[D]. 西安：西安石油大学， 2015.

[2] 孙亮亮. X射线法三相流测量技术研究[D]. 西安：西安石油大学， 2012.