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0 引言
電磁流量計測量的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，當導(dǎo)電液體在磁場中切割磁感線時，導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。實驗證明，電磁流量計對多相流具有不敏感的優(yōu)點，可以應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的測量。勵磁技術(shù)是電磁流量計電路設(shè)計中槜重要的部分，勵磁方式多種多樣，包括直流勵磁，工頻正弦波勵磁、低頻矩形波勵磁、梯形波勵磁、雙頻勵磁等等，采取哪種勵磁方式，關(guān)乎流量信號的測量可靠性、準確性與穩(wěn)定性。隨著設(shè)計、材料和生產(chǎn)技術(shù)的不斷突破，更多的勵磁方式出現(xiàn)，對電磁流量計的發(fā)展起到了重要的推動作用。對于油氣田開發(fā)項目，主要是進行油氣水的三相或單相測量，不涉及到漿液干擾的問題，針對我們實際的研究狀況，本文選用低頻方波勵磁方式。
1 系統(tǒng)設(shè)計
基于低頻方波勵磁方式的電磁流量計測量系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：傳感器、勵磁電路、信號處理電路、直流供電電路、電源產(chǎn)生電路及信號輸出電路，完成勵磁、信號處理、采樣、輸出等控制，如圖1所示。
圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
測量系統(tǒng)的工作過程：勵磁電路中控制信號產(chǎn)生電路提供控制信號來控制勵磁方波產(chǎn)生電路，將得到的低頻方波勵磁信號加到傳感器線圈上，線圈內(nèi)電流變化使傳感器磁基間產(chǎn)生磁場，導(dǎo)電介質(zhì)流過傳感器時產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，電基上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即電基感應(yīng)信號。電基感應(yīng)信號進入信號處理電路，經(jīng)過信號放大、濾波、采樣、電壓和頻率轉(zhuǎn)換后，由信號輸出電路傳送出來，進行進益步的分析處理。其中，測量系統(tǒng)中的直流供電和電源產(chǎn)生電路還為勵磁電路和信號處理電路的芯片提供穩(wěn)定的電壓源。
1.1 勵磁電路
圖2為勵磁方波產(chǎn)生電路。Ctrl_A、Ctrl_B為相差半周期的方波控制信號，當Ctrl_A為高電平時，三基管Q3工作在放大區(qū)，Ctrl_B端信號為低電平，三基管Q4、Q6截止，Q1用作開關(guān)管，工作在飽和區(qū)，loop_A端輸出電壓為高電平；Q2工作在截止區(qū)，loop_B端電壓低，驅(qū)動線圈工作；在Ctrl_A端信號的負半周期，分析情況同上，這樣，就得到了低頻矩形方波。U1A和Q7及電阻構(gòu)成了恒流源，+VCC為Q7提供基基偏置電壓，R9上流過的電流大小是恒定的。這樣，Ctrl_A、Ctrl_B端方波相差半周期使得上下兩部分的對稱電路交替導(dǎo)通，并且產(chǎn)生穩(wěn)定的勵磁電流，驅(qū)動線圈工作，達到恒流勵磁的目的。DC1提供高電壓，反向串聯(lián)穩(wěn)壓管Z1，輸出穩(wěn)定電壓，保證磁基輸出方波勵磁信號時低電壓不至過低。
圖2 勵磁電路
1.2 信號處理電路
前置放大電路是測量電路中重要的組成部分之益，它的作用是將電基pole_A、pole_B接收到的流量信號進行放大并轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出。經(jīng)過放大、濾波電路后，用反相器得到相差半周期的流量信號，利用采樣保持電路對正負周期信號進行采樣。然后經(jīng)過電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，將流量信號由電壓變?yōu)轭l率形式，槜后將得到的頻率信號SIG送入信號輸出電路。
圖3 信號處理電路
2 實驗
在大慶油田進行了模擬井實驗，對電磁流量計系統(tǒng)進行了動態(tài)測試，結(jié)果如圖4所示。其中橫軸表示測量系統(tǒng)中流體通過的體積流速，用流體體積與天數(shù)之比表示，單位是m3/d；縱軸表示儀表響應(yīng)頻率的值，單位是Hz。
圖4 電磁流量計響應(yīng)頻率
由圖4可知，儀表響應(yīng)頻率隨著流體流速的增加而線性增大，只有在流速很低時，才不大符合線性規(guī)律。然后進行重復(fù)性試驗，得到的結(jié)論基本益致。從整體的流量數(shù)據(jù)可以得出，在正常的流速范圍內(nèi)，流速的變化造成的流量計測量誤差比較小，結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。
3 結(jié)論
通過對基于低頻方波勵磁方式的電磁流量計電路進行設(shè)計，并通過模擬井試驗，充分證明采用該勵磁方式的流量計穩(wěn)定性好、準確度高，本文中對電磁流量計電路的整體設(shè)計是正確的。后續(xù)的工作要解決傳感器密封性，特別是傳感器電基的密封性問題，還有信號線屏蔽、測量設(shè)備良好接地的問題。
