用于井下超声石油流量计的互相关方法

　　1 引 言

　　在井下石油流量测量中，要求测流装置具有较宽的动态范围和很高的测量精度，井下原油黏度大，不导电，使得传统的涡轮式或电磁式等流量计存在灵敏度高，不受井壁结垢、油污等的影响，测试成功率高等优点，适合用于井下特定环境下的石油流量测量[1，7]。 在常规的井下超声流量计中一般采用阈值法获取顺逆流超声波到时，这种方法只利用了超声回波的幅度信息，因此容易受到干扰，稳定性较差，甚至会出现错判周期的测量错误。

　　本文提出了一种采用数值互相关方法求取时差的方案，有效地克服了错周期的问题，具有更高的测量精度和稳定性，并设计了实验室样机进行了方法的验证。

　　2 石油流量计声学结构及测量原理

　　传统井下超声流量计的超声换能器采用正对布置，这种方式可以获得信噪比较高的超声信号，但它对流场的影响很大，同时当被测流体为黏度较高的原油时，换能器表面会有粘附，这些均会影响测流的精度。 实验室前期的工作采用了倾斜式的超声时差测流法，这种方式把换能器等声学器件内置于专用的井下声系中，受到外壳的保护，减小超声石油流量计对流场稳定性的影响，提高了测量精度[1]。 图 1 为倾斜式时差法超声测流示意图。 图中外层为井壁套管，内层为筒状的声系短节。 测量所用的两个超声换能器倾斜放置于声系短节内。 仪器中的换能器发出声束， 斜入射进入仪器外套管内的待测介质，经套管壁反射后被另一个换能器接收。 测量中两个换能器轮流作为发射器和接收器， 测得两个传播时间。如果流体流速为 v，静止流体中的声速为 c，两个换能器间的直线距离为 L， 换能器中心轴和声系轴线间的夹角为 θ，则顺流时间是，逆流时 间 是 两 者 之 差 是因此根据测量得到的两个时间，计算出△t，就可以得到流速

　　3 互相关法求取回波时差

　　本系统测量流速的精确度取决于时差测量的精确度和稳定性。 在常规的时差法测量中多采用阈值法获取顺流和逆流的到时，然后求取时差。 阈值法测量到时一般采用计数器计数，比较电平判断回波到达的方法，在发出超声波脉冲的同时启动计数器，在比较电平判断回波到达后停止计数器，计数器的计数值乘以计数周期就等于超声波传播的时间。 阈值法仅仅对回波波形的某一幅值进行比较，只利用了回波的幅度信息作为回波到达的判断，如果回波幅度有较大变化，那么这种方法测量得到的时差将存在较大的误差。 如果顺逆流回波幅度不一致，而阈值在两波峰值中间，此时就可能发生错周期现象，产生很大的误差，如图 2 所示。