申请/专利权人：山东大东联石油设备有限公司;西安石油大学

申请日：2024-01-29

公开（公告）日：2024-05-07

公开（公告）号：CN117647291B

主分类号：G01F1/667

分类号：G01F1/667;H02J50/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.07#授权;2024.03.22#实质审查的生效;2024.03.05#公开

摘要：本发明涉及超声波流量计技术领域，特别涉及一种井下无揽式多声道超声波流量计及使用方法。其技术方案是：超声波流量计主体的外壁安装保护套筒，接收线圈模块缠绕在超声波流量计主体外壁的上侧，接收线圈模块与蓄电池模块电连接，超声波流量计主体的下侧安装超声波传感器模块，通过超声波传感器模块测量流体的流量；超声波流量计主体的上方设有移动的电能发射线圈模块，可以对蓄电池模块进行充电；单片机模块通过升压电路模块连接到超声波传感器模块，为超声波传感器模块提供高压输出。本发明摆脱了长时间安装有电缆的束缚，在充电完成后可以工作一段时间，没有了传统有缆式流量计对电缆的要求，降低了成本，提高了液体测量的准确度。

主权项：1.一种井下无揽式多声道超声波流量计，包括超声波流量计主体（10），其特征是：所述超声波流量计主体（10）的外壁安装保护套筒（5），在超声波流量计主体（10）的外壁与保护套筒（5）之间安装接收线圈模块（2）、单片机模块（3）、蓄电池模块（4）和升压电路模块（9），所述接收线圈模块（2）缠绕在超声波流量计主体（10）外壁的上侧，且所述接收线圈模块（2）与蓄电池模块（4）电连接，且所述升压电路模块（9）的下侧安装单片机模块（3），通过蓄电池模块（4）为单片机模块（3）和升压电路模块（9）供电；所述超声波流量计主体（10）的下侧安装一个以上的超声波传感器模块，通过超声波传感器模块测量流体的流量；所述超声波流量计主体（10）的上方设有移动的电能发射线圈模块（1），通过电能发射线圈模块（1）与接收线圈模块（2）产生谐振，将磁场能量转换为电能，并通过整流电路将感应电流接入到蓄电池模块（4）进行充电；所述单片机模块（3）通过升压电路模块（9）连接到超声波传感器模块，为超声波传感器模块提供高压输出；所述的超声波传感器模块设有两组，包括第一超声波探头（6）和第二超声波探头（8），且每组超声波探头分别包括发射端探头（6.1）和接收端探头（6.2），通过单片机模块（3）控制发射端探头（6.1）和接收端探头（6.2）来回切换收发状态，往复循环测量，通过计算超声波通过的路径时间，将路径时间传入单片机模块（3），根据管径大小来得出流体的流量大小；所述的第一超声波探头（6）和第二超声波探头（8）分别安装在超声波流量计主体（10）的内壁中下侧，且每一组发射端探头（6.1）和接收端探头（6.2）与超声波流量计主体（10）分别呈一定角度相对应固定安装；所述的第一超声波探头（6）获得一路超声波信号，第二超声波探头（8）获得另一路超声波信号作为噪声信号，通过将第一超声波探头（6）的超声波信号与第二超声波探头（8）的噪声信号拟合后，得到准确的液体流量数据；所述的井下无揽式多声道超声波流量计的使用方法，包括以下过程：一、将充满电的井下无揽式多声道超声波流量计送入井下设计位置并固定，单片机模块（3）控制升压电路模块（9）将蓄电池模块（4）的低电压输出高电压给第一超声波探头（6）和第二超声波探头（8），其中，第一超声波探头（6）和第二超声波探头（8）的发射端探头（6.1）和接收端探头（6.2）分别呈一定角度固定在超声波流量计主体（10）内；其中，第一超声波探头（6）的发射端探头（6.1）和接收端探头（6.2）获取一路超声波信号，第二超声波探头（8）获得另一路超声波信号作为噪声信号，通过将第一超声波探头（6）的超声波信号与第二超声波探头（8）的噪声信号拟合后，得到准确的液体流量数据；二、在经过一定次数的测量后，蓄电池模块（4）出现电量不足，当测量蓄电池模块（4）的电压值低于3.315V时，向地面反馈信号，然后，通过地面井口向下送入连接电缆的电能发射线圈模块（1），且电缆的上端连接逆变电路，逆变电路将直流电转化为交流电，并通过电缆输送到电能发射线圈模块（1）；当电能发射线圈模块（1）送入到井下固定的超声波流量计主体（10）的接收线圈模块（2）时，电能发射线圈模块（1）与接收线圈模块（2）产生谐振，将磁场能量转换为电能，并通过整流电路将感应电流接入到蓄电池模块（4）进行充电，当充满电后，继续通过单片机模块（3）控制第一超声波探头（6）和第二超声波探头（8）对井下液体进行计量；另外，第一超声波探头（6）与第二超声波探头（8）的信号拟合过程如下：步骤一，第一超声波探头（6）和第二超声波探头（8）的内部的中心频率是1MHz，其流速检测通道和噪声通道所输出的信号分别为超声波监测信号Vt和噪声监测信号Vn，分别连接到第一信号放大器Et和第二信号放大器En的输入端Et1和En1，将输出的电荷信号转化为电压；步骤二，在转化为电压信号后，将超声波流量信号与噪声信号分别输出到对应的第一滤波器Ft和第二滤波器Fn中，滤除掉其他频率的工频干扰；步骤三，在滤除掉工频干扰后的超声波流量信号和噪声信号分别输出到数据采集电路，进行超声波信号数据处理；所述步骤三中的超声波信号数据处理方法如下：步骤1，在单片机模块（3）控制下进行同步采样，采样获得的超声波监测信号是rti，噪声信号为rn（i），其中i为第i个采样时间；步骤2，在同步采样以后获得噪声信号应用公式（1）来计算噪声均值m，同时使用公式（2）开始计算标准差σ；公式（1）内部是参与计算均值的各个数据，rn（i）是ti时刻噪声的数据值； （1）； （2）；步骤3，按照公式（3）来计算超声信号和噪声信号互相关函数rtn（j）； （3）；步骤4，根据公式（3）中j的各个取值范围，计算每个互相关函数最大值所对应的j值，使用公式（4）来计算管道流体流速VL； （4）；公式（4）中L是噪声监测传感器与超声波检测传感器沿管道轴线的距离，j·Δt是通过互相关函数rtn（j）确定的超声波检测信号和噪声监测信号的延长时间；步骤5，根据公式（5）和公式6分别计算出砂的超声波监测信号rti和噪声监测信号rni的离散频谱Rtk和Rnk，再根据公式7和公式8分别计算超声波监测信号rti和噪声监测信号rni的功率谱Gtk和Gnk，并对二者的功率谱按照公式9和公式10做归一化处理； （5）； （6）； （7）； （8）； （9）； （10）；步骤6，比较功率谱Gtk和Gnk的幅度，找出二者在幅度上差异最大的频率范围，包括频率下限fL和频率上限fH；步骤7，以下限频率fL和上限频率fH分别作为带通滤波器的低截止频率和高截止频率，对rni进行带通滤波；滤波后的超声波流量信号还包括噪声，需要首先从超声波信号中减去步骤2中得到的噪声均值m，考虑到有部分噪声幅度会大于均值m,因而如果要消除99.7%的噪声，还需要减去2σ，即： i=1,2,…,N（11）；其中，是纯粹的超声波信号；步骤8，将步骤4得到的流体流速vL应用于公式12和公式13，分别计算单位时间内的管道流速Mt和累积流体流量M，其中Mt的单位为ms，M的单位为m； 12； 13；计算出的累积体积流量。

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