（检测技术与自动化装置专业论文）油井井筒动液面测量系统设计与研究.pdf

摘要 在油井开采过程中，需要对油井的温度、压力、动液面等参数进行测量，以监控采 油过程。其中动液面是一个很重要的参数，它是及时掌握油井供液能力和调节机械采油 的重要依据，也是实现数字化油田过程中需要解决的问题。 人工测量方法是用微音器测量回音曲线，然后观察液面反射波位置，通过数抽油杆 节箍反射波，按比例计算出动液面。这种方法人为因素很大，误差较大、不方便、不直 接。测量过程使用子弹爆破存在一定的安全隐患。本文在分析传统测量方法的基础上硬 件选用以d s p 为核心的次声波测量方案；原理上选用频域分析方法，利用动液面声速测 量方案对传统方法加以改进；软件算法上引入快速傅立叶变换、小波变换技术，结合次 声波在井筒中的传播速度和液面信号传播时间确定动液面深度。由于引入计算机和数字 处理技术，测量过程快速可靠，克服了常规方法中人工判读所带来的误差，提高了动液 面测量的自动化程度和测量精度。 论文对次声波测量方案进行了可行性论证，研究了声波的产生、反射与折射、吸收 等原理；重点分析了油井井筒的声传播特性，在此基础上讨论了声波传播速度对动液面 测量的影响；研究了回音信号的时域、频域处理方法，采用频域分析方法并重点分析其 测量原理；围绕频域测量方法构建基本的测量电路实现次声波的发射与检测、信号采集 与存储、信号放大、结果显示等过程；编写测量程序，实现回波信号的数字滤波、快速 傅立叶频谱分析、小波多分辨率分析等环节；回波信号的数字滤波滤除了生产过程中机 械噪声等其它干扰信号：小波多分辨率分析将有用信号分解为代表节箍脉冲信号的低频 轮廓分量和代表液面等其它信号的高频细节分量；利用快速傅立叶变换对低频轮廓信号 进行频谱分析，获取了声波传播速度；利用小波去噪、奇异性分析方法查找了液面信号 位置即传播时间；结合传播速度和传播时间测出了动液面深度。 关键词：动液面，快速傅立叶变换，小波分析，声速测量 r e s e a r c ha n dd e s i g no nw o r k i n gl e v e lm e a s u r e m e n t s y s t e mo f o i lw e l lp i ts h a f t r e nj i a n ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f w a n gp i n g a b s t r a c t t h eo p e r a t i o no fa no i lw e l lr e q u i r e st h em e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n d w o r k i n gl e v e le t c p a r a m e t e r st om o n i t o ra n d c o n t r o lp r o d u c t i o np r o c e s s w o r k i n gl e v e lw h i c h i sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ri st h ei m p o r t a n tb a s i sf o rt i m e l yg r a s p i n go fw e l l sp r o d u c t i o n c a p a c i t ya n dr e g u l a t i n gm e c h a n i c a lr e c o v e r y i ta l s on e e d st ob er e s o l v e dd u r i n gt h e i m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a lo i l f i e l d a r t i f i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o du s ep h o n o s c o p ef o rm e a s u r i n gs o u n d e c h oc u r v e ，a n d t h e no b s e r v e st h el o c a t i o no ff l u i d l e v e lr e f l e c t i o nw a v e c a l c u l a t i n gw o r k i n gl e v e l p r o p o r t i o n a l l yt h r o u g haf e wc o u p l e rr e f l e c t e dw a v e t h i sa p p r o a c hh a sg r e a th u m a nf a c t o r s ， e r r o r s ，i n c o n v e n i e n c e ，n o td i r e c t l y t h e r ei sc e r t a i ns e c u r i t yr i s kf o rm e a s u r e m e n tp r o c e s s u s i n gb u l l e t sb l a s t i n g t h i st h e s i su s e sad s p c o r e ，i n f r a s o u n dw a v em e a s u r e m e n tp l a n ，w h i c h b a s e do nt h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s o nt h ep r i n c i p l eo f 仔e q u e n c y d o m a i na n a l y s i sm e t h o d s ，t h i st h e s i sc h o o s e si n f r a s o u n dw a v ev e l o c i t ym e a s u r e m e n t a p p r o a c ht oi m p r o v et h et r a d i t i o n a lm e t h o d s s o f t w a r ea l g o r i t h m so nt h ei n t r o d u c t i o no ff a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，w a v e l e tt r a n s f o r mt e c h n o l o g y ，c o m b i n e dw i t ht h ev e l o c i t yi ns h a f ta n dt h e f l u i d l e v e l s i g n a l t r a n s m i s s i o nt i m et od e t e r m i n ew o r k i n gl e v e ll o c a t i o n s i n c et h e i n t r o d u c t i o no fc o m p u t e r sa n dd i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h em e a s u r e m e n tp r o c e s si sf a s t a n dr e l i a b l e ，a n do v e r c o m et h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do fa r t i f i c i a le r r o r t h ew o r k i n gl e v e l m e a s u r e m e n ti sm o r ea c c u r a c ya n da u t o m a t i o n t h i st h e s i sp r o o f st h ev i a b i l i t yo fi n f r a s o u n dw a v em e a s u r e m e n tp l a na n dr e s e a r c h e st h e s o u n dw a v e sp r o d u c e d ，f i r i n ga n dr e f r a c t i o n ，a b s o r p t i o n ，a n do t h e rp r i n c i p l e s i tm a i n l y a n a l y s i sa c o u s t i cp r o p a g a t i o np r o p e r t yo fw e l ls h a f t ，o nt h eb a s i so fw h i c hd i s c u s st h ei m p a c t o fa c o u s t i cp r o p a g a t i o nv e l o c i t yf o rw o r k i n gl e v e lm e a s u r e m e n t t h i st h e s i sa l s or e s e a r c h e s e c h os i g n a l si nt h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i np r o c e s s i n gm e t h o d s ，a n dc h o o s e s f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hf o c u s o n a n a l y s i s i t sm e a s u r i n gp r i n c i p l e i t c o n s t r u c t sb a s i cm e a s u r e m e n tc i r c u i tt oa c h i e v ea c o u s t i cd e t e c t i o na n dl a u n c h ，s i g n a l a c q u i s i t i o na n ds t o r a g e ，s i g n a la m p l i f i c a t i o n ，r e s u l t sd i s p l a ye t c ，b a s e do nt h ef r e q u e n c y d o m a i nm e a s u r e m e n tm e t h o d t h e nw r i t i n gm e a s u r e m e n tp r o g r a mt oi m p l e m e n td i g i t a lf i l t e r , f a s tf o u r i e ra n a l y s i so ft h ef r e q u e n c ys p e c t r u m ，m u l t i r e s o l u t i o nw a v e l e ta n a l y s i sa n de t c d i g i t a lf i l t e ro fe c h os i g n a l sr e m o v e st h em e c h a n i c a ln o i s ea n do t h e ri n t e r f e r e n c es i g n a l s d u r i n gt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n m u l t i r e s o l u t i o nw a v e l e ta n a l y s i sd e c o m p o s e su s e f u ls i g n a l s a sl o w - f r e q u e n c yc o m p o n e n t sw h i c hr e p r e s e n t a t i v eo fc o u p l e rp u l s ea n dh i g h f r e q u e n c y c o m p o n e n t sw h i c hr e p r e s e n t a t i v eo ff l u i dl e v e la n do t h e rs i g n a l s u s i n gf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m t oa n a l y s el o w - f r e q u e n c ys i g n a la n da c q u i r ea c o u s t i cv e l o c i t y u s i n gw a v e l e td e n o i s ea n d s i n g u l a r i t ya n a l y s i sm e t h o dt o f i n df l u i dl e v e ll o c a t i o nw h i c hi st h ei n f r a s o u n dw a v e t r a n s m i s s i o nt i m e b yc o m b i n a t i o no fv e l o c i t ya n dt r a n s m i s s i o nt i m ei tc a nm e a s u r et h e w o r k i n gl e v e l k e yw o r d s ：w o r k i n gl e v e l ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，w a v e l e ta n a l y s i s ，a c o u s t i cv e l o c i t y m e a s t f l r e m e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：! ! 至墨日期：幽宕年月名日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：圭鱼 指导教师签名：丑辱 日期：。l 枷盆年舌月6 日 日期：三。，舻事 6 月多e l 中田，c j 油人学( 华东) 颂j j 学位论文 第l 章前言 1 1 引言 随着中国加入世界贸易组织，世界石油行业之间的竞争已经进入了个非常重要的 时期，这是巨人之间的竞争，兼并重组、提高效率、降低成本已成为石油股份公司迎接 挑战、参与世界竞争的主要目标，油田公司不断引进新技术装备，力争提高油井机械采 油效率、降低吨油成本n 1 。 如今在油田开发的过程中，随着石油喷出地层能量的逐渐降低，经过一定时期的开 采，底层能量就不能使油井保持自喷，这时必须借助外部的机械能量进行机械采油。为 了充分发挥油层的潜力，让机械采油设备高效率正常工作，如何使机械采油装备的采液 能力与油层的供液能力相匹配显得十分重要。因此在抽油井的测试中，动态液面值是一 个重要的参数。以往的测量方法是：用微音器测量回音曲线，然后观察液面反射波位置， 通过数抽油杆节箍反射波，按比例计算出液面值乜3 。这种方法人为因素很大，误差较大、 不方便、不直接。若结合计算机技术，对回音信号作一定处理，则可以直接计算出液面 值。利用数字化智能采油动液面测量系统还可以构成闭环自动控制系统，集油田机械采 油生产工艺特点、成熟的计算机数字化自动检测和闭环实时自动控制技术、独有的动液 面在线测量辩识技术、多种调速方法、覆盖的距离和范围不受地理位置限制的 g s m g p r s 移动通讯网络和先进的制造等技术措施为一体，为油田科学采油提供一种切 实可行的闭环自动控制技术手段，极大的提高机械采油自动化水平和系统效率，并推动 采油生产过程和数字化油田对自动化控制要求的进程。本课题就是要通过研究，找到合 适的软硬件方法，解决动液面测量问题，这是实现数字化油阳的一个重要环节。 1 2 课题意义与国内外研究现状分析 1 2 1 课题意义及可行性分析 设计与研究油井井筒动液面测量系统目的口3 在于： ( 1 ) 可以使抽油机泵的采液能力适应油井的供液能力，动态调参并自动地稳定油 井液面，合理开采，提高单井产量。 ( 2 ) 延长抽油机泵寿命，延长修井间隔时阳：j ，降低维修费用。 ( 3 ) 免除原人工定期测量油井动液面的投资及相关成本。 ( 4 ) 全面监控，减少意外停产。 ( 5 ) 在正常生产中，根据动液面的变化情况，选择最佳速度和对应运行功率的调 第1 章前高 速方案，使电动机运行在输出功率较低的工况，提高系统效率，减少实际电耗。 目前国内液位测量系统的生产采用引进加仿制的手段。近年来，国内多家公司和科 研机构陆续推出自行研制的液位测量仪表，其精度日益提高。进口的液位测量系统功能 齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想 之选。而国内自行研制生产的液位测量系统价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。 接触型液位测量仪表，由于其测量的敏感元件与被测液体直接接触，且多数存在传 动部件，因此在使用的过程中，或多或少的存在一些精度较低、维护开销大或使用寿命 较短等问题h 1 。例如：人工检尺法需要操作人员手动测量，测量精度较低且测量结果不便 于微机管理；伺服式液位测量系统属机械式测量装置，机械磨损直接影响测量精度，需 要定时维修和重新定标而且测量的重复精度较低。 非接触型液位测量仪表，由于其测量敏感元件与被测液体不接触，且多数不存在可 动部，测量精度较高且使用过程中日常维护的要求较低，因而其应用前景较广，特别是 可以适应相对恶劣环境下的测量。因此，非接触型液位测量系统是液位测量仪表发展的 必然趋势。其中雷达液位测量系统的测量精度较高，但安装较为复杂而且价格昂贵。激 光的传播速度很快，不便于信号的处理。射线液位测量系统容易对环境造成污染。 次声波不受光线、被测对象的颜色等影响。对于被测物体处于黑暗、有灰尘、烟雾、 电磁干扰、有毒等恶劣的环境有一定的适应性。同时次声波在油井复杂系统中衰减较弱， 因而可以在大范围内作用。综合而言，次声波液位测量系统具有非接触、精度较高、实 时测量、可靠性强等优点，比较适合课题需要。 1 2 2 国内外液位测量研究现状 液位测量遍及生产和生活的各个领域，尤其在一些技术领域，由于其使用环境和要 求具有特殊性，对液位测量装置不但要求精度高，还要求具有承受恶劣环境下持续传感 的能力，此外还须具备数字化或线性化输出，对安全性、可靠性都要求很高，往往要求 在液位传感系统中传感器具有报警、自检和自诊断能力。 传统的液位测量按其采用的测量技术及使用方法来分已达十多种旧1 ，其中有超声波、 电容、压力、激光、雷达、浮休、射频液位传感器等。近年来国内外一些研制单位研制 出了液位测量的一系列方法，并且制造出了相应的传感器，大大方便了液位测量系统的 设计和制造。 1 超声液位测量系统 超声波液位测量是用从声波源发射超声波，测量超声波达到所测液位面后反射回来 2 中罔一i 油人学( 华东) 硕j j 学位论文 所需的时间，利用该时间与液位成比例的原理来进行测量。由于空气和水之间的反射率 基本上是1 0 0 ，故可利用气体与液体对超声波界面的反射进行测量，这样不需要接触 测量物质即可测量液位。超声波液位系统中的微处理机能迅速、精密地计算出传感器到 被测物之间的距离。 美国在超声波传感器研制方面一直处于领先地位。美国m i l l t r o n i c s 公司研制的多量 程超声波液位监测系统具有测量液位、测量液位差的能力，其采用的非接触式超声波传 感器，可监视1 4 m 到3 0 c m 范围的液位变化，该系统专门编制了一种增强回声的软件程 序，多量程系统被监视槽的超声波分布图储存在计算机存储器中，采用连续测量确定液 位的方法来检验和修改分布图。m a g m e t r o l 国际公司的e c h t e l f i i 型超声波液位控制仪 有两种控制模式：连续波信号的高增益系列和脉冲信号的超增益系列，还增加了一个检 验机构，使之具有自检功能。h y b e p a r k 电子公司的双液位传感系统采用二只分别调节上 限和下限液位的电位计，超声波探头安装在液体之上且与控制装置连接，控制装置比较 被感受到的极限液位后去启动指示器和继电器，然后启动液体输出。 19 8 8 年的美国公开了一种改进型的超声波液位传感器专利，其可用于探测贮箱中液 位，特别适于探测箱中液体快满时的液位。测量原理为：从传感器上发出的超声波信号 经贮箱中液体表面反射回传感器的信号接收端，在传感器上输出一个脉冲，液位通过测 量超声波及反射信号的时间差来测量。用一个比较器来比较从传感器发出的信号，当接 收的脉冲比参考值大时，比较器就输出一个比较信号，参考信号用时间进行调节，当液 位接近全满时，反射信号脉冲很大，参考信号会识别有效的反射信号。参考信号将随时 间减少，反射信号幅度变小，这样可识别液位的降低。 2 电容液位测量系统 电容液位传感器是利用被测对象的物质的导电率，将液位变化转换成静电电容变化 来测量的一种液位计哺1 。与其它液位传感器相比，电容液位传感器具有灵敏度和输出电 压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适应性强、过载能力强等优点。 常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。新型液位 测量系统的关键在于转换电路。目前对测试线路的改进采取了以下几种措施： ( 1 ) 引人微处理机对干扰进行识别剔除；( 2 ) 采用电荷平衡式，电压平衡式等零 位测量方式，降低对电源电压，频率及前向回路各环节的要求，并抑制分布电容的影响； ( 3 ) 采用功能电路集成块，大幅度降低成本、提高性能价格比。 美国e l e c t r o m a t i c 控制公司最新推出的电容传感器的敏感度可以调节，且含有一个 第l 章前占 内部继电器和一只s a 单刀双掷输出继电器。继电器的切断延时范围为o 1 m i n 到1 0 r a i n 。 美国d r e b r o o k 工程公司的点面控制装置，工作频率达1 0 0 k h z ，当被测物质达到水平面 预定值时，该装置在继电器加上接触防护罩，物质水平面的变化使传感器的电容也发生 变化，从而引起电子装置中信号的变化。 1 9 9 0 年美国公开了一种手提式电容液位测量仪专利，当电容开关探测到液位时，其 上的一个可见预警和一个可听预警信号显示液位信号。该装置可用于测试贮箱中液位。 该测量仪还有一个气密室，能在一定压力下使用以防止烟雾逃散。同年公开的另一项美 国专利介绍的一种电容液位传感器，用一个电容器将与探针匹配的塑料管和传感器隔 开，以减少管子移动产生的假信号。该装置用一个吸量管探头抽取样品液体，在探头上 用一个振荡器产生高频信号来产生幅值和相位来产生液位信号。该液位仪器可探测液体 管道中的液位。 3 光纤液位测量系统 光纤液位传感器是一种新型的液位计，目前国内外已有产品问世。1 9 9 0 年国内公开 了一项传感器专利，是一种浮子式光电型编码带液位计，可用于检测容器内部的液位高 度。在检测机构中，它利用与浮子同步运动的一条绝对式光电型编码带和透射式光纤信 号检测头作为检测液位高度的传感器。编码信息以光信号或电信号方式传输至检测电路 中，由显示仪显示出液位高度，该液位计主测元件为一根与浮子同步升降的柔性钢码带， 码带正面刻有明暗相同的格电码编码信号，采用将红外发光元件和受光元件置于钢码带 同一侧的反射式“光电摄相器”经编码信号摄相。其透射式光纤信号检测中的“光纤发 送端头和“光纤接收端头 是分别置于绝对式光电型编码带透光孔的两侧。 1 9 9 1 年南京航空学院研制的一种光导纤维液位传感器，其利用光导纤维传感技术构 成的一种小型化开关式传感器，由光源输人多模光纤束、输出多模光纤束、光电转换器、 三角棱镜、传感器壳体所组成。三角棱镜装在传感器壳体内，输入输出多模光纤束装人 传感器体与三角棱镜接触，由光源发出的光经输人多模光纤束引人三角棱镜，在三角棱 镜后由输出多模光纤束输出至光电转换器变成电信号。该传感器适合于任何液体液位高 度的检测，报警或控制，特别适于易燃、易爆、腐蚀性液体的检测，检测精度高。在静 态下检测精度达l m m ，且体积小、重量轻、没有任何活动部件、安装方便、成本低。 1 9 9 2 年国内公开的一项中国专利，介绍了一种液位显示器，用于检测显示容器内部 的液位高度和测量明渠与管道中流体流量的大小。该测量仪由色带支撑滑轮、双色光带， 标尺、j 下逆光纤传感器测头、分度盘、j 下逆辨向导杆、动滑轮、曲向导向槽、重锤、浮 4 中囝油人学( 华东) 硕l j 学位论义 子等组成。在显示传动机构中一条挠性红白双色色带随着浮子式液位传感器件的升降而 显示出与液位所对应的位置高度，达到现场直观而醒目的显示，并能通过光纤检测头与 检测辨向档杆机构的组合装置，经电路转换后通过可逆计数器显示出数字化的液位数 值，具有现场本质防爆功能限位报警控制功能，适用于石油、化工、制药、轻工行业罐 装液位以及明渠污水和管道流量的现场与远传的瞬时显示与累计计量的需要。 1 9 8 8 年美国公开了一种光纤液位传感器，其主测机构为一根能置于装有液体的容器 的垂直管，沿该管装一个带磁铁的浮子，一根装有两根光纤的光纤电缆与管子顶部相连， 光纤延伸到液位被检测点，并与一个面向磁铁的反射镜相连，当液位升高时，反射镜被 浮子上的磁铁的磁链锁往上推，当反射镜被推到光纤焦点时，电路被切断，同时电信号 可用来打开或关闭开关，当液位下降，反射镜下降到光纤焦点以下时，光路被打开，光 纤完全与被测液体隔绝，因此这种传感器可用于危险区测量。 1 9 9 1 年美国公开另一种适用于多种液体检测的多波段光纤液位传感器专利，该传感 器可用于测量装有不能混合的液体的容器中的液位。光纤的一端浸在被测液体中，光被 照射到光纤的另一端，反射光传输的比率与容器中液面的瞬时变化有关，因为对每种液 体的单位长度光纤的吸收不同，可从液体消耗中推测出液位，从吸收数量可获得液体相 对数量。 4 雷达液位测量 雷达液位测量系统发明于6 0 年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技 术，将微波发射器和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回 波信号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变。将两种信号混合处理，所 得信号的差频正比于罐顶到液面之间的距离。雷达液位测量系统特别适用于高粘度或高 污染的产品，如沥青等。雷达液位测量系统的测量精度较高，而且无需定期维修和重新 定标，但是安装比较复杂且价格不菲。 5 激光液位测量 其测量原理类似于次声波液位测量系统，只是采用光波代替了次声波。发射传感器 发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射 至接收的时问换算成液位。激光的光束很窄，在液位测量系统中通过光学系统转换成约 2 0 m m 宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位测 量系统非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的 波动很敏感，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。 5 第1 市前高 6 次声波液位测量 次声波在传播过程中衰减极小，这就使它能够在大范围内进行作用。石油开发中利 用次声波对储油层进行振动处理，还可以提高原油的采收率、降低产出液的水油比盯1 。 声学测井在油田技术已经相当成熟，相关的理论已经比较完善。在随钻测井、地震信号 处理等过程中利用声波信号测量地层构造和油气储量已经广泛应用。加上小波信号分析 以及频谱分析技术在数据处理中的应用推动了声波测量的发展，但是在动液面测量方面 由于重视程度不够还比较薄弱，近年来国内也有一些机构开始从事这方面的研究。 目前在次声波测量方面的国内外研究理论比较丰富但应用还处于初级阶段。就本课 题的实际情况来看，超声波由于衰减比较快测量距离短，不适合本课题的要求。光纤测 量可以满足要求但是其成本较高，并且故障作业费用也较高，同样不太适合本课题。相 比其它测量方法而言，次声波测量有其独特的优势，费用较低、衰减非常小、非接触， 适合课题需要。综上所述，利用次声波作为测量信号可以达到很好的测量目的，而且研 究发现，在增产节能和降低稠油黏度等方面具有同样重要的意义，同时有利于原油在管 道中传输，可以应用于油井井筒动液面测量系统。 1 2 3 次声波液位测量现状 次声波液位系统具有广泛的适用性，可以根据不同测量场合的需要，采用气体介质、 液体介质或固体介质导声。既可用来测量航道、水库的液位高度，也可以测量液化气罐、 化工塔等密闭容器内的液位高度。由于次声波液位测量系统没有可动部件，不存在机械 磨损、机械故障，因而其可靠性和使用寿命比多数接触型液位测量系统要高。测量装置 结构简单，不需要其它附加设施，且安装、使用和维护都较方便。随着电子技术的发展， 单片机和d s p 技术的嵌入应用，次声波液位系统的精度有了进一步的提高，功能更加 齐全。但其主要缺点是：声速随温度、储存物料的化学成分和罐内蒸汽的运动而变化， 影响测量精度。根据测量精度的要求，可以对声速采用多种方法校正。以往测量回音曲 线是利用子弹的爆破产生次声信号，没有实现测量过程自动化。因此，次声波测量早己 存在，但是一些新的理论算法和测量技术还没有引入进来，完成动液面自动测量还需要 进一步的研究。 1 3 主要研究内容 课题的主要研究内容有： ( 1 ) 对国内外液位测量技术的现状和原理进行分析和研究：选用次声波测量技术 实现动液面测量。 6 中固石油人学( # 东) 颂j j 学位论文 ( 2 ) 分析次声波测量的声学原理，对测量过程中声波的产生、反射与折射、吸收 进行理论研究，证实次声波测量方案切实可行。重点分析动液面测量系统的声波传播特 性以及声波传播速度对测量结果的影响。 ( 3 ) 研究分析动液面测量原理，在研究时域和频域信号处理方法优缺点的基础上 选用频域分析方法。重点分析频域测量方法的测量原理，并在此基础上引入了小波分析、 快速傅立叶变换等数字信号处理理论。 ( 4 ) 设计动液面测量的硬件方案，并对次声波发讯与接收、信号放大、数据采集 与存储、电源转换、显示等模块进行分析。 ( 5 ) 设计软件测量总体框架，按照次声波声速动液面测量方法编写测量程序。实 现信号的数字滤波，在此基础上利用小波分析进行信号多分辨率分析，将有效信号分解 为代表节箍脉冲的低频轮廓分量和代表液面等其它信号的高频细节分量。利用快速傅立 叶分析方法对低频分量进行分组测速分析；利用小波去噪、奇异性分析方法分析液面回 波位置。对油田现场测量数据进行分析和讨论，完成动液面测量。 课题重点完成的任务有： ( 1 ) 研究分析回波信号的频域处理方法和原理，选择快速傅立叶变化、小波分析 技术实现该过程。 ( 2 ) 设计动液面测量的总体硬件方案，调试焊接了d s p 开发系统，并对信号采集 与存储、信号放大、显示等模块分别做实验分析。 ( 3 ) 编写软件测量程序，实现数字滤波、快速傅立叶变换、小波多分辨率分析等 算法。利用这些算法应用于油田现场测量数据，并对结果进行分析。 7 第2 章动液皿测量系统声学原理分析 第2 章动液面测量系统声学原理分析 2 1 声学基本概念 声波是媒质质点的机械运动由近及远的传播，声波是一种机械波。声波的产生需要 有三个条件，即声源、弹性媒质和一定的频率范围。弹性媒质可以是气体，也可以是液 体和固体。我们知道，连续媒质可以看作是由许多紧密相连的微小体积元咖组成的物质 系统。声波的传播实际上也就是媒质内稠密和稀疏的交替过程，显然这样的变化可以用 体积元内压强、密度、温度以及质点速度等的变化量描述阳1 。 在平衡状态时，系统可用体积v o ( 或密度p o ) 、压强r 及温度r o 等状态参数来描 述。设体积元受声扰动后压强由p o 改变为墨，则由声扰动产生的逾量压强( 简称为逾压) 表示为 p2 墨一p o ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 称为声压。声压是衡量声波强弱的物理量。因为声传播过程中，在同一时刻， 不同体积元内的压强p 都不相同；对同一体积元，其压强p 又随时间而变化，所以声压 p 一般是空间和时间的函数，即p = p ( x ，y ，z ，f ) 。 此外，既然声波是媒质质点振动的传播，那么媒质质点的振动速度自然也是描述声 波的物理量之一。但是由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量也可以间接求得 质点速度等其它物理量，所以声压己成为目前人们最为普遍采用的描述声波性质的物理 量。 媒质中有声波存在的区域称为声场。声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压。在时 间域，某一瞬时的声压值称为瞬时声压，在声信号的某一段时间内的最大瞬时声压值称 为峰值声压或颠值声压，而在这一段时间内的瞬时声压对时间取均方根值则称为有效声 压见即 旷陌 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中下脚符号“e ”代表有效值，r 代表取平均的时间问隔，对周期声压，7 取 一个或几个周期；对非周期性声压，丁应取足够长，以使间隔长度的微小变化不影响测 量结果。一般用电子仪表测得的往往就是有效声压，因而人们习惯上指的声压，也往往 是指有效声压。 声压的大小反映了声波的强弱。声压的单位为只( 帕) ： 8 中困彳i 油人学( 华东) 硕 ：学位论文 1 p o = 1 n m 2 有时也用b a r ( 巴) 作单位，l b a r = l o o k p o 。 声波传播到原先静止的媒质中，一方面使媒质质点在其平衡位置附近来回振动，同 时媒质产生压缩和膨胀的过程，前者就使媒质具有了振动动能，后者使媒质具有了变形 位能，动能和位能之和称为声能量。扰动传走，声能量也跟着转移，因此可以说声波的 过程实质就是声振动能量的传播过程。 声功率是指声源在单位时间内，通过垂直于声传播方向面积s 上的声能量也称作平 均能量流。声功率的符号为肜，单位为瓦( 形) ，1 w = 1 j s 。 声强是指单位时间内，声波通过垂直于声传播方向单位面积上的声能量。用符号， 表示，单位为瓦米2 ( w m 2 ) 。 根据声强的定义，它还可用单位时间内、单位面积的声波向前进方向毗邻媒质所做 的功来表示，因此它也可以写成 卜1 。f r , ( p ) r e ( v ) a t ( 2 - 3 ) 对沿x 方向传播的平面声波，则有 仁篆= 芸= 知谚= 风气7 1 舻见匕 ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中匕为有效质点速度匕= 睾。 可见，声强与声压幅值或质点速度幅值的平方成正比；此外，在相同质点速度幅值 的情况下，声强还与媒质的特性阻抗成正比，例如在空气和水中有两列相同频率、相同 速度幅值的平面声波，这时水中的声强要比空气中的声强约大3 6 0 0 倍，可见在特性阻 抗较大的媒质中，声源只需用较小的振动速度就可以发射出较大的能量，从声辐射的角 度来看这是很有利的。 声学中，普遍采用对数标度来度量声压和声强，称为声压级和声强级。其单位常用 挡( 分贝) 来表示。 1 。声压级 声压级以符号即上表示，其定义为 s p l ：2 0 l o g l 。旦( 船) ( 2 5 ) p 耐 9 第2 章动液面测量系统声学原理分析 式( 2 - 5 ) 中p 。为待测声压的有效值；p 吖为参考声压。在空气中，参考声压一般 取为2xl o 。 2 声强级 声强级用符号s i l 表示，其定义为 s i l = l o l o g l o7 。- - ( 如)( 2 6 ) 1r e 在空气中，参考声强一般取1 0 。1 2 w m 2 。这一数值是与参考声压2 1 0 。5 相对 应的声强。声压级与声强级数值上近于相等，因为 s i l _ 1 0 l o g l 。- 1 0 l o g l o ( 等掣) ：眦+ 1 0 l 。9 1 0 竺( 2 - 7 ) i 呵 c op麓poco 如果在测量时条件恰好是p o c o = 4 0 0 ，则式( 2 7 ) 中s i l = 跳；对一般情况，声强级 与声压级将相差一个修正项1 0 l 。g 。竺，它通常是比较小的。 风c o 2 2 平面声波 平面声波是一种波型比较简单的声波。声波仅沿x 方向传播，而在弦平面上所有质 点的振幅和相位均相同的情况，因为这种声波的波阵面是平面，所以称为平面波。 2 2 1 平面声波的基本性质 设想在无限均匀媒质里有一个无限大平面刚性物体沿法线方向来回振动，这时产生 的声场显然就是平面声波。讨论平面声波存在的空间的声场，归结为求解一维声波方程 耄o x = 专2 誓o t p 8 ， 靠 2 、 7 设式( 2 8 ) 的解的形式为 p = p ( x ) e 倒( 2 9 ) 其中缈为声源简谐振动的圆频率。结合( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 两式可以得到关于空间部分p ( x ) 的常微分方程 d 2 丁p ( x ) + k 2 p ( x ) ：0 ( 2 - 10 ) 出2 其中k ：竺称为波数。 气 式( 2 - 1 0 ) 可以取正弦、余弦的组合，也可以取复数组合。对于讨论声波向无限空间 1 0 中固石油人学( 牛东) 倾 j 学位论文 传播的情形，下面将指出，取复数形式的解更为适宜，即 p ( x ) = a e 一 k x + 眈归 ( 2 11 ) 其中a ，b 两个常数由边界条件决定。 于是可以求解出原方程( 2 8 ) 的解 p ( t ，x ) = a e 7 耐一h + b e 肼+ 打( 2 12 ) 式( 2 1 2 ) d 0 第一项代表了沿正x 方向行进的波，第二项代表了沿负x 方向行进的波。 假设在波传播途径上没有反射体，就不出现反射波，因而b = 0 ，所以式( 2 - 1 2 ) 简化为 p ( t ，x ) = a e 耐一。h ( 2 1 3 ) 再设x = 0 的声源振动时，在毗邻媒质中产生了见p 埘的声压，这样就求得a = p 。， 于是求得了声场中的声压为 p ( t ，x ) = 见p 7 叫一缸 ( 2 - 1 4 ) 根据声压与质点速度的关系 岛詈一詈( 2 - 1 5 )岛百一言 可以得到质点的速度 ，( ，石) = 匕p 。纠一h ( 2 - 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 中屹= l ，就是均匀的理想介质中一维小振幅声波的声压和质点速度。 硒f o 当然取复数形式的解只是为了运算方便，真正有物理意义的应该是它们的实部。 2 2 2 平面声波的产生 平面声波具有一个很重要的特性，就是其振幅是不随距离而变化的，因此平面声波 各个声学量之间的关系较为简单。在实际的自由空间中，利用一般声源往往获得的不是 平面波，而是波阵面逐渐扩张，振幅随距离逐渐减弱的球面波。而管道是平面声波传播 的一种良好环境，还在电子技术远远没有今天这样发达之前，医生就己能用简易的听诊 器来听取病者心肺产生的微弱病态声音。其原理就是将人的心肺运动的声音引聚到较细 的管道中，使能量不发散并有效地传入人耳。 实际上，管中的平面声波的获得是需要满足定的条件的。设一矩形管( 刚性管壁) ， 管子的宽度f ，高度l ，如图2 - 1 所示。 笫2 章动液面测量系统声学原理分析 图2 1 矩形声波导臂 f i 醇- ir e c t a n g l ea c o u s t i c w a v ec o n d u c t o r 设管口取在z = 0 处，另一端延伸到无限远。在这样的管中一般说来声压在x ，y ，z 方 向是不均匀的，因而声波方程应该采用三维坐标 窘+ 等+ 窘= 去害 c 2 j 7 ， 苏2却2 瑟2 c n 西2 、 己知声源的激发频率为厂，求解( 2 - 1 7 ) 式可知管中产生沿z 方向传播声波的条件归 结为 厂 丘 ( 2 - 1 8 ) 这罩 厂 ：c o n 一， 2 称为声波导管的简正频率。 我们称对应于( 传，? y ) 的波为( 心，玎，) 次的简正波。对应于恢= 0 ，2 ，= 0 称为( o ，0 ) 次波， 而且( 0 ，0 ) 次波就是沿z 轴方向波阵面为平面的一维平面波。在管中这种平面波仅是可能 存在的多种多样的波中的一个，而不是唯一的一个。为了加以区别我们称( o ，0 ) 次波为主 波，除( 0 ，o ) 次以外的波称为高次波。从上面的式子分析表明，只有当声源的激发频率厂 比管中某个简正频率z ，高时，才能在管中激发出对应的( 仇，n y ) 次波。可以设想，如果 声源的频率低于管中除零以外的最低一个简正频率，那么管中所有的高次波都不能出 现。v i 为( o ，o ) 次简j 下频率厶= 0 ，所以只要有声源存在，任何频率都总是大于零的，因 此这时管中只可能传播唯一的( 0 ，0 ) 次波。为此我们称除零以外的一个最低简正频率为声 波导管的截止频率，简称管子的截止频率。这就是说如果有一声管，已确定其截止频率， 那么只要声源的工作频率比它低，在这一管中就只能传播唯一的( 0 ，o ) 次波。例如，矩形 1 2 中困彳j 油人学( 华东) 硕l j 学位论义 管子的宽度i x ：o 1 m ，高度f