專利名稱：壓電換能器井下液位測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于石油開采作業(yè)過程中井下液位的測量設(shè)備，具體講，涉及壓電換能器井下液位測量儀。
背景技術(shù)：
壓電換能器在空氣中和液體中時(shí)，其輻射負(fù)載差別很大，即換能器的諧振頻率、阻抗值、導(dǎo)納圓差別明顯。用多個(gè)壓電換能器制作的大功率超聲探頭常用于油井作業(yè)，疏通地層中的堵塞物，提高地層的滲透能力。當(dāng)這些探頭下井時(shí)，技術(shù)人員希望通過儀器設(shè)備既能動(dòng)態(tài)地了解探頭所處的深度和地層，又能測量套管井中液面的位置。利用壓電換能器在空氣和液體中輻射阻抗差別很大的特征，發(fā)明了井下液位測量系統(tǒng)。目前，國內(nèi)許多高校和企業(yè)對(duì)井深測量進(jìn)行了大量的研究，也取得了很多成果。例如吉林大學(xué)的關(guān)濟(jì)實(shí)，在其碩士畢業(yè)論文《高精度井溫井深測量儀的研制》(2006)中，研制了以ARM嵌入式系統(tǒng)為核心的井溫-井深測量儀，解決了傳統(tǒng)測量中深度偏差較大的問題，提高了測量精度。由壓電換能器測量套管井中液面的位置，在國內(nèi)的研究和產(chǎn)品較少，同時(shí)國外的設(shè)備則相對(duì)昂貴。因此，配合大功率超聲波作業(yè)，研究一種有效的井下液位測量方法，并設(shè)計(jì)一種低價(jià)、靈敏、便捷的測量系統(tǒng)，對(duì)判斷超聲波作業(yè)效果將有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，直接利用大功率超聲探頭，在其下井的過程中對(duì)井內(nèi)的液位深度進(jìn)行測量。提供一種集信號(hào)發(fā)生、采集與分析于一體的簡易系統(tǒng)，當(dāng)探頭進(jìn)入到液面時(shí)，系統(tǒng)可通過電流表指示出來。為達(dá)到上述目的，本壓發(fā)明采用的技術(shù)方案是，壓電換能器井下液位測量儀，包括五個(gè)部分探頭、頻率可調(diào)的正弦信號(hào)產(chǎn)生、功率放大、峰值檢測以及相位差檢測部分；頻率可調(diào)的信號(hào)產(chǎn)生部分以集成芯片為核心，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波，頻率范圍是IOHz 50kHz ;該正弦波經(jīng)過幅值、功率放大后，通過電纜將功率放大后的超聲信號(hào)傳送至探頭；在探頭下井的過程中，當(dāng)探頭從空氣進(jìn)入液面時(shí)，探頭中的壓電換能器阻抗發(fā)生改變，探頭兩端的電壓與流過探頭的電流信號(hào)均發(fā)生改變；通過峰值檢測部分得到這些變化的電壓、電流信號(hào)的峰值；通過相位差檢測部分檢測電壓和電流信號(hào)的相位差。相位差檢測部分以乘法器為核心，經(jīng)過乘法器以后的輸出為直流信號(hào)與二倍頻信號(hào)的疊加，將疊加信號(hào)經(jīng)過RC積分電路處理，即可得到直流信號(hào)的相位差，該相位差最終通過電流表輸出，用其突變來指示套管井液面位置。功率放大部分包括前置放大與甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大兩部分,前置放大電路的主要元件為電流反饋放大器，甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路主要由三級(jí)管Q1、Q2、二極管D2與D3構(gòu)成，三級(jí)管Ql和Q2組成互補(bǔ)輸出級(jí)，靜態(tài)時(shí)，二極管D2、D3上產(chǎn)生的壓降為三級(jí)管Q1、Q2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘海怪幱谖?dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，在信號(hào)的正半周，Ql導(dǎo)通，Q2截止；在信號(hào)的負(fù)半周，Ql截止，Q2導(dǎo)通。峰值檢測電路主要由三部分組成輸入端射極跟隨器、RC峰值檢測部分以及輸出端射極跟隨器；輸入端射極跟隨器、輸出端射極跟隨器均由運(yùn)放構(gòu)成，由同相端接入輸入信號(hào)，反相端接反饋，輸出端射極跟隨器運(yùn)放與地之間并接的電阻、電容構(gòu)成RC峰值檢測部分。探頭是大功率超聲探頭，是由8個(gè)壓電換能器制作的，采用并聯(lián)方式，每個(gè)壓電換能器由三個(gè)壓電陶瓷管并聯(lián)，并且徑向上內(nèi)外均加預(yù)應(yīng)力。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及效果本發(fā)明由頻率可調(diào)的信號(hào)產(chǎn)生部分，功率放大部分，峰值檢測部分以及相位差檢測部分結(jié)構(gòu)，通過所測量的電壓、電流正弦信號(hào)的幅度和相位差的變化探測液面位置，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。


圖1電路生成的正弦波。圖2(a)探頭兩端的電壓信號(hào)，(b)流過探頭的電流信號(hào)。圖3井下液位測量系統(tǒng)電路板。圖4井下液位測量系統(tǒng)裝置。圖5井下液位測量功能結(jié)構(gòu)圖。圖6超聲波采油及井下液位測量系統(tǒng)工作流程示意圖。圖7ICL8038信號(hào)發(fā)生器主電路。圖8功率放大電路。圖9峰值檢測電路。圖10相位差檢測電路。圖11積分電路。圖12積分電路充電過程。
具體實(shí)施例方式在地面通過電纜給井下探頭中的壓電換能器發(fā)射正弦波，通過測量探頭兩端的電壓峰值和流過探頭的電流峰值以及二者的相位差指示探頭下井過程中所處的狀態(tài)，即探頭是在液體中還是在空氣中。狀態(tài)改變的位置即為套管井的液位。本系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分頻率可調(diào)的信號(hào)產(chǎn)生部分,功率放大部分,峰值檢測部分以及相位差檢測部分。頻率可調(diào)的信號(hào)產(chǎn)生部分以ICL8038集成芯片為核心，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波，其頻率范圍是IOHz 50kHz，帶寬可覆蓋絕大多數(shù)壓電換能器的工作頻率。該正弦波經(jīng)過功率放大部分后，幅值與功率均被放大，通過電纜將功率放大后的超聲信號(hào)傳送至探頭。在探頭下井的過程中，當(dāng)探頭從空氣進(jìn)入液面時(shí)，探頭中的壓電換能器的負(fù)載改變，由于空氣的密度及聲波速度與液體相差比較大，導(dǎo)致壓電換能器的輻射阻抗發(fā)生改變，這時(shí)探頭兩端的電壓與流過探頭的電流信號(hào)也相應(yīng)改變。我們通過峰值檢測部分得到電壓、電流信號(hào)的峰值。同時(shí)將具有相位差的電壓、電流信號(hào)輸入液位測量系統(tǒng)的相位差檢測部分，該部分以AD633乘法器為核心，經(jīng)過乘法器計(jì)算后的輸出為直流信號(hào)與二倍頻信號(hào)的疊加信號(hào)，將疊加信號(hào)經(jīng)過RC積分電路處理，即可得到為直流信號(hào)的相位差，該相位差最終通過電流表來指示，在液面位置，相位差發(fā)生突變，從一個(gè)數(shù)值變化到另外一個(gè)數(shù)值。由ICL8038生成的正弦波如圖1所示，該正弦波的頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍是IOHz 50kHz，此圖的頻率為探頭的諧振頻率(35.285kHz);正弦波的占空比也可調(diào)，此圖為50% ；此外，該波形的失真度較小，峰峰值為3v。峰值檢測電路輸出波形為直流信號(hào)，圖2(a)為探頭兩端的電壓，圖2(b)為流過探頭的電流。從結(jié)果可知，直流信號(hào)大小與交流信號(hào)的峰值相等。大功率超聲探頭是由8個(gè)壓電換能器制作的，采用并聯(lián)方式。每個(gè)壓電換能器由三個(gè)壓電陶瓷管并聯(lián)，并且徑向上內(nèi)外均加預(yù)應(yīng)力。相位差檢測電路輸出波形為直流信號(hào)，表I給出了 4種不同相位情況下相位差的輸出。通過對(duì)比理論輸出大小與實(shí)際輸出大小，得出相位差誤差較小，說明該系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性較高。表I AD633J輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
權(quán)利要求
1.一種壓電換能器井下液位測量儀，其特征是，包括五個(gè)部分探頭、頻率可調(diào)的正弦信號(hào)產(chǎn)生、功率放大、峰值檢測以及相位差檢測部分；頻率可調(diào)的信號(hào)產(chǎn)生部分以集成芯片為核心，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波，頻率范圍是IOHz 50kHz ;該正弦波經(jīng)過幅值、功率放大后，通過電纜將功率放大后的超聲信號(hào)傳送至探頭；在探頭下井的過程中，當(dāng)探頭從空氣進(jìn)入液面時(shí)，探頭中的壓電換能器阻抗發(fā)生改變，探頭兩端的電壓與流過探頭的電流信號(hào)均發(fā)生改變；通過峰值檢測部分得到這些變化的電壓、電流信號(hào)的峰值；通過相位差檢測部分檢測電壓和電流信號(hào)的相位差；相位差檢測部分以乘法器為核心，經(jīng)過乘法器以后的輸出為直流信號(hào)與二倍頻信號(hào)的疊加，將疊加信號(hào)經(jīng)過RC積分電路處理，即可得到直流信號(hào)的相位差，該相位差最終通過電流表輸出，用其突變來指示套管井液面位置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種壓電換能器井下液位測量儀，其特征是，功率放大部分包括前置放大與甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大兩部分，前置放大電路的主要元件為電流反饋放大器，甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路主要由三級(jí)管Ql、Q2、二極管D2與D3構(gòu)成，三級(jí)管Ql和Q2組成互補(bǔ)輸出級(jí)，靜態(tài)時(shí)，二極管D2、D3上產(chǎn)生的壓降為三級(jí)管Q1、Q2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，在信號(hào)的正半周，Ql導(dǎo)通，Q2截止；在信號(hào)的負(fù)半周，Ql截止，Q2導(dǎo)通。
3.如權(quán)利要求1所述的一種壓電換能器井下液位測量儀，其特征是，峰值檢測電路主要由三部分組成輸入端射極跟隨器、RC峰值檢測部分以及輸出端射極跟隨器；輸入端射極跟隨器、輸出端射極跟隨器均由運(yùn)放構(gòu)成，由同相端接入輸入信號(hào)，反相端接反饋，輸出端射極跟隨器運(yùn)放與地之間并接的電阻、電容構(gòu)成RC峰值檢測部分。
4.如權(quán)利要求1所述的一種壓電換能器井下液位測量儀，其特征是，探頭是大功率超聲探頭，是由8個(gè)壓電換能器制作的，采用并聯(lián)方式，每個(gè)壓電換能器由三個(gè)壓電陶瓷管并聯(lián)，并且徑向上內(nèi)外均加預(yù)應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明涉及應(yīng)用于石油開采作業(yè)過程中井下液位的測量設(shè)備。為直接利用大功率超聲探頭，提供一種集信號(hào)發(fā)生、采集與分析于一體的簡易系統(tǒng)，本壓發(fā)明采用的技術(shù)方案是，壓電換能器井下液位測量儀，包括五個(gè)部分探頭、頻率可調(diào)的正弦信號(hào)產(chǎn)生、功率放大、峰值檢測以及相位差檢測部分；頻率可調(diào)的信號(hào)產(chǎn)生部分產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波經(jīng)過幅值、功率放大后，通過電纜將功率放大后的超聲信號(hào)傳送至探頭；探頭中的壓電換能器阻抗發(fā)生改變，通過峰值檢測部分得到這些變化的電壓、電流信號(hào)的峰值；通過相位差檢測部分檢測電壓和電流信號(hào)的相位差；用其突變來指示套管井液面位置。本發(fā)明主要應(yīng)用于井下液位的測量。
文檔編號(hào)G01F23/296GK103063274SQ201210575428
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者沈建國, 周翔 申請(qǐng)人:天津大學(xué)