井下超聲波流量計誤差分析

    前言

    井下超聲波流量計具有結構簡(jiǎn)單，安裝、使用和維護方便等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應用于水井測試工作中，但在個(gè)別井的測試中，流量計的測量結果誤差與實(shí)際偏差較大，因此有必要對井下超聲波流量計的誤差來(lái)源作進(jìn)一步研究。

    工作原理

    聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會(huì )增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播速度之差與被測流體流速之關(guān)系求取流速，稱(chēng)之傳播時(shí)間法。按測量具體參數不同，分為時(shí)差法、相位差法和頻差法[1]�，F以時(shí)差法闡明工作原理。

    在流體中發(fā)射一定頻率的超聲波，傳播相同距離時(shí)，順流與逆流之間存在相位差，此差值與流體流速成正比，若管徑D固定，則通過(guò)相位差可測出流量，如圖1所示。

    圖1 超聲波流量測量工作原理圖

    其數學(xué)關(guān)系如下：設超聲波在流體中的傳播速度為C，流體的流動(dòng)速度為V，聲波發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離為L(cháng)。則

    順流時(shí)間：

      （1）

    逆流時(shí)間：

      （2）

    時(shí)間差：

      （3）

    由于流體中聲速Cµ流體的流動(dòng)速度V，則上式簡(jiǎn)化為

      （4）

    則流體的流速為

      （5）

    由此可見(jiàn)，流體的流速與超聲波在流體中傳播的順流和逆流的時(shí)間差成正比。所以，流體的流量就可表示為

      （6）

    只要能精確測量出超聲波在順流和逆流傳播時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間差，就可計算出相應的流速，進(jìn)而得到相應的流量[2]。

    誤差來(lái)源

    1.系統誤差

    在吉林油田應用的超聲流量計的量程為150m³/d，標稱(chēng)誤差是1.5%，也就是說(shuō)，一支儀器的測量誤差在-2.25～2.25m³/d之間，如果儀器在檢定時(shí)的結果超過(guò)這個(gè)范圍，就應該重新標定該儀器。而對于一支合格的儀器，根據誤差的正態(tài)分布理論，它的精度在0.5%～1.0%區間的概率是最高的，所以，理論上儀器的測量誤差范圍為±0.75～±1.5m³/d之間。超聲波的工作原理是時(shí)差法（相位差法），時(shí)間差（相位差）越小，流量計的流量也越小，流量計的時(shí)間差是μs級的，越小的流量測量的誤差也就越大，所以?xún)x器的誤差下限應該是比±0.75m³/d略高的。

    另外，計量間水表也存在誤差，水表誤差和流量計誤差累積，也會(huì )使測試水量的誤差加大。

    2.介質(zhì)的影響

    超聲流量計是在室內的流量標定系統（簡(jiǎn)稱(chēng)流標）中標定和檢定的，流標采用的介質(zhì)是清水，而在實(shí)際中，流量計的工作介質(zhì)并非純凈的清水，在井筒內，水中含有大量的油污、鐵屑、氣泡等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會(huì )對超聲波的傳播發(fā)生散射，影響超聲波的直線(xiàn)傳播，由于標定時(shí)和工作時(shí)的工作介質(zhì)的差別，從而會(huì )影響到儀器的測量精度。而且，聲信號可能由于碎片的多路反射而失真。如果接收機不能保證識別每一個(gè)輸入脈沖的同一點(diǎn)，對流量計精度將產(chǎn)生最嚴重的影響。

    3.油管內徑的影響

    油管的內徑測量誤差在流量中表現出來(lái)，因為內徑是圓管積分中的一項，0.1%的內徑測量誤差將產(chǎn)生0.2%的流量誤差。為了最大限度減小這一誤差，應用高精度的測量?jì)x器在若干位置測量其內徑，然后將其平均以補償油管的不圓度。標定時(shí)，儀器所在的模擬井筒的內壁是光滑的，可以看做它的內徑是不變的。在實(shí)際測試時(shí)，由于油管內壁會(huì )附著(zhù)一些雜物，或者由于腐蝕使油管的內徑發(fā)生變化，從而影響儀器的測量誤差。

    4.注水井的影響

    扶余采油廠(chǎng)的井間距近，井間干擾大，對水井測試的誤差也會(huì )產(chǎn)生一定的影響，還有計量間來(lái)水管線(xiàn)細，供水壓力與水量都不足，也會(huì )影響最后的測試結果。

    5.聲路長(cháng)

    聲路長(cháng)的測量誤差將在流速中表現出來(lái)，因為這兩個(gè)參數是成正比的。如用鋼卷尺、測徑儀或毫米尺測量每一聲路上兩傳感器間的距離，這一誤差通�？杀３衷�0.1%以下。

    6.聲路角

    聲路角的測量誤差將在流速中表現出來(lái)，因為流速與聲路角的余弦成反比。1°的聲路角測量誤差可產(chǎn)生1.7%的流速誤差，為了將這一誤差減小到最低限度，應使用高精度的角度測量?jì)x器，使聲路角的測量誤差可以很小[3]。

    結論

    影響超聲流量計的因素還有很多，而有些因素的影響是不可避免的，在這些因素的影響下，井下流量計在進(jìn)行水井測試時(shí)的誤差是要比標定時(shí)的誤差要大，而且會(huì )大很多，通常會(huì )在±2～3m³/d左右，所以這些誤差是在測試時(shí)所必須注意的。

    參考文獻

    1　董浩然.超聲波流量計的選型與應用.工業(yè)計量，2002，（2）
    2　石利琴.超聲波流量計的應用.計量技術(shù)，2002，（4）
    3　周偉國，胡海軍，金穎.超聲波流量計的應用與誤差分析.煤氣與熱力，2001，（8）