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专利名称：压电换能器井下液位测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于石油开采作业过程中井下液位的测量设备，具体讲，涉及压电换能器井下液位测量仪。
背景技术：
压电换能器在空气中和液体中时，其辐射负载差别很大，即换能器的谐振频率、阻抗值、导纳圆差别明显。用多个压电换能器制作的大功率超声探头常用于油井作业，疏通地层中的堵塞物，提高地层的渗透能力。当这些探头下井时，技术人员希望通过仪器设备既能动态地了解探头所处的深度和地层，又能测量套管井中液面的位置。利用压电换能器在空气和液体中辐射阻抗差别很大的特征，发明了井下液位测量系统。目前，国内许多高�：推笠刀跃畈饬拷辛舜罅康难芯浚踩〉昧撕芏喑晒＠缂执笱У墓丶檬担谄渌妒勘弦德畚摹陡呔染戮畈饬恳堑难兄啤�(2006)中，研制了以ARM嵌入式系统为核心的井温-井深测量仪，解决了传统测量中深度偏差较大的问题，提高了测量精度。由压电换能器测量套管井中液面的位置，在国内的研究和产品较少，同时国外的设备则相对昂贵。因此，配合大功率超声波作业，研究一种有效的井下液位测量方法，并设计一种低价、灵敏、便捷的测量系统，对判断超声波作业效果将有重大的现实意义。

发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，直接利用大功率超声探头，在其下井的过程中对井内的液位深度进行测量。提供一种集信号发生、采集与分析于一体的简易系统，当探头进入到液面时，系统可通过电流表指示出来。为达到上述目的，本压发明采用的技术方案是，压电换能器井下液位测量仪，包括五个部分探头、频率可调的正弦信号产生、功率放大、峰值检测以及相位差检测部分；频率可调的信号产生部分以集成芯片为核心，产生频率可调的正弦波，频率范围是IOHz 50kHz ;该正弦波经过幅值、功率放大后，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头；在探头下井的过程中，当探头从空气进入液面时，探头中的压电换能器阻抗发生改变，探头两端的电压与流过探头的电流信号均发生改变；通过峰值检测部分得到这些变化的电压、电流信号的峰值；通过相位差检测部分检测电压和电流信号的相位差。相位差检测部分以乘法器为核心，经过乘法器以后的输出为直流信号与二倍频信号的叠加，将叠加信号经过RC积分电路处理，即可得到直流信号的相位差，该相位差最终通过电流表输出，用其突变来指示套管井液面位置。功率放大部分包括前置放大与甲乙类双电源互补对称功率放大两部分,前置放大电路的主要元件为电流反馈放大器，甲乙类双电源互补对称电路主要由三级管Q1、Q2、二极管D2与D3构成，三级管Ql和Q2组成互补输出级，静态时，二极管D2、D3上产生的压降为三级管Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态，当有输入信号时，在信号的正半周，Ql导通，Q2截止；在信号的负半周，Ql截止，Q2导通。峰值检测电路主要由三部分组成输入端射极跟随器、RC峰值检测部分以及输出端射极跟随器；输入端射极跟随器、输出端射极跟随器均由运放构成，由同相端接入输入信号，反相端接反�。涑龆松浼嫫髟朔庞氲刂洳⒔拥牡缱琛⒌缛莨钩蒖C峰值检测部分。探头是大功率超声探头，是由8个压电换能器制作的，采用并联方式，每个压电换能器由三个压电陶瓷管并联，并且径向上内外均加预应力。本发明的技术特点及效果本发明由频率可调的信号产生部分，功率放大部分，峰值检测部分以及相位差检测部分结构，通过所测量的电压、电流正弦信号的幅度和相位差的变化探测液面位置，具有结构简单、测量准确的特点。


图1电路生成的正弦波。图2(a)探头两端的电压信号，(b)流过探头的电流信号。图3井下液位测量系统电路板。图4井下液位测量系统装置。图5井下液位测量功能结构图。图6超声波采油及井下液位测量系统工作流程示意图。图7ICL8038信号发生器主电路。图8功率放大电路。图9峰值检测电路。图10相位差检测电路。图11积分电路。图12积分电路充电过程。
具体实施例方式在地面通过电缆给井下探头中的压电换能器发射正弦波，通过测量探头两端的电压峰值和流过探头的电流峰值以及二者的相位差指示探头下井过程中所处的状态，即探头是在液体中还是在空气中。状态改变的位置即为套管井的液位。本系统主要包括四个部分频率可调的信号产生部分,功率放大部分,峰值检测部分以及相位差检测部分。频率可调的信号产生部分以ICL8038集成芯片为核心，产生频率可调的正弦波，其频率范围是IOHz 50kHz，带宽可覆盖绝大多数压电换能器的工作频率。该正弦波经过功率放大部分后，幅值与功率均被放大，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头。在探头下井的过程中，当探头从空气进入液面时，探头中的压电换能器的负载改变，由于空气的密度及声波速度与液体相差比较大，导致压电换能器的辐射阻抗发生改变，这时探头两端的电压与流过探头的电流信号也相应改变。我们通过峰值检测部分得到电压、电流信号的峰值。同时将具有相位差的电压、电流信号输入液位测量系统的相位差检测部分，该部分以AD633乘法器为核心，经过乘法器计算后的输出为直流信号与二倍频信号的叠加信号，将叠加信号经过RC积分电路处理，即可得到为直流信号的相位差，该相位差最终通过电流表来指示，在液面位置，相位差发生突变，从一个数值变化到另外一个数值。由ICL8038生成的正弦波如图1所示，该正弦波的频率可调，调节范围是IOHz 50kHz，此图的频率为探头的谐振频率(35.285kHz);正弦波的占空比也可调，此图为50% ；此外，该波形的失真度较�。宸逯滴�3v。峰值检测电路输出波形为直流信号，图2(a)为探头两端的电压，图2(b)为流过探头的电流。从结果可知，直流信号大小与交流信号的峰值相等。大功率超声探头是由8个压电换能器制作的，采用并联方式。每个压电换能器由三个压电陶瓷管并联，并且径向上内外均加预应力。相位差检测电路输出波形为直流信号，表I给出了 4种不同相位情况下相位差的输出。通过对比理论输出大小与实际输出大�。贸鱿辔徊钗蟛罱闲。得鞲孟低车牟饬孔既沸越细摺１鞩 AD633J输出数据统计
权利要求
1.一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，包括五个部分探头、频率可调的正弦信号产生、功率放大、峰值检测以及相位差检测部分；频率可调的信号产生部分以集成芯片为核心，产生频率可调的正弦波，频率范围是IOHz 50kHz ;该正弦波经过幅值、功率放大后，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头；在探头下井的过程中，当探头从空气进入液面时，探头中的压电换能器阻抗发生改变，探头两端的电压与流过探头的电流信号均发生改变；通过峰值检测部分得到这些变化的电压、电流信号的峰值；通过相位差检测部分检测电压和电流信号的相位差；相位差检测部分以乘法器为核心，经过乘法器以后的输出为直流信号与二倍频信号的叠加，将叠加信号经过RC积分电路处理，即可得到直流信号的相位差，该相位差最终通过电流表输出，用其突变来指示套管井液面位置。
2.如权利要求1所述的一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，功率放大部分包括前置放大与甲乙类双电源互补对称功率放大两部分，前置放大电路的主要元件为电流反馈放大器，甲乙类双电源互补对称电路主要由三级管Ql、Q2、二极管D2与D3构成，三级管Ql和Q2组成互补输出级，静态时，二极管D2、D3上产生的压降为三级管Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态，当有输入信号时，在信号的正半周，Ql导通，Q2截止；在信号的负半周，Ql截止，Q2导通。
3.如权利要求1所述的一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，峰值检测电路主要由三部分组成输入端射极跟随器、RC峰值检测部分以及输出端射极跟随器；输入端射极跟随器、输出端射极跟随器均由运放构成，由同相端接入输入信号，反相端接反�。涑龆松浼嫫髟朔庞氲刂洳⒔拥牡缱�、电容构成RC峰值检测部分。
4.如权利要求1所述的一种压电换能器井下液位测量仪，其特征是，探头是大功率超声探头，是由8个压电换能器制作的，采用并联方式，每个压电换能器由三个压电陶瓷管并联，并且径向上内外均加预应力。
全文摘要
本发明涉及应用于石油开采作业过程中井下液位的测量设备。为直接利用大功率超声探头，提供一种集信号发生、采集与分析于一体的简易系统，本压发明采用的技术方案是，压电换能器井下液位测量仪，包括五个部分探头、频率可调的正弦信号产生、功率放大、峰值检测以及相位差检测部分；频率可调的信号产生部分产生频率可调的正弦波经过幅值、功率放大后，通过电缆将功率放大后的超声信号传送至探头；探头中的压电换能器阻抗发生改变，通过峰值检测部分得到这些变化的电压、电流信号的峰值；通过相位差检测部分检测电压和电流信号的相位差；用其突变来指示套管井液面位置。本发明主要应用于井下液位的测量。
文档编号G01F23/296GK103063274SQ201210575428
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者沈建国, 周翔 申请人:天津大学