一种基于音叉原理的流体密度测量电路设计
摘要
关键词
正文
1.设计概述
音叉密度仪是一种非放射性的新型流体密度测量仪，它以测量精度高、环保等特点广泛的应用于化学、医药和工业中[1]。而在传统的生产油田测井中，放射性的伽玛密度仪受环境、制造风险和成本等因素的制约已开始逐渐被压差、音叉这些非放射性密度仪所取代。压差密度仪受井斜的影响比较大，一旦超出井斜范围，仪器也将失去作用；音叉密度仪是通过音叉传感器振动频率和幅度的变化来计算流体的密度，在实际测量中不受井斜的影响，但是音叉仪对传感器的要求较高，目前只适用于套管井内流体的测量。因此，本设计研制出音叉密度仪，与压差密度仪形成互补，以满足各种的生产作业环境[2]。
2.硬件设计原理及方案
2.1 设计原理
音叉密度仪是一种通过测量音叉传感器频率和幅度的变化量来计算流体密度的仪器，它的振动子就是一种音叉式的弹性体，利甩电子反馈系统将其维持在谐振状态。当被测介质(液体或体)流经它时， 其振动子的共振频率即发生变化。流经它的被测流体的密度增加，使其总的质量增加， 导致振动频率降低，反之亦然。音叉探头主要包括音叉、压电陶瓷、平衡装置，其原理结构如图1所示。
音叉开始工作后，由压电陶瓷产生激励使音叉产生频率恒定的共振。压电陶瓷部分主要包括了激励换能器、测量换能器和温度传感器，当仪器开始工作后，首先由激励换能器将电压转化为能让音叉振动的电信号；其次由测量换能器将音叉当前的振动频率和幅度反馈给单片机和主控制驱动电路，通过主控制驱动电路对反馈回来的幅度值进行校正，使音叉能以固定的频率和幅度值工作；最后在测量换能器工作的同时温度传感器对当前温度也进行采集转化成电信号后传送给MCU。平衡舱就是为了保证接触流体的音叉能够自由振荡而设计的[3]。
图1 音叉结构原理图
2.2设计方案
因此本设计以国外厂商音叉密度仪为主，以国内厂商音叉密度仪为辅，通过消化吸收国内外厂商音叉密度仪的关键技术，结合当今所掌握的测井知识，设计出具有自主知识产权的音叉密度仪[4] [5]。
2.2.1电路原理框图
本设计电子线路部分主要包括音叉传感器驱动电路、信号反馈电路、信号处理采集电路、电源电路。当仪器开始工作时，先由仪器总线WSTBUS给电源电路提供18V电，通过电源电路把18V电转化成12V、10V、5V送入各个电路，接着驱动电路将电源信号12V转化成可以驱动音叉探头起振的电信号TX+、TX-，探头开始振动，然后将一路检测到的反馈信号FB+、FB-送给反馈电路，通过反馈回路将信号转化为适合信号处理采集电路的输入信号RT、FL+送入信号处理采集电路，另一路的温度反馈信号RTD直接送入信号处理采集电路，最后通过信号处理采集电路将处理好的信号输入到WSTBUS总线。其原理框图如图2所示。
图2 音叉仪电路原理框图
2.2.2驱动电路
主驱动电路原理如图3所示。
图3 音叉仪驱动电路
当音叉仪开始工作时，首先由U3、U4组成的激励回路产生6V左右的电平驱动音叉探头开始振动，然后通过对信号处理采集反馈电路U1输出的波形和由U5A、U7B组成的反馈电路进行处理，得到稳定的频率为880Hz左右、幅值为9V左右、有效值为6V的正弦信号，来对音叉探头进行驱动，这样就可以使音叉探头工作在稳定的状态下。
2.2.3信号处理采集反馈电路
信号处理采集反馈电路主要由电压值反馈电路和振动频率反馈电路组成。其工作原理：当音叉探头起振后，反馈信号由FB-、FB+进入，由于反馈的正弦信号在35毫伏左右，因此通过AD620组成的放大电路对信号进行放大，使信号的赋值放大到6V左右，此信号一部分送入主驱动电路，另一部分送入U2B和D1、三极管组成的整形电路，将正弦信号整形成直流脉冲信号，最后通过滤波后将5V左右的电压信号送入单片机；TX-正弦信号是通过U5B、U6A的放大整形，将信号变成方波送入信号处理采集电路。
图4 音叉仪单片机反馈电路
2.2.4信号处理采集电路
本系统的主控制单元采用微芯公司的DSPIC30F6014系列高性能处理芯片，主要完成音叉仪的数据采集、计算和传输的功能。信号处理采集电路主要包括主控芯片外围电路、温度检测电路、通信接口电路。其电路原理如图5所示。
图5 音叉仪单片机及其外围接口电路
其工作原理：当音叉仪开始工作时，主控芯片dsPIC30F6014A主要对各个反馈信号输出信号进行转换和处理，U9和Q3组成了温度检测反馈电路，RTD1、RTD2处连接了一个温度传感器，主要检测音叉探头的温度，从而对探头进行温度补偿；由Q4、Q5、Q6以及U10组成的通信电路主要是在仪器工作时上传和下传数据。
2.2.5音叉传感器
通过对国外资料以及有关音叉传感器有关资料的研读发现，音叉传感器主要由压电陶瓷换能器和音叉组成。由于音叉式的传感器是通过压电陶瓷的压电效应来驱动音叉振动，因此压电陶瓷换能器的材料、结构、控制方式和固有频率决定了音叉探头的主要性能。在材料方面，考虑到音叉仪要实现对音叉探头的实时控制，因此压电陶瓷的必须是收发兼备的材料，满足此种特性的压电材料也只有PZT-4；在结构方面，压电陶瓷都可以等效为R、L、C组成的电路，其电路图如图6，图中R0、C0分别是电路运行时介质损耗电阻和动态电容，R1、L1、C1组成了串联谐振电路，它们分别为电路的电阻、电容、电感，其谐振频率
，而音叉的震动固有频率f0取决于音叉的质量mr和被测流体的质量mg，它们之间的关系为：
，式中K为比例常数，只有让压电陶瓷与音叉工作在共振频率时音叉传感器的震动效果最明显，这样有助于提高测量的精度。经过在空气中对国外厂商的音叉仪的测量所得
。控制方式方面，就是通过发给音叉探头激励电平使其以固有频率起振，然后再通过反馈和主驱动电路使音叉和压电陶瓷产生稳定的共振。
图6 压电陶瓷等效电路图
综上所述，本设计所采用的压电陶瓷换能器初步确定为材料为PZT-4，考虑到油、水和音叉对频率的影响，初步确定为能产生880Hz左右与音叉共振的压电陶瓷。
3.结束语
本文通过分析关于音叉仪的国内外先进技术，给出了一种音叉仪的硬件设计方案，并对该种仪器中的关键电路及传感器进行了简单的分析，同时也为类似产品的设计提供了一种思路，系统的正确性和可靠性还需要后期进一步的验证。
参考文献
[1]倪秀敏.音叉密度仪应用分析[J].石油管材与仪器,2017,3(01):68-71.
[2]李先达,魏赞庆.谐振式音叉密度仪的测量原理及电路设计[J].化学工程与装备,2018(12):222-223.
[3]韩波.音叉密度测井仪的测量原理及电路设计[J].内蒙古石油化工,2014,40(04):59-60.
[4]郭帅,姜志强,袁洪波.音叉流体密度测井仪器及应用[J].石油管材与仪器,2016,2(06):80-82.
[5]王珊珊. 音叉密度测井仪的设计[D].长江大学,2017.
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