本发明涉及流量计技术领域，具体涉及一种用于油田注水井的精密注水流量计。
背景技术：
在我国，石油化工业是国民经济的支柱产业之一，所以对油井产量进行准确及时的测量，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义。无论是从节约能源的角度，还是从经济性角度来看，对油田注水井的注水流量进行精确测量和控制是十分必要的，水加多了浪费，加少了油又抽不上来，只有流量计准确的计量、平稳的运行，才能使注水的各项指标达到要求，提供高效、及时、准确的服务，保障全油田原油生产顺利进行。所以，在流量监测与流量控制中，应用高精度的流量计与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。
目前在油田应用较为广泛的涡轮、涡街两种流量计，都存在许多缺点：1、涡轮流量计不能长期保持校准特性且流体物性对流量特性有较大影响；2、涡街流量计相较涡轮流量计压损小，但也存在压力损失，节能效果不好，并且较长直管段对现场安装要求较高。3、涡轮、涡街两种流量计只适用于地面上应用，无法下井测试。因此，需要研究一款专门用于油田注水井的电磁流量计，既要满足精度高、外观可定制、实时通信，又要降低成本。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种用于油田注水井的精密注水流量计，用于实现精确注水、流量数据采集。
为实现上述发明目的，本发明实施例采用的技术方案如下。
一种用于油田注水井的精密注水流量计，包括传感器和转换器，所述传感器包括测量管、一对励磁线圈和一对电极，所述转换器包括信号处理模块、通信采集模块和电源模块，所述信号处理模块包括数字分频电路单元和信号处理电路单元，所述电源模块包括电源转换电路和推挽放大器，所述信号处理电路单元包括依次串联的放大电路、采样保持电路、跟随比较电路和触发器；
所述电源转换电路用于为所述推挽放大器和所述通信采集模块提供电源；
所述数字分频电路单元，用于根据参考信号，产生激励信号输出给所述推挽放大器，产生时钟信号输出给所述触发器，所述激励信号为两路相位差为180度的6hz方波信号，所述时钟信号为3.125khz方波信号，还用于根据所述激励信号生成控制信号输出给所述采样保持电路；
所述推挽放大器，用于根据所述激励信号产生激励驱动信号施加给所述激励线圈；
所述信号处理电路单元，用于对所述电极产生的感应信号进行处理，输出占空比随流量变化的脉冲信号给所述通信采集模块。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例取得了以下技术效果：
本发明实施例的用于油田注水井的精密注电磁流量计，具有精度高，可实时通信，成本较低等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明一个实施例中流量计的硬件结构图；
图2是本发明一个实施例中流量计的电路原理图；
图3是本发明一个实施例中流量计的电子部分整体结构框图；
图4是本发明一个实施例中电源模块的结构示意图；
图5是本发明一个实施例中励磁线圈产生磁场的结构示意图；
图6是本发明一个实施例中流量计的信号处理模块的结构示意图；
图7是本发明一个实施例中通信采集模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面通过具体实施例，分别进行详细的说明。
请参考图1和图2，本发明的一个实施例，实施例提供一种用于油田注水井的精密注水流量计(下文简称流量计)。该精密注水流量计是一种电磁流量计，包括传感器和转换器，所述传感器包括测量管、一对励磁线圈和一对电极，所述转换器包括信号处理模块、通信采集模块和电源模块，所述信号处理模块包括数字分频电路单元和信号处理电路单元，所述电源模块包括电源转换电路和推挽放大器，所述信号处理电路单元包括依次串联的放大电路、采样保持电路、跟随比较电路和触发器；
所述电源转换电路用于为所述推挽放大器和所述通信采集模块提供电源；
所述数字分频电路单元，用于根据参考信号，产生激励信号输出给所述推挽放大器，产生时钟信号输出给所述触发器，所述激励信号为两路相位差为180度的6hz方波信号，所述时钟信号为3.125khz方波信号，还用于根据所述激励信号生成控制信号输出给所述采样保持电路；
所述推挽放大器，用于根据所述激励信号产生激励驱动信号施加给所述激励线圈；
所述信号处理电路单元，用于对所述电极产生的感应信号进行处理，输出占空比随流量变化的脉冲信号给所述通信采集模块。
一种可能的实现方式中，所述信号处理电路单元，包括：放大电路，用于对所述电极产生的感应信号进行放大；采样保持电路，用于以所述激励信号为控制信号，对所述放大电路输出的信号进行采样保持处理；跟随比较电路，用于对所述采样保持电路输出的信号进行跟随和比较；触发器，用于根据所述时钟信号对所述跟随比较电路输出的信号进行触发处理，产生占空比随流量变化的脉冲信号，输出给所述通信采集模块。
一种可能的实现方式中，所述放大电路包括依次串联的差分放大电路、同相放大电路和反相放大电路。
一种可能的实现方式中，所述通信采集模块包括单片机和温度传感器，所述单片机用于采集所述信号处理电路单元输出的占空比随流量变化的脉冲信号，以及采集所述温度传感器产生的温度信号，将采集的信号转换为数字信号。
一种可能的实现方式中，所述测量管采用peek材料制成。
一种可能的实现方式中，所述电源转换电路包括tps7250q芯片和tlv2252芯片，用于将输入的24v电源转换成5v电源，并进一步转换为2.5v电源，以及生成一个恒定的电流。
一种可能的实现方式中，所述数字分频电路单元包括：
cd4060芯片，用于根据作为参考信号的100khz方波信号，生成3.125khz信号作为时钟信号，以及生成12hz信号；
两个cd4013芯片构成的分频器，用于根据12hz信号分频得到两路相位差为180度的6hz方波信号作为激励信号；
cd4001芯片，用于根据所述激励信号生成控制信号。
一种可能的实现方式中，所述放大电路包括串联的tlv2252芯片和ad8552芯片，所述采样保持电路采用cd4066芯片，所述跟随比较电路采用两个串联的ad8552芯片，所述触发器采用芯片cd4013芯片和cd4001芯片。
一种可能的实现方式中，所述单片机采用为pic16f886的单片机，所述温度传感器采用型号为ds18b20的传感器。
下面，结合具体应用场景下的实施例进一步说明。
本实施例采用以下技术方案：
(一)传感器部分的硬件结构
如图1所示，是流量计的硬件结构图。其传感器部分包括测量管以及设置在测量管壁的一对励磁线圈和一对电极，其转换器部分包括信号处理模块、通信采集模块和电源模块等。
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。其结构是在测量管管壁垂直方向放置一对激励线圈，在与测量管轴线和激励线圈相垂直的管壁上安装了一对检测电极。据法拉第电磁感应原理，当导电液体沿测量管轴线运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出，其数值大小与导电液体流速、磁场强度、导体宽度(流量计测量管内径)成正比，再通过运算就可以得到介质流量。感应电动势方程为：
其中：
v—测量管截面内的平均流速；
e—感应电动势；
k—系数；
b—磁感应强度；
d—测量管的内直径。
一些实施例中，为保证测量精度及信号稳定性，对流量计有如下要求：
测量管(即短节或传感器短节)部分：本发明实施例的流量计要用在地下百米以上，所以要求材料具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能，而peek材料具有良好的韧性和刚性，它具备与合金材料媲美的对交变应力的优良耐疲劳性，所以优选测量管选用peek材料制成。
电极部分：电极材料采用316l不锈钢加工，电极头为球面，表面做镜面抛光处理，电极尾部嵌入铜销钉辅助信号采集，要求直径1毫米，突出1.5毫米，嵌入部分大于销钉直径以方便接线。
电极与激励线圈关系：两个电极必须呈180度相对放置(同轴)，两组激励线圈必须呈180度相对放置(同轴)，电极和激励线圈必须安放在管道的中心线上，中心点在同一个剖面内，呈十字交叉。
(二)电路原理
如图2所示，是本发明流量计的电路原理图。
该电磁流量计的传感器1部分包括一对励磁线圈1a、1b和一对电极2a、2b括。转换器电路部分包括信号处理模块、通信采集模块和电源模块，信号处理模块可分为信号处理电路单元和数字分频电路单元8，通信采集模块包括单片机。电路部分一方面为励磁线圈1a、1b施加激励驱动信号使其产生磁场，另一方面从电极2a、2b采集信号进行处理。
其中，数字分频电路单元8用于将参考信号如100khz防波信号经过激励驱动电路的分频器分出两路相位差为180度的6hz方波信号(过程a)作为激励信号，输出给推挽放大器作用于励磁线圈，使励磁线圈产生磁场，励磁线圈在24v电压工作下，增强磁场。
信号处理电路单元包括：依次串联的差分放大电路2、同相放大电路3、反相放大电路4、采样保持电路5、跟随比较电路6、d触发器7，用于对电极检测到的微弱信号进行处理，处理后的信号进入单片机进行a/d(模数转换)转换，最后输出。
(三)具体电路结构
如图3所示，是本实施例中流量计电子部分整体结构框图，包括可用于流量数据收集与传输的通信采集模块、可处理微伏级信号的信号处理模块以及为整个系统供电的电源模块。
如图4所示，是本实施例的电源模块的示意图，该模块包括由芯片tps7250q和芯片tlv2252组成的电源转换电路，其供电电源形式为直流电源，24v电源经过电源模块后分别转换生成5v和2.5v电源；还包括推挽放大器。电源转换电路的一个目的是，如图2中的过程c，为24v电源通过芯片tps7250q生成5v电源，并进一步经芯片tlv2252转换为2.5v电源，共用于为电源模块以外的功能模块供电；另一目的是，通过芯片tlv2252生成一个恒定电流，和24v直流电压，提供恒定的电源进入推挽放大器，为下一步产生稳定磁场做准备。
如图5所示，是励磁线圈产生磁场的示意图，信号处理模块中两个cd4013芯片组成的分频器电路，该电路产生两路180度相位差的6hz方波信号(图2中的过程a)，该方波信号作为激励信号用于使激励线圈产生磁场，其作用于电源模块的推挽放大器，激励线圈在推挽放大器作用下产生恒定的交变磁场。
如图6所示，是流量计的信号处理模块的示意图，该模块由数字分频电路单元和信号处理电路单元两部分构成。
1)数字分频电路单元
由图6中cd4060、cd4013(1)、cd4013(2)和cd4001等芯片实现数字分频电路单元的功能。
cd4001是一个由四个或非门组成的芯片，在实现数字分频电路单元的功能的同时，还用于实现信号处理电路单元的功能，其中一个或非门a用于输出占空比随流量变化的脉冲信号给单片机。
当外部设备发出开机信号后电源电路开始工作，随后数字分频电路单元将频率为100khz的方波信号通过cd4060芯片分频分别得到3.125khz(图2中的过程b)和12hz两种信号，其中3.125khz作为时钟信号输出给芯片cd4001。12hz信号经过两个cd4013芯片分频得到两路180度相位差的6hz(过程a)的方波信号作为激励信号，作用在电源模块的推挽放大器上。此6hz的方波信号还用于经芯片cd4001另外两个或非门b、c输出，作为控制信号输出给采样保持电路，参与信号采样保持处理。
2)信号处理电路单元
该单元包括：
芯片tlv2252，实现差分放大电路的功能，用于提高共模抑制比放大差模信号，还用于实现同相放大电路的功能，可同相放大放大约100倍；
芯片ad8552，实现反相放大电路功能，反相放大至伏(v)级，放大同时将信号两次抬高2.5v以保证信号全部在有效范围内；
信号在反相放大滤波后进入采样保持电路，芯片cd4066实现采样保持电路的功能，芯片cd4066作用相当于四双向模拟开关，当或非门b、c的输入信号均为低电平，芯片cd4066输入信号为高电平，此时开关导通；
信号经过采样保持后进入跟随比较电路，两个芯片ad8552实现跟随比较电路的功能，进行跟随和比较，在积分电路作用下实现方波到锯齿波的转换；
信号跟随比较电路处理后进入触发器，芯片cd4013实现触发器的功能，芯片cd4013以芯片cd4060分频得到的3.125khz作为时钟信号，进行d触发处理，再通过芯片cd4001或非门a输出占空比随流量变化的脉冲信号，给单片机进行通信采集。
值得说明的是，本发明对工频干扰采用接地的方法处理：电磁流量计外壳采用不锈钢设计，当工作时整套装置浸润水中，因此接地消除干扰信号。
如图7所示，为本实施例的通信采集模块的示意图，该模块的单片机可采用型号为pic16f886的单片机，主要完成流量数据的采集、通信以及工作环境温度的采集。温度传感器可采用型号为ds18b20的传感器，用来监测工作环境的温度，确保流量计在合理温度范围内工作，同时也作为故障排查重要指标之一。
综上，本发明实施例公开了一种用于油田注水井的精密注水流量计，该流量计具有以下优点：
1、该流量计内壁是一段光滑直管，减小阻力损失，peek材料有效提高了耐腐蚀、耐磨损、抗结垢，经过大量打压试验，精度控制在3％以下；
2、对于工频干扰采用接地的方法消除，电路均为逻辑电路，无需用算法处理信号，降低成本；
3、该流量计可根据不同工作要求定制口径大小，满足各种工作环境需求；
4、该流量计量程可按需调节；
5、量程相同时，该流量计整体占用空间较小，便于使用、调试以及安装；
6、该流量计设计了配套的机械壳体，简化现场安装步骤；
7、该流量计可实时通信，将采集流量数据、温度数据发送到pc端进行远程监测；
8、该流量计维护成本低、维修耗时短。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种用于油田注水井的精密注水流量计，包括传感器和转换器，所述传感器包括测量管、一对励磁线圈和一对电极，其特征在于，
所述转换器包括信号处理模块、通信采集模块和电源模块，所述信号处理模块包括数字分频电路单元和信号处理电路单元，所述电源模块包括电源转换电路和推挽放大器，所述信号处理电路单元包括依次串联的放大电路、采样保持电路、跟随比较电路和触发器；
所述电源转换电路用于为所述推挽放大器和所述通信采集模块提供电源；
所述数字分频电路单元，用于根据参考信号，产生激励信号输出给所述推挽放大器，产生时钟信号输出给所述触发器，还用于根据所述激励信号生成控制信号输出给所述采样保持电路；
所述推挽放大器，用于根据所述激励信号产生激励驱动信号施加给所述激励线圈；
所述信号处理电路单元，用于对所述电极产生的感应信号进行处理，输出占空比随流量变化的脉冲信号给所述通信采集模块。
2.根据权利要求1所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述激励信号为两路相位差为180度的6hz方波信号，所述时钟信号为3.125khz方波信号。
3.根据权利要求2所述的精密注水流量计，其特征在于，所述信号处理电路单元，包括：
放大电路，用于对所述电极产生的感应信号进行放大；
采样保持电路，用于以所述激励信号为控制信号，对所述放大电路输出的信号进行采样保持处理；
跟随比较电路，用于对所述采样保持电路输出的信号进行跟随和比较；
触发器，用于根据所述时钟信号对所述跟随比较电路输出的信号进行触发处理，产生占空比随流量变化的脉冲信号，输出给所述通信采集模块。
4.根据权利要求3所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述放大电路包括依次串联的差分放大电路、同相放大电路和反相放大电路。
5.根据权利要求1所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述通信采集模块包括单片机和温度传感器，所述单片机用于采集所述信号处理电路单元输出的占空比随流量变化的脉冲信号，以及采集所述温度传感器产生的温度信号，将采集的信号转换为数字信号。
6.根据权利要求1所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述测量管采用peek材料制成。
7.根据权利要求1所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述电源转换电路包括tps7250q芯片和tlv2252芯片，用于将输入的24v电源转换成5v电源，并进一步转换为2.5v电源，以及生成一个恒定的电流。
8.根据权利要求2所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述数字分频电路单元包括：
cd4060芯片，用于根据作为参考信号的100khz方波信号，生成3.125khz信号作为时钟信号，以及生成12hz信号；
两个cd4013芯片构成的分频器，用于根据12hz信号分频得到两路相位差为180度的6hz方波信号作为激励信号；
cd4001芯片，用于根据所述激励信号生成控制信号。
9.根据权利要求3所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述放大电路包括串联的tlv2252芯片和ad8552芯片，所述采样保持电路采用cd4066芯片，所述跟随比较电路采用两个串联的ad8552芯片，所述触发器采用芯片cd4013芯片和cd4001芯片。
10.根据权利要求5所述的精密注水流量计，其特征在于，
所述单片机采用为pic16f886的单片机，所述温度传感器采用型号为ds18b20的传感器。
技术总结