【技术实现步骤摘要】
本专利技术及油气井开采技术和超声波，特别涉及一种基于stm32出砂冲蚀监测系统及出砂计算方法。
技术介绍
1、油气井出砂监测方法主要有声波检测法，er检测法，光纤声波检测法。声波检测法是通过压电式传感器检测砂粒与油气管碰撞所产生的超声波信号，通过检测到信号的强度进行一定的算法来算出流体中的含砂量，根据传感器的安装方式可分为内置式和外置式两种，但存在不能检测砂粒对管壁所造成的冲蚀。er(el ectr ical resi stance)检测法又称电阻监测法，er监测法是采用内置式，将传感器插入油气管内，通过砂粒撞击传感器的金属探头后造成磨损来识别油气管中的出砂情况，这种方法存在需要在监测的管线上开孔安装传感器，且在探头的使用寿命有限，对气井正常生产和安全问题都带来不利。光纤声波检测法是由传感器阵列监测流体中的含砂量，传感器阵列由声传感器和光纤组成，声传感器由一个或多个声波传感区组成，传感区又包含一个或多个水听器，水听器通过布拉格光栅将光纤按一定间隔形成，这些光栅对预先确定的波长具有选择反射能力。通过光收发机发射接收光纤中的光信号，对水听器监测到的光强度变化进行分析，进而辨别流体是否含砂，例如专利申请号为cn201910640351.1的专利技术就是光纤声波检测法，采用分布式光纤声音监测可以实现所有生产层段分布式、实时的出砂状况监测；可以定性判断各层段的出砂程度；可以实现井下出砂临时监测；可以实现出砂层段防砂效果评价。但是这种检测方法比较复杂，成本很高。因此开发一种新的检测方法或设备就显得尤为重要。
技术
1、为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于stm32出砂冲蚀监测系统及出砂计算方法，将超声波收发一体式传感器和加速度传感器通过卡箍固定在油气井管道弯管外壁的二倍口径处，由于位置是砂粒碰撞管壁的敏感区，在该位置处既能监测在管道中流体的含砂量又能监测砂粒撞击管道所造成的侵蚀情况，同时在不在破坏管道结构完整性进行出砂量和冲蚀厚度实时远程监测，且成本较低，易于实现，且检测精度高。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
3、一种基于stm32出砂冲蚀监测系统，包括：pc端1、rs485通讯模块2、控制逻辑模块3、超声波发射电路4、超声波收发一体式换能器5、超声波接收电路6、加速度传感器7、出砂信号接收电路8和数据储存电路9；
4、所述pc端1，通过接收控制逻辑模块3计算的出砂量与冲蚀厚度数据在pc端界面显示，实时监测出砂量与冲蚀厚度；
5、所述rs485通讯模块2，将pc端1usb电平和控制逻辑模块3ttl电平两者转换成rs485电平进行通信；
6、所述控制逻辑模块3，其为stm32f407zgt6最小系统，负责控制超声波发射接收以及出砂信号的采集，用于实时计算砂粒撞击管道对管壁的磨损和出砂量；
7、所述超声波发射电路4，将控制逻辑模块3发射的信号转成激励信号传输给超声波收发一体式换能器5；
8、所述超声波收发一体式换能器5，即超声波发射端与接收端一体的换能器，用于发射超声波和接收超声波；
9、所述超声波接收电路6，将超声波收发一体式换能器5接收到的超声波回波信号传给控制逻辑模块3；
10、所述加速度传感器7，将砂粒撞击管壁产生的振动信号转换为电信号；
11、所述出砂信号接收电路8，将加速度传感器7接收到的出砂信号传递给控制逻辑模块3，使用控制逻辑模块3中的adc外设采集出砂信号；
12、所述的数据存储电路9，将采集的出砂信号数据进行存储。
13、所述超声波发射电路4，包含激励信号发射电路12，以及连接激励信号发射电路12的功率放大电路10和驱动电压放大电路11，功率放大电路10将控制逻辑模块3发射的pwm方波信号的coms电平进行功率放大，用于激励信号发射电路12的场效应管i rf840；驱动电压放大电路11将输入+24v的电压通过dc-dc芯片xl6019输出为+48v的电压，激励信号发射电路12将控制逻辑模块3发射的pwm方波信号控制激励信号发射电路12的场效应管i rf840截止，使激励信号发射电路12的电容c52充电达到驱动电压放大电路11的直流高压，再通过控制激励信号发射电路12的场效应管irf840导通，使激励信号发射电路12的电容c52放电，产生激励超声波发射信号。
14、所述超声波接收电路6包括依次连接的限幅电路13、阻抗匹配电路14、压控增益放大电路15、带通滤波电路16、差分放大电路17、ad采集电路18、输出缓存电路19和缓存控制电路20；限幅电路13其具体电路作用是保护接收电路；使接收端电压限制在±0.75v；阻抗匹配电路14，其具体电路作用是提高带载能力作用，其输出电压不受后级电路阻抗影响；压控增益放大电路15，其具体电路作用是将超声波收发一体式换能器5接收的超声波回波信号中进行放大；带通滤波电路16，其具体电路作用是滤除噪声信号，提高信噪比；差放大电路17，其具体电路作用是使ad采集电路18采用差分输入方式，提高抗干扰性，实现ad采集电路18的最佳动态性；ad采集电路18，其具体电路作用是将超声波收发一体式换能器5接收的超声波回波模拟信号经过ad采样变为数字信号；输出缓存电路19，其具体电路作用是为ad采集电路18输出的超声波回波数据和控制逻辑模块3接收超声波回波数据提供缓存，ad采集电路18的采样频率与输出缓存电路19的写时钟同步，控制逻辑模块3与输出缓存电路19的读时钟同步；缓存控制电路20其作用为源晶振x4提供输出缓存电路19的写时钟频率和ad采集电路18的采样时钟频率，与非门芯片sn74s00n与控制逻辑模块3的i/o引脚输出的高低电平控制输出缓存电路19复位和读写操作以及ad采集电路18的采样时钟频率。
15、所述出砂信号接收电路8，具体包含依次连接的电荷放大电路21、低通滤波电路22和转换电压电路23，电荷放大电路21其具体电路作用将加速度传感器7接收到出砂信息进行放大；低通滤波电路22其具体电路作用采用二阶低通滤波将高频噪声信号滤除，保留出砂信号；转换电压电路23其具体电路作用是将出砂信号电压-12v～+12v转换为0～+3.3v，与控制逻辑模块3内部的adc采集电压范围一致。
16、一种出砂计算方法，基于上述一种基于stm32出砂冲蚀监测系统，包括以下步骤：
17、(一)、将超声波收发一体式换能器5和加速度传感器7通过卡箍固定在油气井管道弯管外壁的二倍口径处；
18、(二)出砂量的计算；加速度传感器7的输出信号的电压与砂粒的动能间存在一定的关系，假设在实验中每个砂粒颗粒都具有相同的质量和速度，通过式(1)至式(3)得到信号的出砂信号的平均功率：
19、
20、式(1)中，β为传感器灵敏度系数，m为砂粒撞击管壁的总质量，v为砂粒速度，t为观测时间；
21、
22、式(2)中，q为流体体积流量，a为管道横截本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于STM32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，包括：PC端(1)、RS485通讯模块(2)、控制逻辑模块(3)、超声波发射电路(4)、超声波收发一体式换能器(5)、超声波接收电路(6)、加速度传感器(7)、出砂信号接收电路(8)和数据储存电路(9)；
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，所述超声波发射电路(4)，包含激励信号发射电路(12)，以及连接激励信号发射电路(12)的功率放大电路(10)和驱动电压放大电路(11)，功率放大电路(10)将控制逻辑模块(3)发射的PWM方波信号的COMS电平进行功率放大，用于激励信号发射电路(12)的场效应管IRF840；驱动电压放大电路(11)将输入+24V的电压通过DC-DC芯片XL6019输出为+48V的电压，激励信号发射电路(12)将控制逻辑模块(3)发射的PWM方波信号控制激励信号发射电路(12)的场效应管IRF840截止，使激励信号发射电路(12)的电容C52充电达到驱动电压放大电路(11)的直流高压，再通过控制激励信号发射电路(12)的场效应管IRF840导通，使激励信号发射
3.根据权利要求1所述的一种基于STM32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，所述超声波接收电路(6)包括依次连接的限幅电路(13)、阻抗匹配电路(14)、压控增益放大电路(15)、带通滤波电路(16)、差分放大电路(17)、AD采集电路(18)、输出缓存电路(19)和缓存控制电路(20)；限幅电路(13)其具体电路作用是保护接收电路，使接收端电压限制在±0.75V；阻抗匹配电路(14)，其具体电路作用是提高带载能力作用，其输出电压不受后级电路阻抗影响；压控增益放大电路(15)，其具体电路作用是将超声波收发一体式换能器(5)接收的超声波回波信号中进行放大；带通滤波电路(16)，其具体电路作用是滤除噪声信号，提高信噪比；差放大电路(17)，其具体电路作用是使AD采集电路(18)采用差分输入方式，提高抗干扰性，实现AD采集电路(18)的最佳动态性；AD采集电路(18)，其具体电路作用是将超声波收发一体式换能器(5)接收的超声波回波模拟信号经过AD采样变为数字信号；输出缓存电路(19)，其具体电路作用是为AD采集电路(18)输出的超声波回波数据和控制逻辑模块(3)接收超声波回波数据提供缓存，AD采集电路(18)的采样频率与输出缓存电路(19)的写时钟同步，控制逻辑模块(3)与输出缓存电路(19)的读时钟同步；缓存控制电路(20)其作用为源晶振X4提供输出缓存电路(19)的写时钟频率和AD采集电路(18)的采样时钟频率，与非门芯片SN74S00N与控制逻辑模块(3)的I/O引脚输出的高低电平控制输出缓存电路(19)复位和读写操作以及AD采集电路(18)的采样时钟频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于STM32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，所述出砂信号接收电路(8)，具体包含依次连接的电荷放大电路(21)、低通滤波电路(22)和转换电压电路(23)，电荷放大电路(21)其具体电路作用将加速度传感器(7)接收到出砂信息进行放大；低通滤波电路(22)其具体电路作用采用二阶低通滤波将高频噪声信号滤除，保留出砂信号；转换电压电路(23)其具体电路作用是将出砂信号电压-12V～+12V转换为0～+3.3V，与控制逻辑模块(3)内部的ADC采集电压范围一致。
5.一种出砂计算方法，基于权利要求1-4任意一项所述的一种基于STM32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于stm32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，包括：pc端(1)、rs485通讯模块(2)、控制逻辑模块(3)、超声波发射电路(4)、超声波收发一体式换能器(5)、超声波接收电路(6)、加速度传感器(7)、出砂信号接收电路(8)和数据储存电路(9)；
2.根据权利要求1所述的一种基于stm32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，所述超声波发射电路(4)，包含激励信号发射电路(12)，以及连接激励信号发射电路(12)的功率放大电路(10)和驱动电压放大电路(11)，功率放大电路(10)将控制逻辑模块(3)发射的pwm方波信号的coms电平进行功率放大，用于激励信号发射电路(12)的场效应管irf840；驱动电压放大电路(11)将输入+24v的电压通过dc-dc芯片xl6019输出为+48v的电压，激励信号发射电路(12)将控制逻辑模块(3)发射的pwm方波信号控制激励信号发射电路(12)的场效应管irf840截止，使激励信号发射电路(12)的电容c52充电达到驱动电压放大电路(11)的直流高压，再通过控制激励信号发射电路(12)的场效应管irf840导通，使激励信号发射电路(12)的电容c52放电，产生激励超声波发射信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于stm32出砂冲蚀监测系统，其特征在于，所述超声波接收电路(6)包括依次连接的限幅电路(13)、阻抗匹配电路(14)、压控增益放大电路(15)、带通滤波电路(16)、差分放大电路(17)、ad采集电路(18)、输出缓存电路(19)和缓存控制电路(20)；限幅电路(13)其具体电路作用是保护接收电路，使接收端电压限制在±0.75v；阻抗匹配电路(14)，其具体电路作用是提高带载能力作用，其输出电压不受后级电路阻抗影响；压控增益放大电路(1...
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