用于油田井口液位監測的無(wú)源無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器

［摘 要］ 針對油田井口液位監測應用需求以及無(wú)源無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器在井口液位監測中需解決的問(wèn)題，設計了差動(dòng)結構傳感器，并采用 FEM/BEM 方法優(yōu)化了傳感器溫度特性，保證了傳感器在不同溫度下工作的可靠性；采用背部受壓封裝形式，通過(guò)設計多層封裝，解決了傳感器引線(xiàn)問(wèn)題，低成本地實(shí)現了高量程下的液位測量，并保證了一定的液位傳感靈敏度；通過(guò)設計保護結構，使傳感器適應復雜的測量介質(zhì)；#終實(shí)現了基于聲表面波技術(shù)的無(wú)源無(wú)線(xiàn)油田井口法蘭式液位變送器。

1 引 言

法蘭式液位變送器是工業(yè)生產(chǎn)和過(guò)程控制中極其重要的一種常用傳感器，在石油石化行業(yè)有著(zhù)廣泛的應用。 為了有效控制石油生產(chǎn)質(zhì)量，井口液位是必須的監測量，法蘭式液位變送器在該方面的應用也經(jīng)歷了從機械式液位計人工讀表， 電子式液位表直至液位變送器自動(dòng)采集的發(fā)展過(guò)程， 但目前仍然有大部分采油井由于歷史原因，沒(méi)有預埋傳感器和線(xiàn)纜，不具備自動(dòng)采集改造的條件或改造代價(jià)過(guò)大。 針對這一情況，無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器成為井口液位自動(dòng)化采集的一個(gè)主要發(fā)展趨勢。 目前主流應用的井口無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器，主要依靠傳統液位變送器和無(wú)線(xiàn)模塊、電池的組合來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)液位傳感，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，檢測結果可靠，但是由于使用電池進(jìn)行供電，其采集頻率無(wú)法進(jìn)一步提升（一般為 10 至 20分鐘采集一次）， 尚無(wú)法達到中石油 A11 標準建議的 15 秒采集一次。 另一方面，出于安全防爆的考慮，也無(wú)法一味增加電池容量。 對監測的動(dòng)態(tài)性以及進(jìn)一步通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)大數據實(shí)現高價(jià)值應用造成了瓶頸。

無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)，其#大的優(yōu)勢在于傳感器一側無(wú)須任何的電池供電， 因此如果傳感器本身不發(fā)生損壞，就無(wú)須考慮電池壽命等附加問(wèn)題，同時(shí)其采集頻次也不再受到電池容量的限制， 并且在防爆環(huán)境中極易實(shí)現本質(zhì)安全。 實(shí)現無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感的一種重要方法是聲表面波（Surface Acoustic Wave ， SAW ）傳感技術(shù) ［ 1 ］ 。 目前，聲表面波無(wú)源無(wú)線(xiàn)溫度傳感器已經(jīng)廣泛應用于高壓開(kāi)關(guān)柜、電纜接頭、高壓斷路器等電力設備測溫系統 ［ 2－4 ］ 。 雖然無(wú)線(xiàn)無(wú)源溫度傳感器在電力行業(yè)獲得了比較成功的應用，其他類(lèi)型的無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器，特別是無(wú)源無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器的工業(yè)應用仍然非常缺乏， 主要原因是大部分研究機構的精力主要集中在胎壓傳感器上， 法蘭式液位變送器的量程大多小于 1MPa ，無(wú)法滿(mǎn)足大部分工業(yè)領(lǐng)域的需求（如井口油壓大多要求 2MPa～6MPa ）， 而國內研究的法蘭式液位變送器大部分量程范圍僅在幾百千帕 ［ 5-6 ］ ；另一方面，這些傳感器的外形封裝和接口也無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)接口的要求。 針對這些應用現狀，本文設計了差動(dòng)結構傳感器， 并采用 FEM／BEM 方法優(yōu)化了傳感器溫度特性，保證了傳感器在不同溫度下工作的可靠性；采用背部受壓封裝形式，通過(guò)設計多層封裝，解決了傳感器引線(xiàn)問(wèn)題，低成本地實(shí)現了高量程下的液位測量， 并保證了一定的液位傳感靈敏度；通過(guò)設計保護結構，使傳感器適應復雜的測量介質(zhì)；#終實(shí)現了基于聲表面波技術(shù)的無(wú)源無(wú)線(xiàn)油田井口法蘭式液位變送器。

2 基本工作原理和系統總體設計

無(wú)源無(wú)線(xiàn)油田井口液位監測系統， 主要由無(wú)源無(wú)線(xiàn)油田井口法蘭式液位變送器和閱讀裝置組成。 閱讀裝置和無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路完成井口液位信息的傳感， 閱讀裝置解析相關(guān)信息并可通過(guò) LORA 等傳輸技術(shù)將數據遠傳至監測平臺。

無(wú)源無(wú)線(xiàn)傳感器不需要電池， 其核心技術(shù)是 SAW 諧振器，該技術(shù)的原理如圖 1 所示， 閱讀器通過(guò)閱讀器天線(xiàn)發(fā)射窄帶電磁波，該電磁波被傳感器天線(xiàn)接收，激勵由壓電工藝制作的單端口 SAW 諧振器，通過(guò)逆壓電效應，叉指換能器（ IDT ）將傳感器天線(xiàn)接收的電磁波轉換為 SAW 。 單端口聲表面波諧振器的實(shí)際諧振頻率則由諧振腔的結構以及基片所處的環(huán)境影響決定 （如被測物處的溫度、應變等）。 當激勵消失之后，帶內各頻率分量的聲表面波會(huì )以不同的時(shí)間常數自由衰減振蕩， 只有頻率與 SAWR固有諧振頻率相同的電磁波持續時(shí)間#長(cháng)。 IDT 通過(guò)壓電效應將SAW 再次轉化為電磁波并由天線(xiàn)輻射出來(lái)。 閱讀器接收被測量影響的衰減振蕩電磁波后估計出其諧振頻率， 可實(shí)現相關(guān)傳感量的無(wú)線(xiàn)測量。

如引言所述，在系統中主要的難點(diǎn)是法蘭式液位變送器的設計，在傳感器的設計主要解決了如下問(wèn)題：（ 1 ）傳感器需要工作在不同的介質(zhì)溫度下， 為了傳感器的可靠工作， 設計了差動(dòng)傳感器結構，并優(yōu)化了傳感器的溫度特性；（ 2 ）傳感器的封裝，為滿(mǎn)足液位量程和靈敏度的需要， 設計了全新的傳感器封裝形式和引線(xiàn)方法，同時(shí)為滿(mǎn)足油田實(shí)際使用中的復雜介質(zhì)成分，設計了隔離保護結構，保證傳感器的有效長(cháng)期工作。 設計的法蘭式液位變送器實(shí)物如圖 2 所示。

3 SAW 敏感器件溫度特性?xún)?yōu)化

油井井口的介質(zhì)溫度并不恒定，如第 1 節 SAW 的工作原理所述，如果僅以單個(gè) SAW 諧振器進(jìn)行液位測量，則諧振頻率必然會(huì )受到介質(zhì)不同工作的影響，導致液位測量結果失真，同時(shí)現場(chǎng)還存在其他干擾， 僅憑簡(jiǎn)單的溫壓聯(lián)合標定和后期溫度補償無(wú)法消除這些影響。 為此，每個(gè) SAW 傳感器均采用兩個(gè)諧振器組成差動(dòng)結構，兩個(gè)諧振器布置在基片上的不同位置，并具有相同的溫度特性， 將兩個(gè)諧振器之間的頻率差值作為液位測量的依據， 從而抵消溫度和其他干擾的影響。 如圖 3 所示為差動(dòng)式SAW 傳感器實(shí)物基片。

由于傳感器工作的溫度范圍較寬， 如果隨意設計傳感器的溫度特性，雖然依然能夠抵消溫度特性的影響，但是由于溫度引起的頻率變化如果過(guò)大， 將會(huì )超出閱讀裝置的允許采集帶寬以及天線(xiàn)的可用帶寬，從而導致無(wú)法解析數據，同時(shí)過(guò)大的傳感器占用帶寬不利于頻譜資源的有效利用。 鑒于此，需要對敏感元件的溫度特性進(jìn)行優(yōu)化， 優(yōu)化的目標是在主要溫度段內 （ －40℃～85℃ ）獲得盡量小的頻率變化，并在高溫段具有負的溫度系數以便匹配天線(xiàn)在高溫下的頻率漂移。 SAW 傳感器的溫度特性主要由基片切型、 電極材料以及器件拓撲結構決定， 我們采用有限元 ／ 邊界元（ FEM／BEM ）方法結合廣義格林函數，可精que計算完整器件的溫度特性。 我們使用該方法計算了不同石英切型下的溫度系數，其結果如圖 4 所示。

根據不同石英切型的溫度系數，我們優(yōu)化地選擇了 AT 切石英（0 ， 126° ， 0° ），其頻率隨溫度變化的曲線(xiàn)如圖 5 所示，該切型在主要工作溫度段（ －40℃～85℃ ）內具有較小的頻率漂移，在 －40℃～40℃ 范圍內總頻率變化小于 100ppm ， 并且在高溫段時(shí)具有負溫度系數，可以很好地和天線(xiàn)的頻率變化匹配。 如圖 5 所示為傳感器的溫度特性。

4 傳感器封裝設計

目前研究的聲表面波無(wú)源無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器出于密封和保護SAW 基片的考慮， 大多采取懸臂梁或簡(jiǎn)支梁結構安放 SAW 基片，并通過(guò)頂針結構將外部液位傳導到基片上。 這種方式容易獲得較大的液位靈敏度，但是由于應力集中的影響，其量程受到很大的限制。背部受壓的封裝方式可使 SAW 基片直接接觸液位源，不需要額外的液位傳導機構，其受力方式為均勻受壓，沒(méi)有明顯的應力集中，容易實(shí)現較大的測量量程，且由于 SAW 傳感器含有器件的一面被封裝在內部，天然形成了保護結構，從而無(wú)須額外的導力機構，非常適合油田井口的應用需求。

但是背部受壓結構中， SAW 器件的引線(xiàn)是一個(gè)較難解決的問(wèn)題，如果采用一般的工藝和結構，需要將 SAW 器件在與封裝引腳已有連接線(xiàn)的情況下倒扣過(guò)來(lái)進(jìn)行裝配， 這勢必導致兩個(gè)嚴重的問(wèn)題：（ 1 ）連接引線(xiàn)需要很長(cháng)，以便能夠翻轉 SAW 基片，從而造成裝配完成的傳感器的抗振性能很差， 連接線(xiàn)極易在運輸過(guò)程中損壞；（ 2 ）由于需要翻轉 SAW 基片，因此基片和基座間的粘接位置很難控制，導致傳感器的一致性很差，操作難度高，難以標準化并影響成品率。

針對此問(wèn)題，我們設計了一種多層轉接引線(xiàn)方法，其結構如圖 6 所示，該引線(xiàn)方法采用兩片陶瓷片，一片為器件陶瓷片，另一片為引腳陶瓷片，兩片陶瓷片上均蝕刻有金屬的轉接焊盤(pán)。 裝配時(shí)先將 SAW 器件粘接在器件陶瓷片上，并將引線(xiàn)連接至轉接焊盤(pán)，同樣將引腳通過(guò)引線(xiàn)連接至引腳陶瓷片的轉接焊盤(pán)上。 然后將兩片陶瓷片轉接焊盤(pán)相對，通過(guò)回流焊接在一起，并將邊緣密封。 通過(guò)這種引線(xiàn)方法，同時(shí)解決了引線(xiàn)過(guò)長(cháng)和基片粘接一致性的問(wèn)題，從而實(shí)現背部受壓封裝方式的標準化裝配，保證了傳感器的量程。

在油田的實(shí)際應用環(huán)境中，井口的測量介質(zhì)比較復雜，并且含有一些顆粒雜質(zhì)，長(cháng)期使用過(guò)程中可能會(huì )對 SAW 器件造成一定的損害，因此我們在 SAW 器件和介質(zhì)之間增加了一段隔離保護結構，更好地保證傳感器的長(cháng)期可靠工作，傳感器封裝的整體結構和實(shí)物分別如圖 7 和圖 8 所示。

5 測試與應用

基于 Druck PACE6000 標準液位源，我們對傳感器的靈敏度進(jìn)行了測試，其結果如圖 9 所示，綜合靈敏度約為 60KHz／MPa ，且具有較好的線(xiàn)性度，滿(mǎn)足我們的設計要求。

我們將此無(wú)源無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器送至中國航天上海精密計量測試研究所進(jìn)行實(shí)際液位傳感測試， 測試結果如圖 10 所示，在大部分測試點(diǎn)上的誤差小于 0．1MPa ，綜合誤差小于 ±0．1MPa 。

在新疆油田某廠(chǎng)區也對本文所述無(wú)源無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器進(jìn)行了實(shí)際應用，數據通過(guò) Lora 技術(shù)傳輸至監控平臺，傳感器運行狀況良好，數據穩定。

6 結 論

本文針對油田井口液位監測應用需求以及無(wú)源無(wú)線(xiàn)法蘭式液位變送器在井口液位監測中需解決的問(wèn)題，設計了差動(dòng)結構傳感器，并采用 FEM／BEM 方法優(yōu)化了傳感器溫度特性， 保證了傳感器在不同溫度下工作的可靠性；采用背部受壓封裝形式，通過(guò)設計多層封裝，解決了傳感器引線(xiàn)問(wèn)題，低成本地實(shí)現了高量程下的液位測量，并保證了一定的液位傳感靈敏度（約 60KHz／MPa，量程超過(guò) 3．5MPa ）；通過(guò)設計保護結構，使傳感器適應復雜的測量介質(zhì)； 通過(guò)測試和實(shí)際應用證明了該傳感器可滿(mǎn)足油田井口液位監測的實(shí)際需要， 對于推進(jìn)數字化油田和油田物聯(lián)網(wǎng)建設具有重大意義。