［摘 要］ 針對(duì)油田井口液位監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求以及無(wú)源無(wú)線法蘭式液位變送器在井口液位監(jiān)測(cè)中需解決的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了差動(dòng)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)多層封裝，解決了傳感器引線問(wèn)題，低成本地實(shí)現(xiàn)了高量程下的液位測(cè)量，并保證了一定的液位傳感靈敏度；通過(guò)設(shè)計(jì)保護(hù)結(jié)構(gòu)，使傳感器適應(yīng)復(fù)雜的測(cè)量介質(zhì)；#終實(shí)現(xiàn)了基于聲表面波技術(shù)的無(wú)源無(wú)線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)有著廣泛的應(yīng)用。 為了有效控制石油生產(chǎn)質(zhì)量，井口液位是必須的監(jiān)測(cè)量，法蘭式液位變送器在該方面的應(yīng)用也經(jīng)歷了從機(jī)械式液位計(jì)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(yù)埋傳感器和線纜，不具備自動(dòng)采集改造的條件或改造代價(jià)過(guò)大。 針對(duì)這一情況，無(wú)線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(shì)。 目前主流應(yīng)用的井口無(wú)線法蘭式液位變送器，主要依靠傳統(tǒng)液位變送器和無(wú)線模塊、電池的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線液位傳感，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，檢測(cè)結(jié)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(dá)到中石油 A11 標(biāo)準(zhǔn)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(duì)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)性以及進(jìn)一步通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高價(jià)值應(yīng)用造成了瓶頸。

無(wú)源無(wú)線傳感技術(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(shì)在于傳感器一側(cè)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(xiàn)本質(zhì)安全。 實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線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)線溫度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)柜、電纜接頭、高壓斷路器等電力設(shè)備測(cè)溫系統(tǒng) ［ 2－4 ］ 。 雖然無(wú)線無(wú)源溫度傳感器在電力行業(yè)獲得了比較成功的應(yīng)用，其他類型的無(wú)源無(wú)線傳感器，特別是無(wú)源無(wú)線法蘭式液位變送器的工業(yè)應(yīng)用仍然非常缺乏， 主要原因是大部分研究機(jī)構(gòu)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(guó)內(nèi)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)法滿足工業(yè)接口的要求。 針對(duì)這些應(yīng)用現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了差動(dòng)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)多層封裝，解決了傳感器引線問(wèn)題，低成本地實(shí)現(xiàn)了高量程下的液位測(cè)量， 并保證了一定的液位傳感靈敏度；通過(guò)設(shè)計(jì)保護(hù)結(jié)構(gòu)，使傳感器適應(yīng)復(fù)雜的測(cè)量介質(zhì)；#終實(shí)現(xiàn)了基于聲表面波技術(shù)的無(wú)源無(wú)線油田井口法蘭式液位變送器。

2 基本工作原理和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)源無(wú)線油田井口液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 主要由無(wú)源無(wú)線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)線傳感器之間通過(guò)無(wú)線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(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

無(wú)源無(wú)線傳感器不需要電池， 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)閱讀器天線發(fā)射窄帶電磁波，該電磁波被傳感器天線接收，激勵(lì)由壓電工藝制作的單端口 SAW 諧振器，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，叉指換能器（ IDT ）將傳感器天線接收的電磁波轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)以及基片所處的環(huán)境影響決定 （如被測(cè)物處的溫度、應(yīng)變等）。 當(dāng)激勵(lì)消失之后，帶內(nèi)各頻率分量的聲表面波會(huì)以不同的時(shí)間常數(shù)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(xù)時(shí)間#長(zhǎng)。 IDT 通過(guò)壓電效應(yīng)將SAW 再次轉(zhuǎn)化為電磁波并由天線輻射出來(lái)。 閱讀器接收被測(cè)量影響的衰減振蕩電磁波后估計(jì)出其諧振頻率， 可實(shí)現(xiàn)相關(guān)傳感量的無(wú)線測(cè)量。

如引言所述，在系統(tǒng)中主要的難點(diǎn)是法蘭式液位變送器的設(shè)計(jì)，在傳感器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了傳感器的溫度特性；（ 2 ）傳感器的封裝，為滿足液位量程和靈敏度的需要， 設(shè)計(jì)了全新的傳感器封裝形式和引線方法，同時(shí)為滿足油田實(shí)際使用中的復(fù)雜介質(zhì)成分，設(shè)計(jì)了隔離保護(hù)結(jié)構(gòu)，保證傳感器的有效長(zhǎng)期工作。 設(shè)計(jì)的法蘭式液位變送器實(shí)物如圖 2 所示。

3 SAW 敏感器件溫度特性優(yōu)化

油井井口的介質(zhì)溫度并不恒定，如第 1 節(jié) 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(cè)量，則諧振頻率必然會(huì)受到介質(zhì)不同工作的影響，導(dǎo)致液位測(cè)量結(jié)果失真，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)還存在其他干擾， 僅憑簡(jiǎn)單的溫壓聯(lián)合標(biāo)定和后期溫度補(bǔ)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(jié)構(gòu)，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(cè)量的依據(jù)， 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(shè)計(jì)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的可用帶寬，從而導(dǎo)致無(wú)法解析數(shù)據(jù)，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(duì)敏感元件的溫度特性進(jìn)行優(yōu)化， 優(yōu)化的目標(biāo)是在主要溫度段內(nèi) （ －40℃～85℃ ）獲得盡量小的頻率變化，并在高溫段具有負(fù)的溫度系數(shù)以便匹配天線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?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定， 我們采用有限元 ／ 邊界元（ FEM／BEM ）方法結(jié)合廣義格林函數(shù)，可精que計(jì)算完整器件的溫度特性。 我們使用該方法計(jì)算了不同石英切型下的溫度系數(shù)，其結(jié)果如圖 4 所示。

根據(jù)不同石英切型的溫度系數(shù)，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如圖 5 所示，該切型在主要工作溫度段（ －40℃～85℃ ）內(nèi)具有較小的頻率漂移，在 －40℃～40℃ 范圍內(nèi)總頻率變化小于 100ppm ， 并且在高溫段時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù)，可以很好地和天線的頻率變化匹配。 如圖 5 所示為傳感器的溫度特性。

4 傳感器封裝設(shè)計(jì)

目前研究的聲表面波無(wú)源無(wú)線法蘭式液位變送器出于密封和保護(hù)SAW 基片的考慮， 大多采取懸臂梁或簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)安放 SAW 基片，并通過(guò)頂針結(jié)構(gòu)將外部液位傳導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)機(jī)構(gòu)，其受力方式為均勻受壓，沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中，容易實(shí)現(xiàn)較大的測(cè)量量程，且由于 SAW 傳感器含有器件的一面被封裝在內(nèi)部，天然形成了保護(hù)結(jié)構(gòu)，從而無(wú)須額外的導(dǎo)力機(jī)構(gòu)，非常適合油田井口的應(yīng)用需求。

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

針對(duì)此問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種多層轉(zhuǎn)接引線方法，其結(jié)構(gòu)如圖 6 所示，該引線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(zhuǎn)接焊盤。 裝配時(shí)先將 SAW 器件粘接在器件陶瓷片上，并將引線連接至轉(zhuǎn)接焊盤，同樣將引腳通過(guò)引線連接至引腳陶瓷片的轉(zhuǎn)接焊盤上。 然后將兩片陶瓷片轉(zhuǎn)接焊盤相對(duì)，通過(guò)回流焊接在一起，并將邊緣密封。 通過(guò)這種引線方法，同時(shí)解決了引線過(guò)長(zhǎng)和基片粘接一致性的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)背部受壓封裝方式的標(biāo)準(zhǔn)化裝配，保證了傳感器的量程。

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

5 測(cè)試與應(yīng)用

基于 Druck PACE6000 標(biāo)準(zhǔn)液位源，我們對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如圖 9 所示，綜合靈敏度約為 60KHz／MPa ，且具有較好的線性度，滿足我們的設(shè)計(jì)要求。

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

在新疆油田某廠區(qū)也對(duì)本文所述無(wú)源無(wú)線法蘭式液位變送器進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，數(shù)據(jù)通過(guò) Lora 技術(shù)傳輸至監(jiān)控平臺(tái)，傳感器運(yùn)行狀況良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)油田井口液位監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求以及無(wú)源無(wú)線法蘭式液位變送器在井口液位監(jiān)測(cè)中需解決的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了差動(dòng)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)多層封裝，解決了傳感器引線問(wèn)題，低成本地實(shí)現(xiàn)了高量程下的液位測(cè)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(shè)計(jì)保護(hù)結(jié)構(gòu)，使傳感器適應(yīng)復(fù)雜的測(cè)量介質(zhì)； 通過(guò)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用證明了該傳感器可滿足油田井口液位監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要， 對(duì)于推進(jìn)數(shù)字化油田和油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有重大意義。