تصميم جهاز استشعار مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية للنفط الخام

مقدمة

في الوقت الحاضر، إحدى المشاكل الصعبة التي تواجه استخراج النفط الخام في حقول النفط هي قياس النفط الخام المستخرج عبر الإنترنت. السبب الرئيسي هو أن تكوين النفط الخام معقد للغاية. يحتوي النفط الخام على النفط والماء والغاز والشوائب الأخرى. إنه سائل متعدد المراحل ومعقد، ويتدفق النفط الخام في بئر واحدة بشكل متقطع، لذلك لا يمكن لأجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية العامة تلبية المتطلبات. تصمم هذه الورقة نظام قياس يعتمد على حساب تدفق ارتباط الموجات فوق الصوتية، والذي يحل مشكلة قياس عدم الاتصال عبر الإنترنت للنفط الخام.

مبدأ مقياس الجريان بالموجات فوق الصوتية

تستخدم طريقة الارتباط التقنيات ذات الصلة لقياس تدفق السوائل. دقة القياس محول مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية ليس له علاقة بسرعة الصوت في السائل، ودقة القياس عالية. إنها مناسبة لقياس التدفق متعدد المراحل وسائل التداخل الكبير. عندما يتدفق السائل في خط الأنابيب، إذا كان يحتوي على شوائب أخرى، سيكون هناك مجموعة متنوعة من الاضطرابات العشوائية في الداخل، والتي ستولد إشارات تدفق تتعلق بظروف التدفق ولها خصائص إحصائية معينة. يظهر هيكل مقياس الجريان بطريقة الارتباط مجموعتين من محولات الإرسال والاستقبال بالموجات فوق الصوتية، وL هي المسافة بين محول الطاقة المنبع ومحول الطاقة المصب. عندما تمر إشارة الموجات فوق الصوتية عبر خط الأنابيب، سيتم تعديل إشارة الموجات فوق الصوتية بواسطة الضوضاء الموجودة في السائل. تحتوي إشارة الموجات فوق الصوتية المعدلة على معلومات حول مجال سرعة السائل. يتم تحليل إشارة الموجات فوق الصوتية لاستخراج إشارة التدفق A(t) وB(t)، وإجراء عمليات الارتباط على A(t) وB(t).

2 هيكل نظام قياس التدفق المتعلق بالزيت الخام بالموجات فوق الصوتية ذو البئر الواحد

يتكون نظام قياس تدفق البئر الواحد بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: المعالجة المسبقة لفصل الغاز عن السائل، والكشف بالموجات فوق الصوتية، ومعالجة الإشارات. ويتم تحليل الأجزاء الثلاثة بشكل منفصل أدناه.

2.1 جزء المعالجة المسبقة لفصل الغاز والسائل

يظهر هيكل جزء المعالجة المسبقة. تتمثل وظيفة جزء المعالجة المسبقة في إجراء فصل الغاز السائل (يحتوي النفط الخام الذي تضخه وحدة الضخ على غاز وشوائب أخرى بالإضافة إلى خليط الزيت. وسيؤدي الغاز إلى حدوث خطأ أكبر في قياس الزيت، لذلك يجب إجراء فصل النفط والغاز عن السائل أثناء القياس)؛ والثاني هو حل مشكلة قياس الأنبوب الكامل أثناء التدفق المتقطع (النفط الخام الذي يتم ضخه في كل مرة عندما تعمل وحدة الضخ غير متساوٍ، ويتدفق بشكل متقطع، بحيث قد لا يكون الزيت الموجود في الأنبوب ممتلئًا، أو يحدث خطأ كبير في القياس). لهذه الأسباب، ينبغي إجراء المعالجة المسبقة قبل قياس الزيت. بعد المعالجة المسبقة، يمر فصل الغاز عن السائل والأنبوب المملوء بالزيت عبر أنبوب زيت القياس لتقليل خطأ القياس. مبدأ العمل هو: يدخل النفط الخام إلى خزان النفط من مدخل النفط من خلال خزان الترسيب، ويتم فصل النفط والغاز في خزان النفط. يتم إخراج الغاز المنفصل من الصمام (صمام المخرج) الموجود في خزان تخزين الزيت عبر خط أنابيب الغاز. عندما يصل الزيت إلى ارتفاع معين، تطفو الكرة العائمة للأعلى لفتح الصمام السفلي (صمام مخرج الزيت)، وفي نفس الوقت يقوم الصمام العلوي بسد منفذ الغاز لزيادة الضغط. يتدفق الزيت الموجود في خزان الزيت إلى مخرج الزيت من خلال خط أنابيب القياس تحت تأثير الضغط. عندما ينخفض ​​خزان تخزين الزيت إلى مستوى معين، تغوص الكرة العائمة لتسد الصمام السفلي وتفتح الصمام العلوي، بحيث يكمل العمل المتكرر فصل الغاز عن السائل.

...

2.2 جزء الاختبار بالموجات فوق الصوتية

يتكون جزء الكشف بشكل أساسي من زوجين من أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية. يتم الكشف عن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية عن طريق إرسال واستقبال طاقة الموجات فوق الصوتية. جوهر محول الطاقة (تحويل الطاقة فوق الصوتية إلى طاقة كهربائية أو تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة فوق صوتية. محول الطاقة القابل للعكس يعني أن شكلي طاقة محول الطاقة يتم تحويلهما إلى بعضهما البعض). تشمل محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الشائعة الهزازات البلورية الكهرضغطية، والهزازات المغناطيسية وما إلى ذلك. الموجات فوق الصوتية المستخدمة لقياس التدفق ذات الصلة عموما لها شكلين: موجة جيبية وموجة نبضية. تقوم مقاييس التدفق ذات الصلة بالموجات فوق الصوتية النبضية والموجة الجيبية بدمج معلومات السرعة للمقطع العرضي لحقل التدفق للحصول على سرعة التدفق. يستخدم هذا التصميم مستشعرًا بالموجات فوق الصوتية البلوري الكهروإجهادي بتردد مركزي يبلغ 200 كيلو هرتز. من أجل التغلب على تأثير الموجات الدائمة، يستخدم الموجات فوق الصوتية مولد إشارة نبض حلقة مقفلة الطور.

...

2.3 جزء معالجة الإشارات

يتكون جزء معالجة الإشارة بشكل أساسي من محول استقبال بالموجات فوق الصوتية. تتكون دائرة تكييف الإشارة من محول استقبال ودائرة مضخم ثلاثية المراحل ودائرة مرشح ودائرة كشف المغلف. يتكون المضخم الأولي من وحدة مضخم الصوت MAX410، ويتكون مكبر الصوت الثانوي ومكبر الصوت النهائي من مضخم الصوت منخفض الطاقة الدقيق INA128؛ دائرة المرشح عبارة عن مرشح تمرير نطاق يتكون من مرشح متكامل تناظري MAX275، والتردد المركزي هو 200 كيلو هرتز، ويتم تشكيل مرشح تمرير منخفض بواسطة TL14، ويتم إخراج الإشارة بعد الكشف بشكل أساسي. تتكون دائرة الكشف عن المغلف من صمام ثنائي ومكثف لتشكيل كاشف الذروة.

الجزء الآخر عبارة عن دائرة الحصول على البيانات ومعالجتها المكونة من وحدات. هذه الدائرة يقوم مستشعر تدفق المياه بالموجات فوق الصوتية باختيار شريحة TMS320F2812DSP التابعة لشركة TI. في مجال التحكم في العمليات الحالي، فهو المعالج الدقيق DSP الأكثر تقدمًا. بالمقارنة مع الحواسيب الصغيرة التقليدية ذات الشريحة الواحدة، فهي تتمتع بأداء متميز مثل الوظائف القوية والموارد الغنية والاستهلاك المنخفض للطاقة. يتمتع بأداء مثالي وأفضل واجهة طرفية متكاملة. فهو يدمج ذاكرة الفلاش، ومحول A/D عالي السرعة، ووحدة CAN عالية الأداء، وما إلى ذلك.

أثناء القياس، تنبعث محولات الطاقة المرسلة من المنبع والمصب موجات فوق صوتية عالية التردد. عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في السائل، ستقوم إشارة التدفق بتعديل الموجات فوق الصوتية في السعة والمرحلة والتردد. يتم استقبال الإشارة المعدلة عالية التردد التي يتلقاها محول الطاقة وتصفيتها. بعد إزالة التشكيل والتضخيم، يتم الحصول على إشارة التدفق وإرسالها إلى محول A/D لجمع البيانات، ويتم إرسال المعلومات المجمعة إلى المعالجة ذات الصلة للحصول على معدل تدفق السائل.

3 برمجة النظام

يشتمل نظام البرنامج على التهيئة ووحدة الحساب وعرض التدفق ووحدة معالجة المقاطعة وأجزاء أخرى. يتم عرض مخطط تدفق البرنامج الرئيسي. بعد تهيئة البرنامج الرئيسي، يدخل في برنامج حلقة لمعالجة البيانات التي تم أخذ عينات منها، ويستجيب لطلبات مقاطعة A/D الخارجية، وطلبات مقاطعة الاتصال التسلسلي، وطلبات مقاطعة المؤقت في أي وقت. تحديد ما إذا تم الوصول إلى توقيت عرض معدل التدفق. يستجيب البرنامج الرئيسي لطلبات المقاطعة المذكورة أعلاه ويستدعي كل برنامج معالجة مطابق لإكمال جمع البيانات ومعالجتها.

تهدف التهيئة من ناحية إلى إعداد بيئة عمل معالج الإشارات الرقمية (DSP)، ومن ناحية أخرى للتحضير لمعالجة الإشارات اللاحقة. يتضمن برنامج تهيئة النظام التهيئة الداخلية التي تؤثر على تشغيل وحدة المعالجة المركزية لشريحة DSP والتهيئة الطرفية التي تؤثر على عمل كل جهاز طرفي، بالإضافة إلى تهيئة الأجهزة الطرفية القابلة للبرمجة (مثل A/D، D/A، إلخ)، بما في ذلك على وجه التحديد الوظائف التالية: ضبط مولد الساعة، وضبط المؤقت، وتهيئة سجلات الحالة، وفتح المقاطعات، وما إلى ذلك.

تتضمن وحدة معالجة المقاطعة ثلاث مقاطعات: يتم استخدام وحدة معالجة مقاطعة المؤقت لبدء محول A/D والتحكم في تردد أخذ العينات، ويتم استخدام وحدة معالجة مقاطعة الاتصالات التسلسلية للتواصل مع الكمبيوتر العلوي، ويتم استخدام وحدة معالجة مقاطعة A/D لقراءة عينات محول A/D من البيانات، ويظهر المخطط الانسيابي الخاص بها في الشكل.

 تقوم وحدة العرض بتحديث العداد بانتظام لعرض قيمة التدفق اللحظي وقيمة التدفق التراكمي. تتمثل عملية معالجة النظام في ضبط فترة التوقيت، ويولد المؤقت مقاطعة، وتبدأ هذه المقاطعة محول A/D، بعد التحويل، يطلب محول A/D من DSP قراءة مقاطعة البيانات، ويستجيب DSP لطلب مقاطعة محول A/D، واستدعاء وحدة معالجة المقاطعة A/D، وقراءة البيانات التي تم أخذ عينات منها، وإرسالها إلى المخزن المؤقت للبيانات. نظرًا لأن السائل يتدفق بشكل متقطع، بعد أن يتلقى معالج الإشارة الرقمية بيانات النقطة N الخاصة بإشارات المنبع والمصب، فإنه يقوم بإجراء تحليل فورييه على البيانات لتحديد ما إذا كان السائل يتدفق. إذا كان يتدفق، يتم استدعاء برنامج الحساب لإجراء العمليات ذات الصلة على البيانات التي تم أخذ عينات منها والعثور على الوظائف ذات الصلة. حدد وقت العبور T، واحصل على قيمة التدفق اللحظي وقيمة التدفق التراكمي وفقًا لمعلمات الجهاز وتعويض درجة الحرارة، وقم بتخزين النتيجة في وحدة تخزين البيانات لعرضها بواسطة أداة العرض.

في قياس تدفق الارتباط، واحدة من القضايا الرئيسية مستشعر مقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية النحاسي هو طريقة حساب وظيفة الارتباط، والتي تتطلب إكمالًا عالي السرعة ودقيقًا للحصول على عدد كبير من إشارات التعديل العشوائي، وحسابات تكامل الارتباط والبحث الذروة لوظيفة الارتباط. تحتوي خوارزمية وظيفة الارتباط بشكل أساسي على نوعين من طريقة تكرار القطبية وطريقة التقاطع الصفري. من أجل تحسين سرعة التشغيل، يعتمد هذا النظام عملية الارتباط في مجال التردد. بعد تحويل بيانات الإدخال بواسطة FFT، يمكن الحصول على عملية الارتباط في مجال التردد. ومن ثم يمكن الحصول على نتيجة الارتباط في المجال الزمني من خلال IFFT، والتي يمكن استخدامها لبحث الذروة.

4 الاستنتاج

على أساس تحليل ظروف العمل لبئر واحد في حقل النفط ومبدأ قياس التدفق ذي الصلة، تم تصميم جهاز مناسب لقياس النفط الخام ببئر واحد. وقد حقق الاختبار الميداني نتائج جيدة مع نسبة خطأ أقل من 2%. ومع ذلك، لا تزال هناك المشاكل التالية: أولاً، تتقلب الإشارة بشكل كبير، حيث يحتوي النفط الخام بشكل أساسي على غاز وشوائب. ولذلك، فإن فرق الإشارة كبير، وتحتاج دائرة الكشف إلى زيادة دائرة AGC. والثاني لديه صعوبة تحديد معامل التصحيح. الآبار المختلفة لها محتوى مائي مختلف ولزوجة الزيت. وفي الوقت نفسه، تختلف سيولة الزيت بشكل كبير عند اختلاف درجات الحرارة، لذا يجب تعديله عدة مرات تحت بيئات مختلفة. عامل التصحيح يجلب الإزعاج للاستخدام. ثالثا، يكون الخطأ كبيرا نسبيا عندما يكون معدل التدفق منخفضا. هذه هي المجالات التي يتعين تحسينها في البحوث المستقبلية.