Дызайн ультрагукавога датчыка расходомера сырой нафты

увядзенне

У цяперашні час адной са складаных праблем пры здабычы сырой нафты на нафтавых радовішчах з'яўляецца онлайн-вымярэнне здабытай сырой нафты. Асноўная прычына ў тым, што склад сырой нафты вельмі складаны. Сырая нафта змяшчае нафту, ваду, газ і іншыя прымешкі. Гэта шматфазная і складаная вадкасць, і сырая нафта з адной свідравіны цячэ з перапынкамі, таму агульныя ультрагукавыя расходомеры не могуць адпавядаць патрабаванням. У гэтым артыкуле распрацавана сістэма вымярэння, заснаваная на разліку карэляцыі патоку ультрагукавой хвалі, якая вырашае праблему бескантактавага вымярэння сырой нафты ў рэжыме онлайн.

Прынцып ультрагукавога расходомера

Метад карэляцыі выкарыстоўвае адпаведныя метады для вымярэння патоку вадкасці. Дакладнасць вымярэння ультрагукавой расходомер пераўтваральнік не мае нічога агульнага з хуткасцю гуку ў вадкасці, і дакладнасць вымярэння высокая. Ён падыходзіць для вымярэння шматфазнага патоку і вялікай інтэрферэнцыйнай вадкасці. Калі вадкасць цячэ ў трубаправодзе, калі яна змяшчае іншыя прымешкі, унутры будуць узнікаць розныя выпадковыя парушэнні, якія будуць генераваць сігналы патоку, звязаныя з умовамі патоку і якія маюць пэўныя статыстычныя характарыстыкі. Структура расходомера з карэляцыйным метадам паказвае два наборы ультрагукавых перадаючых і прыёмных пераўтваральнікаў, а L - гэта адлегласць паміж верхнім і ніжнім пераўтваральнікамі. Калі ультрагукавой сігнал праходзіць праз трубаправод, ультрагукавой сігнал будзе мадулявацца шумам у вадкасці. Мадуляваны ультрагукавой сігнал змяшчае інфармацыю аб полі хуткасці вадкасці. Ультрагукавы сігнал аналізуецца для вылучэння сігналу патоку A(t) і B(t) і выканання аперацый карэляцыі над A(t) і B(t).

2 Ультрагукавая структура сістэмы вымярэння патоку для адной свідравіны сырой нафты

Сістэма вымярэння расходу з адной свідравіны ў асноўным складаецца з трох частак: папярэдняя апрацоўка падзелу газу і вадкасці, ультрагукавое выяўленне і апрацоўка сігналаў. Ніжэй гэтыя тры часткі аналізуюцца асобна.

2.1 Частка папярэдняй апрацоўкі падзелу газу і вадкасці

Паказана структура часткі папярэдняй апрацоўкі. Функцыя часткі папярэдняй апрацоўкі заключаецца ў ажыццяўленні падзелу вадкасці і газу (сырая нафта, якая перапампоўваецца помпавай устаноўкай, у дадатак да нафтавай сумесі змяшчае газ і іншыя прымешкі. Газ прынясе большую памылку ў вымярэнні нафты, таму падчас вымярэння неабходна праводзіць падзел нафты і газу ад вадкасці); другі - вырашыць праблему вымярэння поўнай трубы падчас перарывістага патоку (сырая нафта, якая адпампоўваецца кожны раз, калі помпавая ўстаноўка працуе, не роўная, і яна цячэ з перапынкамі, так што нафта ў трубаправодзе можа быць не поўнай, або прыносіць вялікую памылку вымярэння). Па гэтых прычынах перад вымярэннем алею неабходна правесці папярэднюю апрацоўку. Пасля папярэдняй апрацоўкі падзел газу і вадкасці і напоўненая алеем труба праходзяць праз дазавальную алейную трубу, каб паменшыць памылку вымярэння. Прынцып працы: сырая нафта паступае ў рэзервуар для захоўвання нафты з ўваходнага адтуліны для нафты праз адстойнік, а нафта і газ падзяляюцца ў рэзервуары для захоўвання нафты. Выдзелены газ выводзіцца з вентыля (выхаднага клапана) на нафтасховішчы па газаправодзе. Калі алей дасягае пэўнай вышыні, плаваючы шарык усплывае, каб адкрыць ніжні клапан (выпускны клапан алею), і ў той жа час верхні клапан перакрывае газавы порт для павышэння ціску. Нафта ў нафтаназапашвальніку пад дзеяннем ціску паступае да выхаду нафты па вымяральным трубаправодзе. Калі бак для захоўвання алею апускаецца да пэўнага ўзроўню, плавае шар апускаецца, каб заблакаваць ніжні клапан і адкрывае верхні клапан, так што паўторная праца завяршае аддзяленне газу і вадкасці.

...

2.2 Частка ультрагукавога кантролю

Частка выяўлення ў асноўным складаецца з дзвюх пар ультрагукавых датчыкаў. Выяўленне ультрагукавых датчыкаў ажыццяўляецца шляхам перадачы і прыёму энергіі ультрагукавых хваль. Ядро пераўтваральніка (пераўтварэнне ультрагукавой энергіі ў электрычную або пераўтварэнне электрычнай энергіі ў ультрагукавую энергію. Рэверсіўны пераўтваральнік азначае, што дзве формы энергіі пераўтваральніка пераўтвараюцца адна ў адну). Агульныя ультрагукавыя пераўтваральнікі ўключаюць п'езаэлектрычныя крышталічныя вібратары, магнітастрыкцыйныя вібратары і гэтак далей. Ультрагукавыя хвалі, якія выкарыстоўваюцца для адпаведнага вымярэння патоку, звычайна маюць дзве формы: сінусоіда і пульсавая хваля. Адпаведныя расходомеры імпульснага ультрагуку і сінусоіды аб'ядноўваюць інфармацыю аб хуткасці папярочнага перасеку поля патоку, каб атрымаць хуткасць патоку. У гэтай канструкцыі выкарыстоўваецца п'езаэлектрычны крышталічны ультрагукавой датчык з цэнтральнай частатой 200 кГц. Для таго каб пераадолець уплыў стаячых хваль, ультрагук выкарыстоўвае генератар імпульсных сігналаў з фазавай аўтападстройкай частот.

...

2.3 Частка апрацоўкі сігналаў

Частка апрацоўкі сігналу ў асноўным складаецца з ультрагукавога прыёмнага пераўтваральніка. Схема кандыцыянавання сігналу складаецца з прыёмнага пераўтваральніка, трохступеньчатай схемы ўзмацняльніка, схемы фільтра і схемы выяўлення агінаючай. Папярэдні ўзмацняльнік складаецца з інструментальнага ўзмацняльніка MAX410, другасны ўзмацняльнік і канчатковы ўзмацняльнік складаюцца з прэцызійнага інструментальнага ўзмацняльніка малой магутнасці INA128; схема фільтра ўяўляе сабой паласовы фільтр, які складаецца з аналагавага інтэграванага фільтра MAX275, цэнтральная частата роўная 200 кГц, фільтр нізкіх частот фарміруецца TL14, і сігнал пасля выяўлення ў асноўным выводзіцца. Схема выяўлення агінаючай складаецца з дыёда і кандэнсатара для фарміравання пікавага дэтэктара.

Іншая частка - гэта схема збору і апрацоўкі даных, якая складаецца з модуляў. Гэтая схема з ультрагукавой датчык патоку вады выбірае чып TMS320F2812DSP кампаніі TI. У сучасным полі кіравання працэсам гэта самы перадавы мікрапрацэсар DSP. У параўнанні з традыцыйнымі адначыпавымі мікракампутарамі, ён мае выдатную прадукцыйнасць, такую ​​як магутныя функцыі, багатыя рэсурсы і нізкае энергаспажыванне. Ён мае ідэальную прадукцыйнасць і найлепшы інтэграваны перыферыйны інтэрфейс. Ён аб'ядноўвае флэш-памяць, высакахуткасны аналагава-цыфравы пераўтваральнік, высокапрадукцыйны модуль CAN і г.д.

Падчас вымярэння пераўтваральнікі перадатчыка вышэй і ніжэй па плыні выпраменьваюць высокачашчынныя ультрагукавыя хвалі. Калі ультрагукавыя хвалі распаўсюджваюцца ў вадкасці, сігнал патоку будзе мадуляваць ультрагукавыя хвалі па амплітудзе, фазе і частаце. Высокачашчынны мадуляваны сігнал, атрыманы пераўтваральнікам, прымаецца і фільтруецца. Пасля дэмадуляцыі і ўзмацнення сігнал патоку атрымліваецца і адпраўляецца ў аналагава-цыфравы пераўтваральнік для збору даных, а сабраная інфармацыя адпраўляецца на адпаведную апрацоўку для вызначэння хуткасці патоку вадкасці.

3 Сістэмнае праграмаванне

Сістэма праграмнага забеспячэння ўключае ў сябе ініцыялізацыю, модуль вылічэнняў, дысплей патоку, модуль апрацоўкі перапыненняў і іншыя часткі. Паказана асноўная блок-схема праграмы. Пасля ініцыялізацыі асноўнай праграмы яна ўваходзіць у праграму цыкла для апрацоўкі выбарачных даных і адказвае на знешнія запыты перапынення АЦП, запыты перапынення паслядоўнай сувязі і запыты перапынення таймера ў любы час. Вызначэнне таго, ці дасягнуты час адлюстравання хуткасці патоку. Асноўная праграма адказвае на прыведзеныя вышэй запыты перапынення і выклікае кожную адпаведную праграму апрацоўкі для завяршэння збору і апрацоўкі даных.

Ініцыялізацыя, з аднаго боку, наладжвае працоўнае асяроддзе DSP, а з другога - падрыхтоўка да наступнай апрацоўкі сігналу. Праграма ініцыялізацыі сістэмы ўключае ў сябе ўнутраную ініцыялізацыю, якая ўплывае на працу працэсара мікрасхемы DSP, і перыферыйную ініцыялізацыю, якая ўплывае на працу кожнай перыферыі, а таксама ініцыялізацыю перыферыйных праграмуемых прылад (такіх як A/D, D/A і г.д.), у прыватнасці, уключаючы наступныя функцыі: усталяваць тактавы генератар, усталяваць таймер, ініцыялізаваць рэгістры стану, адкрыць перапыненні і г.д.

Модуль апрацоўкі перапыненняў уключае тры перапыненні: модуль апрацоўкі перапыненняў таймера выкарыстоўваецца для запуску аналагава-цыфравага пераўтваральніка і кіравання частатой дыскрэтызацыі, модуль апрацоўкі перапыненняў паслядоўнай сувязі выкарыстоўваецца для сувязі з верхнім камп'ютэрам, а модуль апрацоўкі перапыненняў выкарыстоўваецца для чытання.

 Модуль дысплея рэгулярна абнаўляе лічыльнік, каб адлюстраваць імгненнае значэнне расходу і сукупнае значэнне расходу. Працэс апрацоўкі сістэмы заключаецца ва ўсталяванні перыяду часу, таймер генеруе перапыненне, гэта перапыненне запускае аналагава-цыфравы пераўтваральнік, пасля пераўтварэння аналагава-цыфравы пераўтваральнік запытвае ў DSP счытванне перапынення даных, і DSP адказвае на запыт перапынення аналагава-цыфравага пераўтваральніка, выклікае модуль апрацоўкі перапынення А/Ц, чытае выбарачныя дадзеныя і адправіць іх у буфер дадзеных. Паколькі вадкасць цячэ з перапынкамі, пасля таго, як DSP атрымае даныя N-кропкі сігналаў уверх і ўніз па плыні, ён выконвае аналіз Фур'е дадзеных, каб вызначыць, ці цячэ вадкасць. Калі ён цякучы, праграма разліку выклікаецца для выканання звязаных аперацый над дадзенымі выбаркі і пошуку звязаных функцый. Вызначце час праходжання T і атрымайце імгненнае значэнне расходу і кумулятыўнае значэнне расходу ў адпаведнасці з параметрамі прыбора і тэмпературнай кампенсацыяй і захавайце вынік у блоку захоўвання даных для адлюстравання на дысплеі.

У карэляцыі вымярэння патоку, адзін з ключавых пытанняў латуневы ультрагукавой датчык расходомера - гэта метад разліку карэляцыйнай функцыі, які патрабуе высакахуткаснага і дакладнага завяршэння збору вялікай колькасці выпадковых сігналаў мадуляцыі, разлікаў інтэграцыі карэляцыі і пошуку піка карэляцыйнай функцыі. Алгарытм карэляцыйнай функцыі ў асноўным мае два віды метаду паўтарэння палярнасці і метад перасячэння нуля. Для павышэння хуткасці працы гэтая сістэма выкарыстоўвае аперацыю карэляцыі ў частотнай вобласці. Пасля пераўтварэння ўваходных дадзеных з дапамогай БПФ можна атрымаць аперацыю карэляцыі ў частотнай вобласці. Затым вынік карэляцыі ў часовай вобласці можа быць атрыманы праз IFFT, які можна выкарыстоўваць для пошуку пікаў.

4 Заключэнне

На аснове аналізу ўмоў працы адной свідравіны на нафтавым радовішчы і прынцыпу адпаведнага вымярэння расходу была распрацавана прылада, прыдатная для вымярэння сырой нафты ў адной свідравіне. Палявыя выпрабаванні дасягнулі добрых вынікаў з хібнасцю менш за 2%. Аднак ёсць яшчэ наступныя праблемы: па-першае, сігнал моцна вагаецца, што ў асноўным звязана з тым, што сырая нафта змяшчае газ і прымешкі. Такім чынам, розніца сігналаў вялікая, і ланцуг выяўлення павінен павялічыць ланцуг АРУ. Другі мае складанасці з устаноўкай папраўчага каэфіцыента. Розныя свідравіны маюць розную абводненасць і глейкасць нафты. У той жа час, цякучасць алею моцна вар'іруецца пры розных тэмпературах, таму яе неабходна некалькі разоў рэгуляваць у розных умовах. Папраўчы каэфіцыент дастаўляе нязручнасці ў выкарыстанні. Па-трэцяе, памылка адносна вялікая, калі хуткасць патоку нізкая. Гэта вобласці, якія трэба палепшыць у будучых даследаваннях.