Návrh ultrazvukového snímače průtoku ropy

zavedení

V současnosti je jedním z obtížných problémů těžby ropy na ropných polích online měření vytěžené ropy. Hlavním důvodem je, že složení ropy je velmi složité. Ropa obsahuje ropu, vodu, plyn a další nečistoty. Jedná se o vícefázovou a komplexní tekutinu a ropa s jedním vrtem teče přerušovaně, takže obecné ultrazvukové průtokoměry nemohou splnit požadavky. Tento článek navrhuje měřicí systém založený na výpočtu korelačního toku ultrazvukových vln, který řeší problém bezkontaktního online měření ropy.

Princip ultrazvukového průtokoměru

Korelační metoda využívá související techniky pro měření průtoku tekutin. Přesnost měření ultrazvukový průtokoměr převodník nemá nic společného s rychlostí zvuku v tekutině a přesnost měření je vysoká. Je vhodný pro měření vícefázového průtoku a velké interferenční tekutiny. Když tekutina proudí v potrubí, pokud obsahuje jiné nečistoty, bude uvnitř vznikat řada náhodných poruch, které budou generovat signály proudění související s podmínkami proudění a mají určité statistické charakteristiky. Struktura průtokoměru korelační metody je znázorněna dvěma sadami ultrazvukových vysílacích a přijímacích převodníků a L je vzdálenost mezi převodníkem proti proudu a převodníkem po proudu. Když ultrazvukový signál prochází potrubím, bude ultrazvukový signál modulován šumem v tekutině. Modulovaný ultrazvukový signál obsahuje informaci o poli rychlosti tekutiny. Ultrazvukový signál je analyzován pro extrakci signálu toku A(t) a B(t) a provádění korelačních operací na A(t) a B(t).

2 Struktura systému měření průtoku souvisejícího s ultrazvukem ropy s jedním vrtem

Systém měření průtoku s jednou jímkou ​​se skládá hlavně ze tří částí: předúprava separace plyn-kapalina, ultrazvuková detekce a zpracování signálu. Tyto tři části jsou analyzovány samostatně níže.

2.1 Předúprava separace plyn-kapalina

Je zobrazena struktura části předběžného zpracování. Funkcí části předúpravy je provedení separace kapalina-plyn (surová ropa čerpaná čerpací jednotkou obsahuje kromě olejové směsi i plyn a další nečistoty. Plyn vnese do měření oleje větší chybu, proto je nutné při měření provádět separaci ropy Plyn-kapalina); druhým je řešení problému měření plného potrubí při přerušovaném průtoku (ropa odčerpávaná pokaždé, když je čerpací jednotka v provozu, není stejná a teče přerušovaně, takže ropa v potrubí nemusí být plná, nebo přináší velkou chybu měření). Z těchto důvodů by měla být před měřením oleje provedena předúprava. Po předúpravě prochází separace plynu a kapaliny a potrubí naplněné olejem potrubím odměřovacího oleje, aby se snížila chyba měření. Princip fungování je: surová ropa vstupuje do zásobníku oleje ze vstupu oleje přes sedimentační nádrž a ropa a plyn jsou odděleny v nádrži na skladování ropy. Oddělený plyn je vyveden z ventilu (výtokového ventilu) na zásobní nádrži ropy plynovodem. Když olej dosáhne určité výšky, plovoucí koule vyplave nahoru, aby otevřela spodní ventil (výpustný ventil oleje), a zároveň horní ventil zablokuje plynový port, aby se vytvořil tlak. Olej v zásobní nádrži oleje proudí pod tlakem přes měřicí potrubí k výstupu oleje. Když nádrž na olej klesne na určitou úroveň, plovoucí koule klesne, aby zablokovala spodní ventil a otevře horní ventil, takže opakovaná práce dokončí oddělení plynu a kapaliny.

...

2.2 Část ultrazvukového testování

Detekční část se skládá převážně ze dvou párů ultrazvukových senzorů. Detekce ultrazvukových senzorů se provádí vysíláním a přijímáním energie ultrazvukových vln. Jádro převodníku (přeměna ultrazvukové energie na elektrickou energii nebo přeměna elektrické energie na ultrazvukovou energii. Reverzibilní převodník znamená, že dvě formy převodníku se navzájem přeměňují). Mezi běžné ultrazvukové měniče patří piezoelektrické krystalové vibrátory, magnetostrikční vibrátory a tak dále. Ultrazvukové vlny používané pro související měření průtoku mají obecně dvě formy: sinusovou vlnu a pulzní vlnu. Související průtokoměry pulzního ultrazvuku a sinusové vlny integrují informace o rychlosti průřezu pole proudění pro získání rychlosti proudění. Tato konstrukce využívá piezoelektrický krystalový ultrazvukový snímač se střední frekvencí 200 kHz. K překonání vlivu stojatého vlnění využívá ultrazvukový generátor pulzního signálu smyčky fázového závěsu.

...

2.3 Část zpracování signálu

Část pro zpracování signálu se skládá hlavně z ultrazvukového přijímacího převodníku. Obvod úpravy signálu se skládá z přijímacího převodníku, třístupňového zesilovacího obvodu, filtračního obvodu a obvodu detekce obálky. Předzesilovač se skládá z modulu nástrojového zesilovače MAX410, sekundární zesilovač a koncový zesilovač jsou složeny z přesného nízkovýkonového nástrojového zesilovače INA128; filtrační obvod je pásmová propust složená z analogového integrovaného filtru MAX275, střední frekvence je 200 kHz, dolní propust je tvořena TL14 a signál po detekci je převážně vyveden. Obvod detekce obálky se skládá z diody a kondenzátoru pro vytvoření špičkového detektoru.

Druhou částí je obvod pro sběr a zpracování dat složený z modulů. Tento okruh ultrazvukový snímač průtoku vody vybírá čip TMS320F2812DSP společnosti TI. V současné oblasti řízení procesů se jedná o nejpokročilejší mikroprocesor DSP. Ve srovnání s tradičními jednočipovými mikropočítači má vynikající výkon, jako jsou silné funkce, bohaté zdroje a nízká spotřeba energie. Má perfektní výkon a nejlepší integrované periferní rozhraní. Integruje flash paměť, vysokorychlostní A/D převodník, vysoce výkonný CAN modul atd.

Během měření vysílací převodníky před a za vysílačem vysílají vysokofrekvenční ultrazvukové vlny. Když se ultrazvukové vlny šíří v tekutině, signál toku bude modulovat ultrazvukové vlny v amplitudě, fázi a frekvenci. Vysokofrekvenčně modulovaný signál přijímaný převodníkem je přijímán a filtrován. Po demodulaci a zesílení se získá signál toku a odešle se do A/D převodníku pro sběr dat a shromážděné informace se pošlou do souvisejícího zpracování pro získání průtoku tekutiny.

3 Programování systému

Softwarový systém obsahuje inicializaci, výpočetní modul, zobrazení toku, modul zpracování přerušení a další části. Je zobrazen hlavní vývojový diagram programu. Poté, co je hlavní program inicializován, vstoupí do smyčkového programu pro zpracování navzorkovaných dat a kdykoli reaguje na požadavky externího A/D přerušení, požadavky na přerušení sériové komunikace a požadavky na přerušení časovače. Určení, zda bylo dosaženo časování zobrazení průtoku. Hlavní program reaguje na výše uvedené požadavky na přerušení a volá každý odpovídající program zpracování, aby dokončil sběr a zpracování dat.

Inicializace slouží na jedné straně k nastavení pracovního prostředí DSP a na druhé straně k přípravě na následné zpracování signálu. Program inicializace systému zahrnuje vnitřní inicializaci, která ovlivňuje činnost CPU čipu DSP a inicializaci periferií, která ovlivňuje práci každé periferie, a také inicializaci periferních programovatelných zařízení (jako jsou A/D, D/A atd.), konkrétně včetně následujících funkcí: nastavení generátoru hodin, nastavení časovače, inicializace stavových registrů, otevírání přerušení atd.

Modul zpracování přerušení obsahuje tři přerušení: modul zpracování přerušení časovače se používá ke spuštění A/D převodníku a řízení vzorkovací frekvence, modul zpracování přerušení sériové komunikace se používá ke komunikaci s nadřazeným počítačem a modul zpracování přerušení A/D se používá ke čtení A/D převodník vzorkuje data a jeho vývojový diagram je znázorněn na obrázku .

 Zobrazovací modul pravidelně aktualizuje měřidlo, aby zobrazoval okamžitou hodnotu průtoku a kumulativní hodnotu průtoku. Proces systémového zpracování spočívá v nastavení časové periody, časovač generuje přerušení, toto přerušení spustí A/D převodník, po převodu A/D převodník požádá DSP, aby načetl přerušení dat, a DSP odpoví na A/D převodník, aby odeslal modul zpracování dat, přečetl přerušení a přečetl požadavek na zpracování dat, datové vyrovnávací paměti. Protože tekutina proudí přerušovaně, poté, co DSP přijme N-bodová data signálů proti proudu a po proudu, provede na datech Fourierovu analýzu, aby určil, zda tekutina teče. Pokud teče, je volán výpočetní program, aby provedl související operace se vzorkovanými daty a našel související funkce. Určete dobu průchodu T a získejte okamžitou hodnotu průtoku a kumulativní hodnotu průtoku podle parametrů přístroje a teplotní kompenzace a uložte výsledek do jednotky pro ukládání dat pro zobrazení na zobrazovacím přístroji.

V korelačním měření toku je jedním z klíčových problémů mosazný ultrazvukový snímač průtoku je metoda výpočtu korelační funkce, která vyžaduje vysokorychlostní a přesné dokončení získávání velkého počtu náhodných modulačních signálů, výpočty korelační integrace a špičkové vyhledávání korelační funkce. Algoritmus korelační funkce má hlavně dva druhy metody opakování polarity a metodu nulového křížení. Aby se zlepšila provozní rychlost, tento systém přijímá korelační operace ve frekvenční oblasti. Poté, co jsou vstupní data transformována pomocí FFT, lze získat korelační operaci ve frekvenční doméně. Pak lze výsledek korelace v časové oblasti získat pomocí IFFT, který lze použít pro vyhledávání špiček.

4 Závěr

Na základě analýzy pracovních podmínek jednoho vrtu v ropném poli a principu souvisejícího měření průtoku bylo navrženo zařízení vhodné pro jednovrtné měření ropy. Polní test dosáhl dobrých výsledků s chybou menší než 2 %. Stále však existují následující problémy: Za prvé, signál velmi kolísá, což má hlavně za to, že ropa obsahuje plyn a nečistoty. Proto je rozdíl signálu velký a detekční obvod potřebuje zvýšit obvod AGC. Druhý má potíže s nastavením korekčního koeficientu. Různé vrty mají různý obsah vody a viskozitu oleje. Tekutost oleje se přitom při různých teplotách značně liší, takže se musí v různých prostředích několikrát upravovat. Korekční faktor přináší nepříjemnosti při používání. Za třetí, chyba je relativně velká, když je průtok nízký. To jsou oblasti, které je třeba v budoucím výzkumu zlepšit.