طراحی سنسور فلومتر اولتراسونیک نفت خام

مقدمه

در حال حاضر یکی از مشکلات دشوار استخراج نفت خام در میادین نفتی، اندازه گیری آنلاین نفت خام استخراج شده است. دلیل اصلی این است که ترکیب نفت خام بسیار پیچیده است. نفت خام حاوی نفت، آب، گاز و ناخالصی های دیگر است. این یک سیال چند فاز و پیچیده است و نفت خام تک چاهی به طور متناوب جریان می یابد، بنابراین فلومترهای فراصوت عمومی نمی توانند الزامات را برآورده کنند. این مقاله یک سیستم اندازه گیری را بر اساس محاسبه جریان همبستگی امواج اولتراسونیک طراحی می کند که مشکل اندازه گیری آنلاین غیر تماسی نفت خام را حل می کند.

اصل فلومتر اولتراسونیک

روش همبستگی از تکنیک های مرتبط برای اندازه گیری جریان سیال استفاده می کند. دقت اندازه گیری از مبدل فلومتر اولتراسونیک ربطی به سرعت صوت در سیال ندارد و دقت اندازه گیری آن بالاست. برای اندازه گیری جریان چند فازی و سیال تداخل بزرگ مناسب است. هنگامی که سیال در خط لوله جریان می یابد، اگر حاوی ناخالصی های دیگری باشد، انواع اختلالات تصادفی در داخل وجود خواهد داشت که سیگنال های جریان مربوط به شرایط جریان را تولید می کند و ویژگی های آماری خاصی دارد. ساختار فلومتر روش همبستگی دو مجموعه مبدل فرستنده و دریافت کننده اولتراسونیک نشان داده شده است و L فاصله بین مبدل بالادست و مبدل پایین دست است. هنگامی که سیگنال اولتراسونیک از خط لوله عبور می کند، سیگنال اولتراسونیک توسط نویز در سیال مدوله می شود. سیگنال اولتراسونیک مدوله شده حاوی اطلاعات میدان سرعت سیال است. سیگنال اولتراسونیک برای استخراج سیگنال جریان A(t) و B(t)، و انجام عملیات همبستگی روی A(t) و B(t) تجزیه و تحلیل می‌شود.

2 ساختار سیستم اندازه گیری جریان اولتراسونیک نفت خام تک چاه

سیستم اندازه گیری جریان تک چاهی عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است: پیش تصفیه جداسازی گاز از مایع، تشخیص اولتراسونیک و پردازش سیگنال. در زیر این سه بخش به طور جداگانه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.

2.1 قسمت پیش تصفیه جداسازی گاز و مایع

ساختار قسمت پیش پردازش نشان داده شده است. وظیفه قسمت پیش تصفیه جداسازی گاز مایع است (نفت خام پمپ شده توسط واحد پمپاژ علاوه بر مخلوط روغن حاوی گاز و سایر ناخالصی ها نیز می باشد. گاز خطای بیشتری در اندازه گیری روغن ایجاد می کند، بنابراین جداسازی نفت از گاز مایع باید در حین اندازه گیری انجام شود). دوم حل مشکل اندازه‌گیری کامل لوله در جریان متناوب (نفت خامی که هر بار که واحد پمپاژ کار می‌کند، پمپاژ می‌شود، مساوی نیست و به صورت متناوب جریان می‌یابد، به طوری که ممکن است نفت در خط لوله پر نشود، یا خطای اندازه‌گیری بزرگ ایجاد کند). به این دلایل، پیش تصفیه باید قبل از اندازه گیری روغن انجام شود. پس از پیش تصفیه، جداسازی گاز از مایع و لوله پر از روغن از لوله روغن اندازه گیری عبور می کند تا خطای اندازه گیری کاهش یابد. اصل کار این است: نفت خام از ورودی نفت از طریق مخزن ته نشینی وارد مخزن ذخیره نفت می شود و نفت و گاز در مخزن ذخیره نفت جدا می شوند. گاز جدا شده از شیر (شیر خروجی) مخزن ذخیره نفت از طریق خط لوله گاز خارج می شود. هنگامی که روغن به ارتفاع معینی می رسد، توپ شناور به سمت بالا شناور می شود تا دریچه پایینی (شیر خروجی روغن) باز شود و در همان زمان شیر بالایی دریچه گاز را مسدود می کند تا فشار ایجاد شود. روغن موجود در مخزن ذخیره روغن از طریق خط لوله اندازه گیری تحت اثر فشار به سمت خروجی روغن جریان می یابد. هنگامی که مخزن ذخیره روغن به سطح معینی می رسد، توپ شناور برای مسدود کردن دریچه پایین فرو می رود و دریچه بالایی باز می شود، به طوری که کار مکرر جداسازی گاز و مایع را کامل می کند.

...

2.2 بخش تست اولتراسونیک

بخش تشخیص عمدتا از دو جفت حسگر اولتراسونیک تشکیل شده است. تشخیص حسگرهای اولتراسونیک با ارسال و دریافت انرژی امواج مافوق صوت انجام می شود. هسته مبدل (تبدیل انرژی مافوق صوت به انرژی الکتریکی یا تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مافوق صوت. مبدل برگشت پذیر به این معنی است که دو شکل انرژی مبدل به یکدیگر تبدیل می شوند). مبدل‌های اولتراسونیک رایج شامل ویبراتورهای کریستالی پیزوالکتریک، ویبراتورهای مغناطیسی و غیره است. امواج اولتراسونیک که برای اندازه‌گیری جریان مرتبط استفاده می‌شوند، عموماً دو شکل دارند: موج سینوسی و موج پالس. فلومترهای مربوط به امواج اولتراسونیک پالسی و موج سینوسی اطلاعات سرعت مقطع میدان جریان را برای به دست آوردن سرعت جریان یکپارچه می کنند. این طرح از سنسور اولتراسونیک کریستال پیزوالکتریک با فرکانس مرکزی 200 کیلوهرتز استفاده می کند. به منظور غلبه بر تأثیر امواج ایستاده، اولتراسونیک از یک مولد سیگنال پالس حلقه قفل فاز استفاده می کند.

...

2.3 بخش پردازش سیگنال

بخش پردازش سیگنال عمدتا از مبدل دریافت کننده اولتراسونیک تشکیل شده است. مدار تهویه سیگنال از یک مبدل گیرنده، یک مدار تقویت کننده سه مرحله ای، یک مدار فیلتر و یک مدار تشخیص پاکت تشکیل شده است. پیش تقویت کننده از ماژول تقویت کننده ابزار MAX410 تشکیل شده است، تقویت کننده ثانویه و تقویت کننده نهایی از تقویت کننده ابزار کم توان دقیق INA128 تشکیل شده است. مدار فیلتر یک فیلتر باند گذر متشکل از فیلتر یکپارچه آنالوگ MAX275 است، فرکانس مرکزی 200 کیلوهرتز است، یک فیلتر پایین گذر توسط TL14 تشکیل می شود و سیگنال پس از تشخیص عمدتاً خارج می شود. مدار تشخیص پاکت از یک دیود و یک خازن برای تشکیل یک آشکارساز پیک تشکیل شده است.

بخش دیگر یک مدار جمع آوری و پردازش داده است که از ماژول ها تشکیل شده است. این مدار از سنسور جریان آب اولتراسونیک تراشه TMS320F2812DSP شرکت TI را انتخاب می کند. در زمینه کنترل فرآیند فعلی، پیشرفته ترین ریزپردازنده DSP است. در مقایسه با میکروکامپیوترهای تک تراشه سنتی، عملکرد فوق العاده ای مانند عملکردهای قوی، منابع غنی و مصرف انرژی کم دارد. عملکرد عالی و بهترین رابط محیطی یکپارچه دارد. فلش مموری، مبدل پر سرعت A/D، ماژول CAN با کارایی بالا و غیره را ادغام می کند.

در طول اندازه گیری، مبدل های فرستنده بالادست و پایین دست امواج اولتراسونیک با فرکانس بالا منتشر می کنند. هنگامی که امواج اولتراسونیک در سیال منتشر می شود، سیگنال جریان امواج اولتراسونیک را در دامنه، فاز و فرکانس تعدیل می کند. سیگنال مدوله شده با فرکانس بالا دریافت شده توسط مبدل دریافت و فیلتر می شود. پس از دمودولاسیون و تقویت، سیگنال جریان به دست می آید و برای جمع آوری داده ها به مبدل A/D ارسال می شود و اطلاعات جمع آوری شده برای به دست آوردن دبی سیال به پردازش مربوطه ارسال می شود.

3 برنامه نویسی سیستم

سیستم نرم افزار شامل مقداردهی اولیه، ماژول محاسبه، نمایش جریان، ماژول پردازش وقفه و سایر بخش ها می باشد. نمودار جریان اصلی برنامه نشان داده شده است. پس از اینکه برنامه اصلی اولیه شد، وارد یک برنامه حلقه می شود تا داده های نمونه برداری شده را پردازش کند و به درخواست های وقفه A/D خارجی، درخواست های قطع ارتباط سریال و درخواست های وقفه تایمر در هر زمان پاسخ می دهد. تعیین اینکه آیا به زمان نمایش نرخ جریان رسیده است یا خیر. برنامه اصلی به درخواست های وقفه فوق پاسخ می دهد و هر برنامه پردازش مربوطه را برای تکمیل جمع آوری و پردازش داده ها فراخوانی می کند.

مقداردهی اولیه از یک سو برای راه اندازی محیط کاری DSP و از سوی دیگر برای آماده سازی برای پردازش سیگنال بعدی است. برنامه مقداردهی اولیه سیستم شامل مقداردهی اولیه داخلی است که بر عملکرد CPU تراشه DSP و مقداردهی اولیه محیطی که بر کار هر یک از دستگاه های جانبی تأثیر می گذارد، و همچنین مقداردهی اولیه دستگاه های قابل برنامه ریزی جانبی (مانند A/D، D/A و غیره)، به ویژه شامل توابع زیر: تنظیم مولد ساعت، تنظیم تایمر، باز کردن رجیسترهای وضعیت، باز کردن وقفه و غیره.

ماژول پردازش وقفه شامل سه وقفه است: ماژول پردازش وقفه تایمر برای راه اندازی مبدل A/D و کنترل فرکانس نمونه برداری، ماژول پردازش وقفه ارتباطی سریال برای برقراری ارتباط با کامپیوتر بالایی و ماژول پردازش وقفه A/D برای خواندن استفاده می شود. مبدل A/D از داده ها نمونه برداری می کند و نمودار جریان آن در شکل نشان داده شده است.

 ماژول نمایشگر به طور منظم متر را تازه می کند تا مقدار جریان لحظه ای و مقدار جریان تجمعی را نمایش دهد. فرآیند پردازش سیستم برای تنظیم دوره زمان بندی است، تایمر یک وقفه ایجاد می کند، این وقفه مبدل A/D را شروع می کند، پس از تبدیل، مبدل A/D از DSP درخواست می کند تا وقفه داده را بخواند، و A/D به فراخوانی تبدیل می کند. ماژول، داده های نمونه برداری شده را بخوانید و به بافر داده ارسال کنید. از آنجایی که سیال به صورت متناوب جریان می یابد، پس از اینکه DSP داده های نقطه N سیگنال های بالادست و پایین دست را دریافت کرد، تجزیه و تحلیل فوریه را روی داده ها انجام می دهد تا مشخص کند که آیا سیال در حال جریان است یا خیر. اگر جریان داشته باشد، برنامه محاسبه برای انجام عملیات مرتبط بر روی داده های نمونه گیری و یافتن توابع مرتبط فراخوانی می شود. زمان انتقال T را تعیین کنید و مقدار جریان لحظه ای و مقدار جریان تجمعی را با توجه به پارامترهای دستگاه و جبران دما بدست آورید و نتیجه را در واحد ذخیره سازی داده برای نمایش توسط ابزار نمایش ذخیره کنید.

در اندازه گیری جریان همبستگی، یکی از مسائل کلیدی از سنسور فلومتر اولتراسونیک برنجی روش محاسبه تابع همبستگی است که به تکمیل سریع و دقیق تعداد زیادی سیگنال مدولاسیون تصادفی، محاسبات ادغام همبستگی و جستجوی اوج تابع همبستگی نیاز دارد. الگوریتم تابع همبستگی عمدتاً دارای دو نوع روش تکرار قطبیت و روش تلاقی صفر است. به منظور بهبود سرعت عملیات، این سیستم عملیات همبستگی را در حوزه فرکانس اتخاذ می کند. پس از تبدیل داده های ورودی توسط FFT، عملیات همبستگی در حوزه فرکانس را می توان به دست آورد. سپس نتیجه همبستگی در حوزه زمان را می توان از طریق IFFT به دست آورد که می تواند برای جستجوی اوج استفاده شود.

4 نتیجه گیری

بر اساس تجزیه و تحلیل شرایط کاری یک چاه در میدان نفتی و اصل اندازه‌گیری جریان مربوطه، دستگاهی مناسب برای اندازه‌گیری نفت خام تک چاه طراحی شد. آزمون میدانی با خطای کمتر از 2 درصد به نتایج خوبی رسیده است. با این حال، هنوز مشکلات زیر وجود دارد: اول، سیگنال نوسانات زیادی دارد، که عمدتاً نفت خام حاوی گاز و ناخالصی است. بنابراین، تفاوت سیگنال زیاد است و مدار تشخیص باید مدار AGC را افزایش دهد. دومی مشکل تنظیم ضریب تصحیح را دارد. چاه های مختلف محتوای آب و ویسکوزیته روغن متفاوتی دارند. در عین حال، سیالیت روغن در دماهای مختلف بسیار متفاوت است، بنابراین باید چندین بار در محیط های مختلف تنظیم شود. ضریب تصحیح باعث ناراحتی در استفاده می شود. ثالثاً، هنگامی که نرخ جریان کم باشد، خطا نسبتاً بزرگ است. اینها زمینه هایی هستند که باید در تحقیقات آینده بهبود یابند.