Raakaöljyn ultraäänivirtausmittarin anturin suunnittelu

esittely

Tällä hetkellä yksi vaikeista ongelmista raakaöljyn louhinnassa öljykentillä on erotetun raakaöljyn online-mittaus. Pääsyynä on se, että raakaöljyn koostumus on hyvin monimutkainen. Raakaöljy sisältää öljyä, vettä, kaasua ja muita epäpuhtauksia. Se on monivaiheinen ja monimutkainen neste, ja yksikaivoinen raakaöljy virtaa ajoittain, joten yleiset ultraäänivirtausmittarit eivät voi täyttää vaatimuksia. Tässä artikkelissa suunnitellaan ultraääniaaltokorrelaatiovirtauslaskentaan perustuva mittausjärjestelmä, joka ratkaisee raakaöljyn kosketuksettoman online-mittauksen ongelman.

Ultraäänivirtausmittarin periaate

Korrelaatiomenetelmä käyttää vastaavia tekniikoita nestevirtauksen mittaamiseen. Mittaustarkkuus Ultraäänivirtausmittarin anturilla ei ole mitään tekemistä nesteen äänennopeuden kanssa, ja mittaustarkkuus on korkea. Se soveltuu monivaiheisen virtauksen ja suurten häiriönesteiden mittaamiseen. Jos neste virtaa putkilinjassa, jos se sisältää muita epäpuhtauksia, sisällä on erilaisia ​​satunnaisia ​​häiriöitä, jotka synnyttävät virtausolosuhteisiin liittyviä virtaussignaaleja ja joilla on tietyt tilastolliset ominaisuudet. Korrelaatiomenetelmän virtausmittarin rakenne on esitetty kahdessa ultraäänilähetys- ja vastaanottomuuntimessa, ja L on ylävirran anturin ja alavirran anturin välinen etäisyys. Kun ultraäänisignaali kulkee putkilinjan läpi, nesteessä oleva kohina moduloi ultraäänisignaalia. Moduloitu ultraäänisignaali sisältää tiedon nesteen nopeuskentästä. Ultraäänisignaali analysoidaan virtaussignaalien A(t) ja B(t) erottamiseksi ja korrelaatiooperaatioiden suorittamiseksi A(t):lle ja B(t):lle.

2 Yksikaivoinen raakaöljyn ultraääni liittyvä virtausmittausjärjestelmän rakenne

Yksikaivoinen virtausmittausjärjestelmä koostuu pääasiassa kolmesta osasta: kaasu-nesteerotuksen esikäsittely, ultraäänitunnistus ja signaalinkäsittely. Kolme osaa analysoidaan erikseen alla.

2.1 Kaasu-neste-erotuksen esikäsittelyosa

Esikäsittelyosan rakenne on esitetty. Esikäsittelyosan tehtävänä on suorittaa neste-kaasu-erotus (pumppuyksikön pumppaama raakaöljy sisältää öljyseoksen lisäksi kaasua ja muita epäpuhtauksia. Kaasu tuo suuremman virheen öljyn mittaukseen, joten öljyn kaasu-neste-erotus on suoritettava mittauksen aikana); toinen on ratkaista koko putken mittausongelma jaksoittaisen virtauksen aikana (pumppausyksikön toimiessa joka kerta pumpattava raakaöljy ei ole sama, ja se virtaa ajoittain, joten putkilinjassa oleva öljy ei välttämättä ole täynnä, tai tuo suuri mittausvirhe). Näistä syistä esikäsittely tulee suorittaa ennen öljyn mittausta. Esikäsittelyn jälkeen kaasu-nesteerotus ja öljyllä täytetty putki kulkevat mittausöljyputken läpi mittausvirheen pienentämiseksi. Toimintaperiaate on: raakaöljy tulee öljyn varastosäiliöön öljyn sisääntuloaukosta sedimentointisäiliön kautta, ja öljy ja kaasu erotetaan öljyvarastossa. Erotettu kaasu tulee ulos öljysäiliön venttiilistä (poistoventtiilistä) kaasuputken kautta. Kun öljy saavuttaa tietyn korkeuden, kelluva pallo kelluu ylös avatakseen alemman venttiilin (öljyn poistoventtiilin), ja samaan aikaan ylempi venttiili estää kaasuportin muodostamaan painetta. Öljysäiliössä oleva öljy virtaa öljyn ulostuloon mittausputken kautta paineen vaikutuksesta. Kun öljyvarasto putoaa tietylle tasolle, kelluva pallo uppoaa tukkien alemman venttiilin ja avaa ylemmän venttiilin, jolloin toistuva työ suorittaa kaasun ja nesteen erotuksen.

...

2.2 Ultraäänitestausosa

Tunnistusosa koostuu pääasiassa kahdesta ultraäänianturiparista. Ultraääniantureiden havaitseminen tapahtuu lähettämällä ja vastaanottamalla ultraääniaaltojen energiaa. Muuntimen ydin (ultraäänienergian muuntaminen sähköenergiaksi tai sähköenergian muuntaminen ultraäänienergiaksi. Reversiibeli muunnin tarkoittaa, että muuntimen kaksi muotoa muunnetaan toisikseen). Yleisiä ultraäänimuuntimia ovat pietsosähköiset kidevärähtimet, magnetostriktiiviset vibraattorit ja niin edelleen. Ultraääniaaltoja, joita käytetään vastaaviin virtausmittauksiin, on yleensä kaksi muotoa: siniaalto ja pulssiaalto. Vastaavat pulssi-ultraääni- ja siniaaltovirtausmittarit integroivat virtauskentän poikkileikkauksen nopeustiedot virtausnopeuden saamiseksi. Tämä rakenne käyttää pietsosähköistä kristalli-ultraäänianturia, jonka keskitaajuus on 200 kHz. Seisovien aaltojen vaikutuksen voittamiseksi ultraääni käyttää vaihelukittua silmukkapulssisignaaligeneraattoria.

...

2.3 Signaalinkäsittelyosa

Signaalinkäsittelyosa koostuu pääosin ultraäänivastaanottimesta. Signaalinkäsittelypiiri koostuu vastaanottomuuntimesta, kolmivaiheisesta vahvistinpiiristä, suodatinpiiristä ja verhokäyrän tunnistuspiiristä. Esivahvistin koostuu MAX410-instrumenttivahvistinmoduulista, toissijainen vahvistin ja loppuvahvistin koostuvat INA128-tarkkuuspienitehoisesta instrumenttivahvistimesta; suodatinpiiri on kaistanpäästösuodatin, joka koostuu analogisesta integroidusta MAX275-suodattimesta, keskitaajuus on 200 kHz, TL14 muodostaa alipäästösuodattimen ja havaitsemisen jälkeen signaali otetaan pääosin pois. Verhokäyrän tunnistuspiiri koostuu diodista ja kondensaattorista huipputunnistimen muodostamiseksi.

Toinen osa on moduuleista koostuva tiedonkeruu- ja -käsittelypiiri. Tämä piiri ultraääniveden virtausanturi valitsee TI Companyn TMS320F2812DSP-sirun. Nykyisellä prosessinohjauskentällä se on edistynein DSP-mikroprosessori. Perinteisiin yksisiruisiin mikrotietokoneisiin verrattuna siinä on erinomainen suorituskyky, kuten vahvat toiminnot, runsaat resurssit ja alhainen virrankulutus. Siinä on täydellinen suorituskyky ja paras integroitu oheisliitäntä. Se integroi flash-muistin, nopean A/D-muuntimen, tehokkaan CAN-moduulin jne.

Mittauksen aikana ylä- ja alavirran lähettimen muuntimet lähettävät korkeataajuisia ultraääniaaltoja. Kun ultraääniaallot etenevät nesteessä, virtaussignaali moduloi ultraääniaaltoja amplitudin, vaiheen ja taajuuden suhteen. Muuntimen vastaanottama suurtaajuusmoduloitu signaali vastaanotetaan ja suodatetaan. Demoduloinnin ja vahvistuksen jälkeen virtaussignaali saadaan ja lähetetään A/D-muuntimelle tiedonkeruuta varten, ja kerätyt tiedot lähetetään vastaavaan käsittelyyn nesteen virtausnopeuden saamiseksi.

3 Järjestelmäohjelmointi

Ohjelmistojärjestelmä sisältää alustuksen, laskentamoduulin, vuonäytön, keskeytysprosessointimoduulin ja muita osia. Pääohjelman vuokaavio näytetään. Kun pääohjelma on alustettu, se siirtyy silmukkaohjelmaan käsittelemään näytedataa ja vastaa ulkoisiin A/D-keskeytyspyyntöihin, sarjaliikenteen keskeytyspyyntöihin ja ajastimen keskeytyspyyntöihin milloin tahansa. Sen määrittäminen, saavutetaanko virtausnopeuden näytön ajoitus. Pääohjelma vastaa yllä oleviin keskeytyspyyntöihin ja kutsuu jokaista vastaavaa käsittelyohjelmaa viimeistelemään tiedonkeruun ja -käsittelyn.

Alustus on toisaalta DSP:n työympäristön luomiseen ja toisaalta myöhempään signaalinkäsittelyyn valmistautumiseen. Järjestelmän alustusohjelma sisältää sisäisen alustuksen, joka vaikuttaa DSP-sirun CPU:n toimintaan ja oheislaitteiden alustuksen, joka vaikuttaa kunkin oheislaitteen toimintaan, sekä oheislaitteiden ohjelmoitavien laitteiden (kuten A/D, D/A jne.) alustuksen, sisältäen erityisesti seuraavat toiminnot: kellogeneraattorin asettaminen, ajastimen asettaminen, tilarekisterien alustaminen, keskeytysrekisterien avaaminen jne.

Keskeytyksen käsittelymoduuli sisältää kolme keskeytystä: ajastinkeskeytyksen käsittelymoduulia käytetään A/D-muuntimen käynnistämiseen ja näytteenottotaajuuden ohjaamiseen, sarjaliikennekeskeytyksen käsittelymoduulilla kommunikoimaan ylemmän tietokoneen kanssa ja A/D-keskeytyksen käsittelymoduulilla lukemaan. A/D-muunnin ottaa näytteitä tiedoista ja sen vuokaavio näkyy kuvassa.

 Näyttömoduuli päivittää mittarin säännöllisesti näyttääkseen hetkellisen virtausarvon ja kumulatiivisen virtausarvon.Järjestelmän käsittelyprosessissa asetetaan ajoitusjakso, ajastin luo keskeytyksen, tämä keskeytys käynnistää A/D-muuntimen, muunnoksen jälkeen A/D-muunnin pyytää DSP:tä lukemaan datakeskeytyksen ja DSP vastaa A,D-muuntimen keskeytyspyyntöön. näytetiedot ja lähetä se tietopuskuriin. Koska neste virtaa ajoittain, sen jälkeen kun DSP on vastaanottanut N-pisteen datan ylä- ja alavirran signaaleista, se suorittaa datalle Fourier-analyysin määrittääkseen, virtaako neste. Jos se on virtaava, laskentaohjelmaa kutsutaan suorittamaan liittyvät toiminnot näytteitetylle tiedolle ja etsimään liittyvät funktiot. Määritä siirtoaika T ja hanki hetkellinen virtausarvo ja kumulatiivinen virtausarvo instrumentin parametrien ja lämpötilakompensoinnin mukaan ja tallenna tulos tietojen tallennusyksikköön näyttölaitteen näyttämistä varten.

Korrelaatiovirtausmittauksessa yksi avainkysymyksistä messinkinen ultraäänivirtausmittarin anturi on korrelaatiofunktion laskentamenetelmä, joka edellyttää suuren määrän satunnaisten modulaatiosignaalien hankinnan nopeaa ja tarkkaa suorittamista, korrelaatiointegraatiolaskelmia ja korrelaatiofunktion huippuhakua. Korrelaatiofunktioalgoritmissa on pääasiassa kahdenlainen polariteetin toistomenetelmä ja nollan ylitysmenetelmä. Toimintanopeuden parantamiseksi tämä järjestelmä ottaa käyttöön korrelaatiotoiminnan taajuusalueella. Kun tulodata on muunnettu FFT:llä, voidaan saada korrelaatiooperaatio taajuusalueella. Sitten aika-alueen korrelaatiotulos voidaan saada IFFT:n kautta, jota voidaan käyttää huippuhakuun.

4 Johtopäätös

Öljykentän yksittäisen kaivon toimintaolosuhteiden ja siihen liittyvän virtausmittauksen periaatteen perusteella suunniteltiin yksikaivoiseen raakaöljyn mittaukseen soveltuva laite. Kenttäkokeissa on saatu hyviä tuloksia alle 2 %:n virheellä. Kuitenkin seuraavat ongelmat ovat edelleen olemassa: Ensinnäkin signaali vaihtelee suuresti, mikä johtuu pääasiassa siitä, että raakaöljy sisältää kaasua ja epäpuhtauksia. Siksi signaalin ero on suuri, ja tunnistuspiirin on lisättävä AGC-piiriä. Toisella on korjauskertoimen asettamisen vaikeuksia. Eri kaivoissa on erilainen vesipitoisuus ja öljyn viskositeetti. Samanaikaisesti öljyn juoksevuus vaihtelee suuresti eri lämpötiloissa, joten sitä on säädettävä useita kertoja eri ympäristöissä. Korjauskerroin vaikeuttaa käyttöä. Kolmanneksi virhe on suhteellisen suuri, kun virtausnopeus on pieni. Nämä ovat niitä alueita, joita on parannettava tulevassa tutkimuksessa.