Dizajn ultrazvučnog senzora protoka za sirovu naftu

uvod

Trenutno je jedan od teških problema s kojima se susreće vađenje sirove nafte na naftnim poljima online mjerenje izvađene sirove nafte. Glavni razlog je to što je sastav sirove nafte vrlo složen. Sirova nafta sadrži naftu, vodu, plin i druge nečistoće. To je višefazna i složena tekućina, a sirova nafta iz jedne bušotine teče povremeno, tako da opći ultrazvučni mjerači protoka ne mogu zadovoljiti zahtjeve. Ovaj rad dizajnira mjerni sustav temeljen na proračunu protoka korelacije ultrazvučnih valova, koji rješava problem beskontaktnog online mjerenja sirove nafte.

Princip rada ultrazvučnog mjerača protoka

Metoda korelacije koristi srodne tehnike za mjerenje protoka fluida. Točnost mjerenja Ultrazvučni pretvarač protoka nema nikakve veze s brzinom zvuka u tekućini, a točnost mjerenja je visoka. Pogodan je za mjerenje višefaznog protoka i velikih interferencijskih tekućina. Kada tekućina teče u cjevovodu, ako sadrži druge nečistoće, doći će do različitih nasumičnih poremećaja unutar, koji će generirati signale protoka koji se odnose na uvjete protoka i imaju određene statističke karakteristike. Struktura mjerača protoka korelacijske metode prikazuje dva skupa ultrazvučnih pretvornika za odašiljanje i primanje, a L je udaljenost između pretvornika uzvodno i pretvornika nizvodno. Kada ultrazvučni signal prolazi kroz cjevovod, ultrazvučni signal će biti moduliran šumom u tekućini. Modulirani ultrazvučni signal sadrži informacije o polju brzine fluida. Ultrazvučni signal se analizira kako bi se izdvojio signal protoka A(t) i B(t) i izvršile korelacijske operacije na A(t) i B(t).

2 Struktura sustava za ultrazvučno mjerenje protoka sirove nafte s jednom bušotinom

Sustav mjerenja protoka s jednom bušotinom uglavnom se sastoji od tri dijela: predtretmana odvajanja plina i tekućine, ultrazvučne detekcije i obrade signala. U nastavku se tri dijela zasebno analiziraju.

2.1 Dio predobrade odvajanja plina i tekućine

Prikazana je struktura dijela predprocesiranja. Funkcija dijela za prethodnu obradu je provesti odvajanje tekućeg plina (sirova nafta koju pumpa crpna jedinica sadrži plin i druge nečistoće uz uljnu smjesu. Plin će donijeti veću pogrešku u mjerenju ulja, tako da se tijekom mjerenja mora provesti odvajanje ulja plin-tekućina); drugi je riješiti problem mjerenja pune cijevi tijekom isprekidanog protoka (sirova nafta koja se ispumpava svaki put kada crpna jedinica radi nije jednaka i teče povremeno, tako da nafta u cjevovodu možda nije puna ili donosi veliku pogrešku mjerenja). Iz tih razloga, prethodnu obradu treba provesti prije mjerenja ulja. Nakon prethodne obrade, odvajanje plina i tekućine i cijev ispunjena uljem prolaze kroz cijev za doziranje ulja kako bi se smanjila pogreška mjerenja. Princip rada je: sirova nafta ulazi u spremnik za skladištenje nafte iz ulaza za ulje kroz taložni spremnik, a nafta i plin se odvajaju u spremniku za skladištenje nafte. Izdvojeni plin izlazi iz ventila (ispusnog ventila) na spremniku nafte kroz plinovod. Kada ulje dosegne određenu visinu, plutajuća kugla se podiže kako bi otvorila donji ventil (ispusni ventil za ulje), a u isto vrijeme gornji ventil blokira otvor za plin radi povećanja tlaka. Ulje u spremniku ulja pod djelovanjem tlaka struji do izlaza ulja kroz mjerni cjevovod. Kada spremnik za skladištenje ulja padne na određenu razinu, plutajuća kugla tone kako bi blokirala donji ventil i otvorila gornji ventil, tako da ponovljeni rad dovršava odvajanje plina i tekućine.

...

2.2 Dio ultrazvučnog ispitivanja

Detekcija se uglavnom sastoji od dva para ultrazvučnih senzora. Detekcija ultrazvučnih senzora vrši se prijenosom i primanjem energije ultrazvučnih valova. Jezgra pretvornika (pretvara ultrazvučnu energiju u električnu energiju ili pretvara električnu energiju u ultrazvučnu energiju. Reverzibilni pretvornik znači da se dva oblika energije pretvornika pretvaraju jedan u drugi). Uobičajeni ultrazvučni pretvarači uključuju piezoelektrične kristalne vibratore, magnetostrikcijske vibratore i tako dalje. Ultrazvučni valovi koji se koriste za povezano mjerenje protoka općenito imaju dva oblika: sinusni val i pulsni val. Povezani mjerači protoka pulsnog ultrazvučnog i sinusnog vala integriraju informacije o brzini presjeka polja protoka kako bi se dobila brzina protoka. Ovaj dizajn koristi piezoelektrični kristalni ultrazvučni senzor sa središnjom frekvencijom od 200 kHz. Kako bi se prevladao utjecaj stojnih valova, ultrazvuk koristi generator impulsa fazno zaključane petlje.

...

2.3 Dio obrade signala

Dio za obradu signala uglavnom se sastoji od ultrazvučnog prijemnog pretvarača. Krug za kondicioniranje signala sastoji se od prijemnog pretvarača, trostupanjskog kruga pojačala, kruga filtera i kruga za otkrivanje omotnice. Predpojačalo se sastoji od MAX410 modula instrumentalnog pojačala, sekundarno pojačalo i finalno pojačalo sastavljeni su od INA128 preciznog instrumentalnog pojačala niske snage; krug filtra je pojasni filtar sastavljen od MAX275 analognog integriranog filtra, središnja frekvencija je 200 kHz, niskopropusni filtar formira TL14, a signal nakon detekcije se uglavnom uklanja. Krug detekcije ovojnice sastoji se od diode i kondenzatora koji čine detektor vršne vrijednosti.

Drugi dio je krug za prikupljanje i obradu podataka sastavljen od modula. Ovaj sklop od ultrazvučni senzor protoka vode odabire TMS320F2812DSP čip tvrtke TI. U trenutnom području kontrole procesa, to je najnapredniji DSP mikroprocesor. U usporedbi s tradicionalnim mikroračunalima s jednim čipom, ima izvanredne performanse kao što su snažne funkcije, bogati resursi i niska potrošnja energije. Ima savršene performanse i najbolje integrirano periferno sučelje. Integrira flash memoriju, A/D pretvarač velike brzine, CAN modul visokih performansi, itd.

Tijekom mjerenja, uzvodni i nizvodni pretvarači odašiljača emitiraju ultrazvučne valove visoke frekvencije. Kada se ultrazvučni valovi šire u tekućini, signal protoka će modulirati ultrazvučne valove u amplitudi, fazi i frekvenciji. Visokofrekventni modulirani signal koji prima pretvornik prima se i filtrira. Nakon demodulacije i pojačanja, signal protoka se dobiva i šalje A/D pretvaraču za prikupljanje podataka, a prikupljene informacije šalju se na odgovarajuću obradu kako bi se dobila brzina protoka tekućine.

3 Programiranje sustava

Softverski sustav uključuje inicijalizaciju, modul izračuna, prikaz toka, modul za obradu prekida i druge dijelove. Prikazan je dijagram toka glavnog programa. Nakon što se glavni program inicijalizira, ulazi u program petlje za obradu uzorkovanih podataka i odgovara na vanjske zahtjeve za A/D prekidom, zahtjeve za prekid serijske komunikacije i zahtjeve za prekid mjerača vremena u bilo kojem trenutku. Utvrđivanje je li postignuto vrijeme prikaza protoka. Glavni program odgovara na gornje zahtjeve za prekid i poziva svaki odgovarajući program za obradu da dovrši prikupljanje i obradu podataka.

Inicijalizacija je s jedne strane za postavljanje radnog okruženja DSP-a, a s druge strane za pripremu za naknadnu obradu signala. Program inicijalizacije sustava uključuje internu inicijalizaciju koja utječe na rad CPU-a DSP čipa i perifernu inicijalizaciju koja utječe na rad svake periferije, kao i inicijalizaciju perifernih programabilnih uređaja (kao što su A/D, D/A, itd.), posebno uključujući sljedeće funkcije: postavljanje generatora takta, postavljanje mjerača vremena, inicijaliziranje statusnih registara, otvaranje prekida itd.

Modul za obradu prekida uključuje tri prekida: modul za obradu prekida timera koristi se za pokretanje A/D pretvarača i kontrolu frekvencije uzorkovanja, modul za obradu prekida serijske komunikacije koristi se za komunikaciju s gornjim računalom, a modul za obradu A/D prekida koristi se za čitanje. A/D pretvarač uzorkuje podatke, a njegov dijagram toka prikazan je na slici.

 Modul za prikaz redovito osvježava mjerač kako bi prikazao trenutnu vrijednost protoka i kumulativnu vrijednost protoka. Proces obrade sustava je postavljanje vremenskog razdoblja, mjerač vremena generira prekid, ovaj prekid pokreće A/D pretvarač, nakon pretvorbe, A/D pretvarač zahtijeva od DSP-a da pročita prekid podataka, a DSP odgovara na zahtjev za prekidom A/D pretvarača, poziva modul za obradu prekida A/D, očitava uzorkovane podatke i poslati ih u međuspremnik podataka. Budući da tekućina teče povremeno, nakon što DSP primi podatke N-točke uzvodnih i nizvodnih signala, izvodi Fourierovu analizu podataka kako bi utvrdio teče li tekućina. Ako teče, poziva se računski program za izvođenje povezanih operacija na uzorkovanim podacima i pronalaženje povezanih funkcija. Odredite vrijeme prolaza T i dobijte trenutnu vrijednost protoka i kumulativnu vrijednost protoka prema parametrima instrumenta i temperaturnoj kompenzaciji i pohranite rezultat u jedinicu za pohranjivanje podataka za prikaz na instrumentu za prikaz.

U korelacijskom mjerenju protoka jedno je od ključnih pitanja Mjedeni ultrazvučni senzor protoka je metoda izračuna korelacijske funkcije, koja zahtijeva brz i točan završetak akvizicije velikog broja slučajnih modulacijskih signala, izračune korelacijske integracije i vršnu pretragu korelacijske funkcije. Algoritam korelacijske funkcije uglavnom ima dvije vrste metode ponavljanja polariteta i metode prelaska nule. Kako bi se poboljšala brzina rada, ovaj sustav usvaja korelacijski rad u frekvencijskoj domeni. Nakon što se ulazni podaci transformiraju FFT-om, može se dobiti operacija korelacije u frekvencijskom području. Tada se rezultat korelacije u vremenskoj domeni može dobiti putem IFFT-a, koji se može koristiti za traženje vrha.

4 Zaključak

Na temelju analize radnih uvjeta pojedine bušotine u naftnom polju i principa povezanog mjerenja protoka, projektiran je uređaj pogodan za mjerenje pojedine bušotine sirove nafte. Terenski test je postigao dobre rezultate s greškom manjom od 2%. Međutim, i dalje postoje sljedeći problemi: Prvo, signal jako fluktuira, što je uglavnom zbog toga što sirova nafta sadrži plin i nečistoće. Stoga je razlika signala velika, a krug detekcije treba povećati AGC krug. Drugi ima poteškoća s postavljanjem koeficijenta korekcije. Različite bušotine imaju različit sadržaj vode i viskoznost nafte. Istodobno, fluidnost ulja jako varira na različitim temperaturama, tako da se mora podešavati više puta u različitim okruženjima. Faktor korekcije donosi neugodnosti za korištenje. Treće, pogreška je relativno velika kada je protok nizak. Ovo su područja koja treba poboljšati u budućim istraživanjima.