Desain sensor flowmeter ultrasonik Minyak Mentah

perkenalan

Saat ini, salah satu masalah sulit yang dihadapi dalam ekstraksi minyak mentah di ladang minyak adalah pengukuran minyak mentah yang diekstraksi secara online. Alasan utamanya adalah komposisi minyak mentah sangat kompleks. Minyak mentah mengandung minyak, air, gas dan kotoran lainnya. Ini adalah cairan multi-fase dan kompleks, dan minyak mentah satu sumur mengalir sebentar-sebentar, sehingga pengukur aliran ultrasonik umum tidak dapat memenuhi persyaratan. Makalah ini merancang sistem pengukuran berdasarkan perhitungan aliran korelasi gelombang ultrasonik, yang memecahkan masalah pengukuran online non-kontak minyak mentah.

Prinsip flowmeter ultrasonik

Metode korelasi menggunakan teknik terkait untuk mengukur aliran fluida. Keakuratan pengukuran transduser flowmeter ultrasonik tidak ada hubungannya dengan kecepatan suara dalam cairan, dan akurasi pengukurannya tinggi. Sangat cocok untuk pengukuran aliran multi-fase dan cairan interferensi besar. Ketika fluida mengalir di dalam pipa, jika mengandung pengotor lain, maka akan terjadi berbagai gangguan acak di dalamnya, yang akan menghasilkan sinyal aliran yang berkaitan dengan kondisi aliran dan memiliki karakteristik statistik tertentu. Struktur flowmeter metode korelasi menunjukkan dua set transduser pemancar dan penerima ultrasonik, dan L adalah jarak antara transduser hulu dan transduser hilir. Ketika sinyal ultrasonik melewati pipa, sinyal ultrasonik akan dimodulasi oleh noise di dalam fluida. Sinyal ultrasonik termodulasi berisi informasi bidang kecepatan fluida. Sinyal ultrasonik dianalisis untuk mengekstrak sinyal aliran A(t) dan B(t), dan melakukan operasi korelasi pada A(t) dan B(t).

2 Struktur sistem pengukuran aliran terkait ultrasonik minyak mentah sumur tunggal

Sistem pengukuran aliran sumur tunggal terutama terdiri dari tiga bagian: pretreatment pemisahan gas-cair, deteksi ultrasonik, dan pemrosesan sinyal. Ketiga bagian tersebut dianalisis secara terpisah di bawah ini.

2.1 Bagian pretreatment pemisahan gas-cair

Struktur bagian pra-pemrosesan ditampilkan. Fungsi bagian pretreatment adalah untuk melakukan pemisahan cair-gas (minyak mentah yang dipompa oleh unit pompa mengandung gas dan pengotor lainnya selain campuran minyak. Gas tersebut akan membawa kesalahan yang lebih besar pada pengukuran minyak, sehingga minyak Pemisahan gas-cair harus dilakukan pada saat pengukuran); yang kedua adalah memecahkan masalah pengukuran pipa penuh selama aliran terputus-putus (minyak mentah yang dipompa keluar setiap kali unit pompa bekerja tidak sama, dan mengalir sebentar-sebentar, sehingga minyak dalam pipa mungkin tidak penuh, atau Membawa kesalahan pengukuran yang besar). Oleh karena itu, perlakuan awal harus dilakukan sebelum pengukuran oli. Setelah pra-perawatan, pemisahan gas-cair dan pipa berisi minyak melewati pipa pengukur minyak untuk mengurangi kesalahan pengukuran. Prinsip kerjanya adalah: minyak mentah masuk ke tangki penyimpanan minyak dari saluran masuk minyak melalui tangki sedimentasi, dan minyak dan gas dipisahkan di dalam tangki penyimpanan minyak. Gas yang dipisahkan dikeluarkan dari katup (outlet valve) pada tangki penyimpanan minyak melalui pipa gas. Ketika minyak mencapai ketinggian tertentu, bola mengambang mengapung untuk membuka katup bawah (katup saluran keluar minyak), dan pada saat yang sama katup atas menghalangi saluran gas untuk meningkatkan tekanan. Minyak dalam tangki penyimpanan minyak mengalir ke saluran keluar minyak melalui pipa pengukur di bawah pengaruh tekanan. Ketika tangki penyimpanan minyak turun ke tingkat tertentu, bola mengambang tenggelam untuk memblokir katup bawah dan membuka katup atas, sehingga kerja berulang-ulang menyelesaikan pemisahan gas-cair.

...

2.2 Bagian pengujian ultrasonik

Bagian deteksi terutama terdiri dari dua pasang sensor ultrasonik. Deteksi sensor ultrasonik dilakukan dengan cara memancarkan dan menerima energi gelombang ultrasonik. Inti transduser (mengubah energi ultrasonik menjadi energi listrik atau mengubah energi listrik menjadi energi ultrasonik. Transduser reversibel artinya kedua bentuk energi transduser diubah menjadi satu sama lain). Transduser ultrasonik yang umum termasuk vibrator kristal piezoelektrik, vibrator magnetostriktif, dan sebagainya. Gelombang ultrasonik yang digunakan untuk pengukuran aliran terkait umumnya memiliki dua bentuk: gelombang sinus dan gelombang pulsa. Pengukur aliran ultrasonik berdenyut dan gelombang sinus terkait mengintegrasikan informasi kecepatan penampang medan aliran untuk mendapatkan kecepatan aliran. Perancangan ini menggunakan sensor ultrasonik kristal piezoelektrik dengan frekuensi tengah 200 kHz. Untuk mengatasi pengaruh gelombang berdiri, ultrasonik menggunakan generator sinyal pulsa loop fase-terkunci.

...

2.3 Bagian pemrosesan sinyal

Bagian pemrosesan sinyal terutama terdiri dari transduser penerima ultrasonik. Rangkaian pengkondisi sinyal terdiri dari transduser penerima, rangkaian penguat tiga tahap, rangkaian filter, dan rangkaian deteksi amplop. Preamplifier terdiri dari modul penguat instrumen MAX410, penguat sekunder dan penguat akhir terdiri dari penguat instrumen daya rendah presisi INA128; rangkaian filter adalah filter lolos pita yang terdiri dari filter terintegrasi analog MAX275, frekuensi tengah adalah 200 kHz, filter lolos rendah dibentuk oleh TL14, dan sinyal setelah deteksi sebagian besar dikeluarkan. Rangkaian pendeteksi amplop terdiri dari dioda dan kapasitor untuk membentuk detektor puncak.

Bagian lainnya adalah sirkuit akuisisi dan pemrosesan data yang terdiri dari modul. Sirkuit ini sensor aliran air ultrasonik memilih chip TMS320F2812DSP dari Perusahaan TI. Di bidang kontrol proses saat ini, ini adalah mikroprosesor DSP paling canggih. Dibandingkan dengan mikrokomputer chip tunggal tradisional, ia memiliki kinerja luar biasa seperti fungsi yang kuat, sumber daya yang kaya, dan konsumsi daya yang rendah. Ini memiliki kinerja sempurna dan antarmuka periferal terintegrasi terbaik. Ini mengintegrasikan memori flash, konverter A/D berkecepatan tinggi, modul CAN berkinerja tinggi, dll.

Selama pengukuran, transduser pemancar hulu dan hilir memancarkan gelombang ultrasonik frekuensi tinggi. Ketika gelombang ultrasonik merambat di dalam fluida, sinyal aliran akan memodulasi gelombang ultrasonik dalam amplitudo, fase dan frekuensi. Sinyal termodulasi frekuensi tinggi yang diterima oleh transduser diterima dan disaring. Setelah demodulasi dan amplifikasi, sinyal aliran diperoleh dan dikirim ke konverter A/D untuk pengumpulan data, dan informasi yang dikumpulkan dikirim ke pemrosesan terkait untuk mendapatkan laju aliran fluida.

3 Pemrograman sistem

Sistem perangkat lunak mencakup inisialisasi, modul perhitungan, tampilan alur, modul pemrosesan interupsi, dan bagian lainnya. Bagan alur program utama ditampilkan. Setelah program utama diinisialisasi, ia memasuki program loop untuk memproses data sampel, dan merespons permintaan interupsi A/D eksternal, permintaan interupsi komunikasi serial, dan permintaan interupsi pengatur waktu kapan saja. Menentukan apakah waktu tampilan laju aliran tercapai. Program utama merespons permintaan interupsi di atas dan memanggil setiap program pemrosesan yang sesuai untuk menyelesaikan pengumpulan dan pemrosesan data.

Inisialisasi di satu sisi untuk mengatur lingkungan kerja DSP, dan di sisi lain untuk mempersiapkan pemrosesan sinyal selanjutnya. Program inisialisasi sistem mencakup inisialisasi internal yang mempengaruhi pengoperasian chip DSP CPU dan inisialisasi periferal yang mempengaruhi kerja masing-masing periferal, serta inisialisasi perangkat periferal yang dapat diprogram (seperti A/D, D/A, dll.), khususnya mencakup fungsi-fungsi berikut: mengatur generator jam, mengatur timer, menginisialisasi register status, membuka interupsi, dll.

Modul pemrosesan interupsi mencakup tiga interupsi: modul pemrosesan interupsi pengatur waktu digunakan untuk memulai konverter A/D dan mengontrol frekuensi pengambilan sampel, modul pemrosesan interupsi komunikasi serial digunakan untuk berkomunikasi dengan komputer atas, dan modul pemrosesan interupsi A/D digunakan untuk membaca Konverter A/D mengambil sampel data, dan diagram alurnya ditunjukkan pada gambar.

 Modul tampilan menyegarkan meteran secara teratur untuk menampilkan nilai aliran sesaat dan nilai aliran kumulatif. Proses pemrosesan sistem adalah mengatur periode waktu, pengatur waktu menghasilkan interupsi, interupsi ini memulai konverter A/D, setelah konversi, konverter A/D meminta DSP untuk membaca interupsi data, dan DSP merespons permintaan interupsi konverter A/D, memanggil modul pemrosesan interupsi A/D, membaca data sampel, dan mengirimkannya ke buffer data. Karena fluida mengalir secara terputus-putus, setelah DSP menerima data titik-N dari sinyal hulu dan hilir, DSP melakukan analisis fourier pada data tersebut untuk menentukan apakah fluida mengalir. Jika mengalir, program perhitungan dipanggil untuk melakukan operasi terkait pada data sampel dan menemukan fungsi terkait. Tentukan waktu transit T, dan dapatkan nilai aliran sesaat dan nilai aliran kumulatif sesuai dengan parameter instrumen dan kompensasi suhu, dan simpan hasilnya di unit penyimpanan data untuk ditampilkan oleh instrumen tampilan.

Dalam pengukuran aliran korelasi, salah satu isu utama sensor flowmeter ultrasonik kuningan adalah metode penghitungan fungsi korelasi, yang memerlukan penyelesaian akuisisi sejumlah besar sinyal modulasi acak berkecepatan tinggi dan akurat, penghitungan integrasi korelasi, dan pencarian puncak fungsi korelasi. Algoritma fungsi korelasi pada dasarnya memiliki dua jenis metode pengulangan polaritas dan metode zero-crossing. Untuk meningkatkan kecepatan operasi, sistem ini mengadopsi operasi korelasi dalam domain frekuensi. Setelah data masukan ditransformasikan oleh FFT, dapat diperoleh operasi korelasi pada domain frekuensi. Kemudian hasil korelasi dalam domain waktu dapat diperoleh melalui IFFT yang dapat digunakan untuk pencarian puncak.

4 Kesimpulan

Berdasarkan analisis kondisi kerja satu sumur di ladang minyak dan prinsip pengukuran aliran terkait, perangkat yang cocok untuk pengukuran minyak mentah satu sumur dirancang. Uji lapangan telah mencapai hasil yang baik dengan kesalahan kurang dari 2%. Namun, masih terdapat permasalahan berikut: Pertama, sinyalnya sangat berfluktuasi, yang sebagian besar disebabkan oleh minyak mentah yang mengandung gas dan pengotor. Oleh karena itu, perbedaan sinyalnya besar, dan rangkaian deteksi perlu meningkatkan rangkaian AGC. Yang kedua mengalami kesulitan dalam mengatur koefisien koreksi. Sumur yang berbeda memiliki kadar air dan viskositas minyak yang berbeda. Pada saat yang sama, fluiditas oli sangat bervariasi pada temperatur yang berbeda, sehingga harus disesuaikan beberapa kali pada lingkungan yang berbeda. Faktor koreksi membawa ketidaknyamanan dalam penggunaan. Ketiga, kesalahannya relatif besar ketika laju aliran rendah. Ini adalah area yang perlu ditingkatkan dalam penelitian di masa depan.