Progettazione di un sensore di portata ad ultrasuoni per petrolio greggio

introduzione

Attualmente, uno dei problemi difficili affrontati nell'estrazione del petrolio greggio nei giacimenti petroliferi è la misurazione in linea del petrolio greggio estratto. Il motivo principale è che la composizione del petrolio greggio è molto complessa. Il petrolio greggio contiene petrolio, acqua, gas e altre impurità. Si tratta di un fluido multifase e complesso e il petrolio greggio a pozzo singolo scorre in modo intermittente, quindi i misuratori di portata a ultrasuoni generali non possono soddisfare i requisiti. Questo articolo progetta un sistema di misurazione basato sul calcolo della correlazione delle onde ultrasoniche, che risolve il problema della misurazione online senza contatto del petrolio greggio.

Principio del misuratore di portata ad ultrasuoni

Il metodo di correlazione utilizza tecniche correlate per misurare il flusso del fluido. La precisione della misurazione di il trasduttore del misuratore di portata ad ultrasuoni non ha nulla a che fare con la velocità del suono nel fluido e la precisione della misurazione è elevata. È adatto per la misurazione di flussi multifase e fluidi con grande interferenza. Quando il fluido scorre nella tubazione, se contiene altre impurità, all'interno si verificheranno una serie di disturbi casuali, che genereranno segnali di flusso relativi alle condizioni di flusso e avranno determinate caratteristiche statistiche. La struttura del flussometro del metodo di correlazione mostra due serie di trasduttori di trasmissione e ricezione a ultrasuoni e L è la distanza tra il trasduttore a monte e il trasduttore a valle. Quando il segnale ultrasonico passa attraverso la tubazione, il segnale ultrasonico verrà modulato dal rumore nel fluido. Il segnale ultrasonico modulato contiene l'informazione del campo di velocità del fluido. Il segnale ultrasonico viene analizzato per estrarre il segnale di flusso A(t) e B(t) ed eseguire operazioni di correlazione su A(t) e B(t).

2 Struttura del sistema di misurazione del flusso relativo ad ultrasuoni del petrolio greggio a pozzo singolo

Il sistema di misurazione del flusso a pozzo singolo è composto principalmente da tre parti: pretrattamento della separazione gas-liquido, rilevamento a ultrasuoni ed elaborazione del segnale. Di seguito le tre parti vengono analizzate separatamente.

2.1 Parte di pretrattamento della separazione gas-liquido

Viene mostrata la struttura della parte di preelaborazione. La funzione della parte di pretrattamento è quella di effettuare la separazione liquido-gas (il petrolio greggio pompato dall'unità di pompaggio contiene gas e altre impurità oltre alla miscela di olio. Il gas comporterà un errore maggiore nella misurazione dell'olio, quindi la separazione gas-liquido dell'olio deve essere effettuata durante la misurazione); il secondo è risolvere il problema della misurazione del tubo pieno durante il flusso intermittente (il petrolio greggio pompato ogni volta quando l'unità di pompaggio è in funzione non è uguale e scorre in modo intermittente, quindi l'olio nella conduttura potrebbe non essere pieno o portare un grande errore di misurazione). Per questi motivi è necessario effettuare un pretrattamento prima della misurazione dell'olio. Dopo il pretrattamento, la separazione gas-liquido e il tubo pieno d'olio passano attraverso il tubo dell'olio di dosaggio per ridurre l'errore di misurazione. Il principio di funzionamento è: il petrolio greggio entra nel serbatoio di stoccaggio dell'olio dall'ingresso dell'olio attraverso il serbatoio di sedimentazione e il petrolio e il gas vengono separati nel serbatoio di stoccaggio dell'olio. Il gas separato viene emesso dalla valvola (valvola di scarico) sul serbatoio di stoccaggio dell'olio attraverso il gasdotto. Quando l'olio raggiunge una certa altezza, la sfera galleggiante galleggia verso l'alto per aprire la valvola inferiore (valvola di uscita dell'olio) e allo stesso tempo la valvola superiore blocca la porta del gas per aumentare la pressione. L'olio nel serbatoio di stoccaggio dell'olio scorre verso l'uscita dell'olio attraverso la tubazione di misurazione sotto l'azione della pressione. Quando il serbatoio di stoccaggio dell'olio scende ad un certo livello, la sfera galleggiante affonda per bloccare la valvola inferiore e aprire la valvola superiore, in modo che il lavoro ripetuto completi la separazione gas-liquido.

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2.2 Parte test ad ultrasuoni

La parte di rilevamento è composta principalmente da due coppie di sensori a ultrasuoni. Il rilevamento dei sensori a ultrasuoni viene effettuato trasmettendo e ricevendo energia dalle onde ultrasoniche. Il nucleo del trasduttore (conversione dell'energia ultrasonica in energia elettrica o conversione dell'energia elettrica in energia ultrasonica. Trasduttore reversibile significa che le due forme di energia del trasduttore vengono convertite l'una nell'altra). I trasduttori ultrasonici comuni includono vibratori a cristalli piezoelettrici, vibratori magnetostrittivi e così via. Le onde ultrasoniche utilizzate per la misurazione del flusso correlato hanno generalmente due forme: onda sinusoidale e onda impulsiva. I relativi misuratori di portata ad ultrasuoni pulsati e ad onda sinusoidale integrano le informazioni sulla velocità della sezione trasversale del campo di flusso per ottenere la velocità del flusso. Questo design utilizza un sensore a ultrasuoni a cristallo piezoelettrico con una frequenza centrale di 200 kHz. Per superare l'influenza delle onde stazionarie, gli ultrasuoni utilizzano un generatore di segnali di impulsi ad anello ad aggancio di fase.

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2.3 Parte elaborazione del segnale

La parte di elaborazione del segnale è composta principalmente da un trasduttore di ricezione a ultrasuoni. Il circuito di condizionamento del segnale è composto da un trasduttore di ricezione, un circuito amplificatore a tre stadi, un circuito filtro e un circuito di rilevamento dell'inviluppo. Il preamplificatore è composto dal modulo amplificatore per strumenti MAX410, l'amplificatore secondario e l'amplificatore finale sono composti da un amplificatore per strumenti di precisione a bassa potenza INA128; il circuito del filtro è un filtro passa banda composto da un filtro analogico integrato MAX275, la frequenza centrale è 200 kHz, un filtro passa basso è formato da TL14 e il segnale dopo il rilevamento viene principalmente eliminato. Il circuito di rilevamento dell'inviluppo è composto da un diodo e un condensatore per formare un rilevatore di picco.

L'altra parte è un circuito di acquisizione ed elaborazione dati composto da moduli. Questo circuito di Il sensore di flusso d'acqua ad ultrasuoni seleziona il chip TMS320F2812DSP della società TI. Nell'attuale campo del controllo di processo, è il microprocessore DSP più avanzato. Rispetto ai tradizionali microcomputer a chip singolo, offre prestazioni eccezionali come funzioni potenti, risorse ricche e basso consumo energetico. Ha prestazioni perfette e la migliore interfaccia periferica integrata. Integra memoria flash, convertitore A/D ad alta velocità, modulo CAN ad alte prestazioni, ecc.

Durante la misurazione, i trasduttori del trasmettitore a monte e a valle emettono onde ultrasoniche ad alta frequenza. Quando le onde ultrasoniche si propagano nel fluido, il segnale di flusso modulerà le onde ultrasoniche in ampiezza, fase e frequenza. Il segnale modulato ad alta frequenza ricevuto dal trasduttore viene ricevuto e filtrato. Dopo la demodulazione e l'amplificazione, il segnale di flusso viene ottenuto e inviato al convertitore A/D per la raccolta dei dati, e le informazioni raccolte vengono inviate alla relativa elaborazione per ottenere la portata del fluido.

3 Programmazione del sistema

Il sistema software include inizializzazione, modulo di calcolo, visualizzazione del flusso, modulo di elaborazione delle interruzioni e altre parti. Viene mostrato il diagramma di flusso del programma principale. Dopo l'inizializzazione, il programma principale entra in un programma in loop per elaborare i dati campionati e risponde in qualsiasi momento alle richieste di interruzione A/D esterne, alle richieste di interruzione della comunicazione seriale e alle richieste di interruzione del timer. Determinare se viene raggiunto il tempo di visualizzazione della portata. Il programma principale risponde alle richieste di interruzione di cui sopra e chiama ciascun programma di elaborazione corrispondente per completare la raccolta e l'elaborazione dei dati.

L'inizializzazione serve da un lato per impostare l'ambiente di lavoro del DSP e dall'altro per preparare la successiva elaborazione del segnale. Il programma di inizializzazione del sistema include l'inizializzazione interna che influenza il funzionamento della CPU del chip DSP e l'inizializzazione periferica che influenza il lavoro di ciascuna periferica, nonché l'inizializzazione dei dispositivi programmabili periferici (come A/D, D/A, ecc.), includendo in particolare le seguenti funzioni: impostare il generatore di clock, impostare il timer, inizializzare i registri di stato, aprire gli interrupt, ecc.

Il modulo di elaborazione delle interruzioni comprende tre interruzioni: il modulo di elaborazione delle interruzioni del timer viene utilizzato per avviare il convertitore A/D e controllare la frequenza di campionamento, il modulo di elaborazione delle interruzioni della comunicazione seriale viene utilizzato per comunicare con il computer superiore e il modulo di elaborazione delle interruzioni A/D viene utilizzato per leggere. Il convertitore A/D campiona i dati e il relativo diagramma di flusso è mostrato nella figura .

 Il modulo display aggiorna regolarmente il misuratore per visualizzare il valore del flusso istantaneo e il valore del flusso cumulativo. Il processo di elaborazione del sistema consiste nell'impostare il periodo di temporizzazione, il timer genera un'interruzione, questa interruzione avvia il convertitore A/D, dopo la conversione, il convertitore A/D richiede al DSP di leggere l'interruzione dei dati e il DSP risponde alla richiesta di interruzione del convertitore A/D, chiama il modulo di elaborazione dell'interruzione A/D, legge i dati campionati e li invia al buffer dei dati. Poiché il fluido scorre in modo intermittente, dopo che il DSP riceve i dati dei punti N dei segnali a monte e a valle, esegue l'analisi di Fourier sui dati per determinare se il fluido scorre. Se scorre, il programma di calcolo viene chiamato per eseguire operazioni correlate sui dati campionati e trovare le relative funzioni. Determinare il tempo di transito T e ottenere il valore del flusso istantaneo e il valore del flusso cumulativo in base ai parametri dello strumento e alla compensazione della temperatura, quindi memorizzare il risultato nell'unità di memorizzazione dati per la visualizzazione da parte dello strumento di visualizzazione.

Nella misurazione del flusso di correlazione, una delle questioni chiave di Il sensore del misuratore di portata ad ultrasuoni in ottone è il metodo di calcolo della funzione di correlazione, che richiede il completamento accurato e ad alta velocità dell'acquisizione di un gran numero di segnali di modulazione casuale, calcoli di integrazione della correlazione e ricerca del picco della funzione di correlazione. L'algoritmo della funzione di correlazione ha principalmente due tipi di metodo di ripetizione della polarità e metodo di incrocio con lo zero. Per migliorare la velocità operativa, questo sistema adotta un'operazione di correlazione nel dominio della frequenza. Dopo che i dati di input sono stati trasformati mediante FFT, è possibile ottenere l'operazione di correlazione nel dominio della frequenza. Quindi il risultato della correlazione nel dominio del tempo può essere ottenuto tramite IFFT, che può essere utilizzato per la ricerca dei picchi.

4 Conclusione

Sulla base dell'analisi delle condizioni di lavoro di un singolo pozzo nel giacimento petrolifero e del principio della relativa misurazione del flusso, è stato progettato un dispositivo adatto per il dosaggio del petrolio greggio in un singolo pozzo. Il test sul campo ha ottenuto buoni risultati con un errore inferiore al 2%. Tuttavia ci sono ancora i seguenti problemi: in primo luogo, il segnale oscilla notevolmente, perché il petrolio greggio contiene principalmente gas e impurità. Pertanto, la differenza di segnale è elevata e il circuito di rilevamento deve aumentare il circuito AGC. Il secondo ha la difficoltà di fissare il coefficiente correttivo. Pozzi diversi hanno contenuto di acqua e viscosità dell'olio diversi. Allo stesso tempo, la fluidità dell'olio varia notevolmente a temperature diverse, quindi deve essere regolata più volte in ambienti diversi. Il fattore di correzione comporta inconvenienti da utilizzare. In terzo luogo, l’errore è relativamente ampio quando la portata è bassa. Queste sono le aree da migliorare nella ricerca futura.