Ontwerp van een ultrasone flowmetersensor voor ruwe olie

invoering

Momenteel is een van de lastige problemen bij de winning van ruwe olie in olievelden het online meten van de gewonnen ruwe olie. De belangrijkste reden is dat de samenstelling van ruwe olie zeer complex is. De ruwe olie bevat olie, water, gas en andere onzuiverheden. Het is een meerfasige en complexe vloeistof, en ruwe olie met één put stroomt met tussenpozen, dus algemene ultrasone flowmeters kunnen niet aan de eisen voldoen. Dit artikel ontwerpt een meetsysteem op basis van ultrasone golfcorrelatiestroomberekening, dat het probleem van contactloze online meting van ruwe olie oplost.

Principe van ultrasone flowmeter

De correlatiemethode maakt gebruik van verwante technieken om de vloeistofstroom te meten. De meetnauwkeurigheid van ultrasone flowmetertransducer heeft niets te maken met de geluidssnelheid in de vloeistof en de meetnauwkeurigheid is hoog. Het is geschikt voor het meten van meerfasige stroming en grote interferentievloeistof. Wanneer de vloeistof in de pijpleiding stroomt en deze andere onzuiverheden bevat, zal er binnenin een verscheidenheid aan willekeurige verstoringen optreden, die stromingssignalen zullen genereren die verband houden met de stromingsomstandigheden en bepaalde statistische kenmerken hebben. De structuur van de correlatiemethode-flowmeter wordt weergegeven door twee sets ultrasone zend- en ontvangsttransducers, en L is de afstand tussen de stroomopwaartse transducer en de stroomafwaartse transducer. Wanneer het ultrasone signaal door de pijpleiding gaat, wordt het ultrasone signaal gemoduleerd door de ruis in de vloeistof. Het gemoduleerde ultrasone signaal bevat de informatie over het vloeistofsnelheidsveld. Het ultrasone signaal wordt geanalyseerd om de stroomsignalen A(t) en B(t) te extraheren en correlatiebewerkingen uit te voeren op A(t) en B(t).

2 Structuur van het ultrasone stroommeetsysteem met één put voor ruwe olie

Het stroommeetsysteem met één put bestaat hoofdzakelijk uit drie delen: voorbehandeling van gas-vloeistofscheiding, ultrasone detectie en signaalverwerking. Hieronder worden de drie delen afzonderlijk geanalyseerd.

2.1 Voorbehandelingsgedeelte gas-vloeistofscheiding

De structuur van het voorbewerkingsgedeelte wordt getoond. De functie van het voorbehandelingsgedeelte is het uitvoeren van vloeistof-gasscheiding (de door de pompeenheid gepompte ruwe olie bevat naast het oliemengsel gas en andere onzuiverheden. Het gas zal een grotere fout in de oliemeting veroorzaken, dus de oliegas-vloeistofscheiding moet tijdens de meting worden uitgevoerd); de tweede is het oplossen van het probleem van het meten van de volledige pijpleiding tijdens intermitterende stroming (de ruwe olie die elke keer wordt weggepompt wanneer de pompeenheid werkt, is niet gelijk en stroomt met tussenpozen, zodat de olie in de pijpleiding mogelijk niet vol is, of een grote meetfout met zich meebrengt). Om deze redenen moet vóór de oliemeting een voorbehandeling worden uitgevoerd. Na de voorbehandeling passeren de gas-vloeistofscheiding en de met olie gevulde buis de meetolieleiding om de meetfout te verminderen. Het werkingsprincipe is: de ruwe olie komt de olieopslagtank binnen via de olie-inlaat via de sedimentatietank en de olie en het gas worden gescheiden in de olieopslagtank. Het gescheiden gas wordt via de gasleiding uit de klep (uitlaatklep) op de olieopslagtank afgevoerd. Wanneer de olie een bepaalde hoogte bereikt, drijft de zwevende bal omhoog om de onderste klep (olie-uitlaatklep) te openen, en tegelijkertijd blokkeert de bovenste klep de gaspoort om druk op te bouwen. De olie in de olieopslagtank stroomt onder druk via de meetleiding naar de olie-uitlaat. Wanneer de olieopslagtank tot een bepaald niveau zakt, zinkt de drijvende bal om de onderste klep te blokkeren en opent de bovenste klep, zodat het herhaalde werk de gas-vloeistofscheiding voltooit.

...

2.2 Ultrasoon testonderdeel

Het detectiegedeelte bestaat hoofdzakelijk uit twee paar ultrasone sensoren. De detectie van ultrasone sensoren gebeurt door het verzenden en ontvangen van energie van ultrasone golven. De kern van de transducer (die ultrasone energie omzet in elektrische energie of elektrische energie omzet in ultrasone energie. Omkeerbare transducer betekent dat de twee vormen van de energie van de transducer in elkaar worden omgezet). Gemeenschappelijke ultrasone transducers omvatten piëzo-elektrische kristalvibrators, magnetostrictieve vibrators enzovoort. Ultrasone golven die worden gebruikt voor gerelateerde stroommetingen hebben over het algemeen twee vormen: sinusgolf en pulsgolf. De gerelateerde stroommeters van gepulseerde ultrasone golven en sinusgolven integreren de snelheidsinformatie van de dwarsdoorsnede van het stromingsveld om de stroomsnelheid te verkrijgen. Dit ontwerp maakt gebruik van een piëzo-elektrische kristal-ultrasone sensor met een middenfrequentie van 200 kHz. Om de invloed van staande golven te overwinnen, maakt ultrasoon gebruik van een fasevergrendelde luspulssignaalgenerator.

...

2.3 Signaalverwerkingsgedeelte

Het signaalverwerkingsgedeelte bestaat hoofdzakelijk uit een ultrasone ontvangsttransducer. Het signaalconditioneringscircuit bestaat uit een ontvangsttransducer, een drietrapsversterkercircuit, een filtercircuit en een omhulseldetectiecircuit. De voorversterker bestaat uit een MAX410 instrumentversterkermodule, de secundaire versterker en de eindversterker zijn samengesteld uit een INA128 precisie-instrumentversterker met laag vermogen; het filtercircuit is een banddoorlaatfilter bestaande uit een MAX275 analoog geïntegreerd filter, de middenfrequentie is 200 kHz, een laagdoorlaatfilter wordt gevormd door TL14 en het signaal na detectie wordt voornamelijk verwijderd. Het omhullende detectiecircuit bestaat uit een diode en een condensator om een ​​piekdetector te vormen.

Het andere deel is een data-acquisitie- en verwerkingscircuit dat uit modules bestaat. Dit circuit van ultrasone waterstroomsensor selecteert de TMS320F2812DSP-chip van TI Company. Op het huidige gebied van procesbesturing is dit de meest geavanceerde DSP-microprocessor. Vergeleken met traditionele microcomputers met één chip levert het uitstekende prestaties, zoals krachtige functies, rijke bronnen en een laag stroomverbruik. Het heeft perfecte prestaties en de best geïntegreerde randapparatuurinterface. Het integreert flash-geheugen, snelle A/D-converter, krachtige CAN-module, enz.

Tijdens de meting zenden de stroomopwaartse en stroomafwaartse zendertransducers hoogfrequente ultrasone golven uit. Wanneer de ultrasone golven zich in de vloeistof voortplanten, zal het stromingssignaal de ultrasone golven moduleren in amplitude, fase en frequentie. Het hoogfrequente gemoduleerde signaal dat door de transducer wordt ontvangen, wordt ontvangen en gefilterd. Na demodulatie en versterking wordt het stroomsignaal verkregen en naar de A/D-omzetter gestuurd voor gegevensverzameling, en wordt de verzamelde informatie naar de gerelateerde verwerking gestuurd om de stroomsnelheid van de vloeistof te verkrijgen.

3 Systeemprogrammering

Het softwaresysteem omvat initialisatie, berekeningsmodule, stroomweergave, interruptverwerkingsmodule en andere onderdelen. Het stroomschema van het hoofdprogramma wordt weergegeven. Nadat het hoofdprogramma is geïnitialiseerd, komt het in een lusprogramma terecht om de bemonsterde gegevens te verwerken en reageert het op elk gewenst moment op externe A/D-onderbrekingsverzoeken, seriële communicatie-onderbrekingsverzoeken en timeronderbrekingsverzoeken. Bepalen of de weergavetiming van de stroomsnelheid is bereikt. Het hoofdprogramma reageert op de bovenstaande interruptverzoeken en roept elk corresponderend verwerkingsprogramma op om het verzamelen en verwerken van gegevens te voltooien.

Initialisatie is enerzijds bedoeld om de werkomgeving van de DSP in te richten, en anderzijds om de daaropvolgende signaalverwerking voor te bereiden. Het systeeminitialisatieprogramma omvat de interne initialisatie die de werking van de DSP-chip CPU beïnvloedt en de randapparatuurinitialisatie die de werking van elk randapparaat beïnvloedt, evenals de initialisatie van programmeerbare randapparatuur (zoals A/D, D/A, enz.), met name de volgende functies: stel de klokgenerator in, stel de timer in, initialiseer de statusregisters, open interrupts, enz.

De interruptverwerkingsmodule bevat drie interrupts: de timer-interruptverwerkingsmodule wordt gebruikt om de A/D-converter te starten en de bemonsteringsfrequentie te regelen, de seriële communicatie-interruptverwerkingsmodule wordt gebruikt om met de bovenste computer te communiceren, en de A/D-interruptverwerkingsmodule wordt gebruikt om te lezen. De A/D-converter bemonstert de gegevens en het stroomdiagram wordt weergegeven in de afbeelding.

 De displaymodule vernieuwt de meter regelmatig om de momentane stroomwaarde en de cumulatieve stroomwaarde weer te geven. Het systeemverwerkingsproces is om de timingperiode in te stellen, de timer genereert een interrupt, deze interrupt start de A/D-converter, na de conversie vraagt ​​de A/D-converter de DSP om de data-interrupt te lezen, en de DSP reageert op het interruptverzoek van de A/D-converter, roep de A/D-interruptverwerkingsmodule aan, leest de bemonsterde gegevens en stuurt deze naar de databuffer. Omdat de vloeistof met tussenpozen stroomt, voert de DSP, nadat hij de N-puntgegevens van de stroomopwaartse en stroomafwaartse signalen heeft ontvangen, een Fourier-analyse uit op de gegevens om te bepalen of de vloeistof stroomt. Als het stroomt, wordt het rekenprogramma aangeroepen om gerelateerde bewerkingen uit te voeren op de bemonsterde gegevens en de gerelateerde functies te vinden. Bepaal de looptijd T, en verkrijg de momentane stroomwaarde en de cumulatieve stroomwaarde volgens de instrumentparameters en temperatuurcompensatie, en sla het resultaat op in de gegevensopslageenheid voor weergave door het weergave-instrument.

Bij de correlatiestroommeting is een van de belangrijkste kwesties van messing ultrasone flowmetersensor is de berekeningsmethode van de correlatiefunctie, die een snelle en nauwkeurige voltooiing vereist van de acquisitie van een groot aantal willekeurige modulatiesignalen, correlatie-integratieberekeningen en het zoeken naar pieken van de correlatiefunctie. Het correlatiefunctie-algoritme heeft hoofdzakelijk twee soorten polariteitherhalingsmethoden en een nuldoorgangsmethode. Om de werkingssnelheid te verbeteren, maakt dit systeem gebruik van correlatiewerking in het frequentiedomein. Nadat de invoergegevens door FFT zijn getransformeerd, kan de correlatiebewerking in het frequentiedomein worden verkregen. Vervolgens kan het correlatieresultaat in het tijdsdomein worden verkregen via IFFT, dat kan worden gebruikt voor het zoeken naar pieken.

4 Conclusie

Op basis van het analyseren van de werkomstandigheden van een enkele put in het olieveld en het principe van de daarmee samenhangende stroommeting, werd een apparaat ontworpen dat geschikt was voor het meten van ruwe olie in één put. De veldtest heeft goede resultaten opgeleverd met een fout van minder dan 2%. Er zijn echter nog steeds de volgende problemen: Ten eerste fluctueert het signaal sterk, waardoor vooral de ruwe olie gas en onzuiverheden bevat. Daarom is het signaalverschil groot en moet het detectiecircuit het AGC-circuit vergroten. De tweede heeft de moeilijkheid om de correctiecoëfficiënt in te stellen. Verschillende putten hebben een verschillend watergehalte en olieviscositeit. Tegelijkertijd varieert de vloeibaarheid van de olie sterk bij verschillende temperaturen, dus deze moet meerdere keren worden aangepast onder verschillende omgevingen. De correctiefactor brengt ongemak bij het gebruik met zich mee. Ten derde is de fout relatief groot als de stroomsnelheid laag is. Dit zijn de gebieden die in toekomstig onderzoek verbeterd moeten worden.