Projekt ultradźwiękowego czujnika przepływomierza ropy naftowej

wstęp

Obecnie jednym z trudnych problemów związanych z wydobyciem ropy naftowej na polach naftowych jest internetowy pomiar wydobytej ropy. Głównym powodem jest to, że skład ropy naftowej jest bardzo złożony. Ropa naftowa zawiera ropę, wodę, gaz i inne zanieczyszczenia. Jest to płyn wielofazowy i złożony, a ropa naftowa przepływa w jednym odwiercie z przerwami, więc ogólne przepływomierze ultradźwiękowe nie mogą spełnić wymagań. W artykule zaprojektowano system pomiarowy oparty na kalkulacji przepływu korelacji fali ultradźwiękowej, który rozwiązuje problem bezkontaktowego pomiaru on-line ropy naftowej.

Zasada działania przepływomierza ultradźwiękowego

Metoda korelacji wykorzystuje powiązane techniki pomiaru przepływu płynu. Dokładność pomiaru Przetwornik ultradźwiękowy nie ma nic wspólnego z prędkością dźwięku w płynie, a dokładność pomiaru jest wysoka. Nadaje się do pomiaru przepływu wielofazowego i dużych cieczy zakłócających. Gdy płyn przepływa rurociągiem, jeśli zawiera inne zanieczyszczenia, w jego wnętrzu wystąpią różne przypadkowe zakłócenia, które będą generować sygnały przepływu związane z warunkami przepływu i mające pewne cechy statystyczne. Pokazano strukturę przepływomierza metodą korelacyjną z dwoma zestawami ultradźwiękowych przetworników nadawczych i odbiorczych, gdzie L jest odległością pomiędzy przetwornikiem górnym a przetwornikiem dolnym. Kiedy sygnał ultradźwiękowy przechodzi przez rurociąg, sygnał ultradźwiękowy będzie modulowany przez szum w płynie. Modulowany sygnał ultradźwiękowy zawiera informację o polu prędkości płynu. Sygnał ultradźwiękowy jest analizowany w celu wyodrębnienia sygnału przepływu A(t) i B(t) oraz przeprowadzenia operacji korelacji na A(t) i B(t).

2 Struktura systemu ultradźwiękowego pomiaru przepływu ropy naftowej w jednym odwiercie

System pomiaru przepływu w jednym odwiercie składa się głównie z trzech części: wstępnej obróbki separacji gazu i cieczy, detekcji ultradźwiękowej i przetwarzania sygnału. Poniżej omówiono oddzielnie te trzy części.

2.1 Część obróbki wstępnej separacji gazu i cieczy

Pokazano strukturę części do wstępnego przetwarzania. Zadaniem części obróbki wstępnej jest przeprowadzenie separacji ciecz-gaz (ropa naftowa pompowana przez zespół pompujący oprócz mieszanki olejowej zawiera gaz i inne zanieczyszczenia. Gaz będzie powodować większy błąd pomiaru oleju, dlatego podczas pomiaru należy przeprowadzić separację oleju gaz-ciecz); drugim jest rozwiązanie problemu pomiaru zapełnienia rurociągu podczas przerywanego przepływu (ropa wypompowywana za każdym razem, gdy pracuje agregat pompowy, nie jest równa i wypływa z przerwami, przez co ropa w rurociągu może nie być pełna lub powodować duży błąd pomiaru). Z tych powodów przed pomiarem oleju należy przeprowadzić obróbkę wstępną. Po wstępnej obróbce oddzielanie gazu od cieczy i rura wypełniona olejem przechodzą przez rurę dozującą olej, aby zmniejszyć błąd pomiaru. Zasada działania jest następująca: ropa naftowa wpływa do zbiornika oleju od wlotu oleju przez zbiornik sedymentacyjny, a ropa i gaz są oddzielane w zbiorniku magazynującym olej. Oddzielony gaz jest odprowadzany z zaworu (zaworu wylotowego) na zbiorniku oleju poprzez gazociąg. Gdy olej osiągnie określoną wysokość, pływająca kula unosi się w górę, otwierając dolny zawór (zawór wylotowy oleju), a jednocześnie górny zawór blokuje przyłącze gazowe, aby wytworzyć ciśnienie. Olej znajdujący się w zbiorniku oleju przepływa do wylotu oleju rurociągiem pomiarowym pod wpływem ciśnienia. Kiedy zbiornik magazynujący olej opadnie do pewnego poziomu, pływająca kula opada, blokując dolny zawór i otwiera górny zawór, dzięki czemu powtarzana praca kończy separację gazu i cieczy.

...

2.2 Część do badań ultradźwiękowych

Część detekcyjna składa się głównie z dwóch par czujników ultradźwiękowych. Detekcja czujników ultradźwiękowych odbywa się poprzez przesyłanie i odbieranie energii fal ultradźwiękowych. Rdzeń przetwornika (przekształcający energię ultradźwiękową w energię elektryczną lub przekształcający energię elektryczną w energię ultradźwiękową. Przetwornik odwracalny oznacza, że ​​dwie formy energii przetwornika są przekształcane w siebie). Typowe przetworniki ultradźwiękowe obejmują piezoelektryczne wibratory kryształowe, wibratory magnetostrykcyjne i tak dalej. Fale ultradźwiękowe wykorzystywane do powiązanych pomiarów przepływu mają zazwyczaj dwie formy: falę sinusoidalną i falę pulsacyjną. Powiązane przepływomierze impulsowej fali ultradźwiękowej i sinusoidalnej integrują informacje o prędkości przekroju pola przepływu w celu uzyskania prędkości przepływu. W tej konstrukcji zastosowano piezoelektryczny czujnik ultradźwiękowy o częstotliwości środkowej 200 kHz. Aby przezwyciężyć wpływ fal stojących, ultradźwięki wykorzystują generator sygnału impulsowego z pętlą synchronizacji fazowej.

...

2.3 Część przetwarzania sygnału

Część przetwarzająca sygnał składa się głównie z ultradźwiękowego przetwornika odbiorczego. Obwód kondycjonowania sygnału składa się z przetwornika odbiorczego, obwodu wzmacniacza trójstopniowego, obwodu filtra i obwodu wykrywania obwiedni. Przedwzmacniacz składa się z modułu wzmacniacza instrumentalnego MAX410, wzmacniacz wtórny i wzmacniacz końcowy składają się z precyzyjnego wzmacniacza instrumentalnego małej mocy INA128; obwód filtra jest filtrem pasmowo-przepustowym złożonym z analogowego zintegrowanego filtra MAX275, częstotliwość środkowa wynosi 200 kHz, filtr dolnoprzepustowy jest tworzony przez TL14, a sygnał po wykryciu jest głównie usuwany. Obwód wykrywania obwiedni składa się z diody i kondensatora tworzącego detektor szczytowy.

Druga część to układ gromadzenia i przetwarzania danych składający się z modułów. Ten obwód ultradźwiękowy czujnik przepływu wody wybiera układ TMS320F2812DSP firmy TI. W obecnym obszarze sterowania procesami jest to najbardziej zaawansowany mikroprocesor DSP. W porównaniu z tradycyjnymi mikrokomputerami jednoukładowymi charakteryzuje się wyjątkową wydajnością, taką jak silne funkcje, bogate zasoby i niskie zużycie energii. Ma doskonałą wydajność i najlepiej zintegrowany interfejs peryferyjny. Integruje pamięć flash, szybki konwerter A/D, wysokowydajny moduł CAN itp.

Podczas pomiaru przetworniki przetwornika znajdujące się przed i za urządzeniem emitują fale ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości. Kiedy fale ultradźwiękowe rozchodzą się w płynie, sygnał przepływu będzie modulował fale ultradźwiękowe pod względem amplitudy, fazy i częstotliwości. Zmodulowany sygnał o wysokiej częstotliwości odbierany przez przetwornik jest odbierany i filtrowany. Po demodulacji i wzmocnieniu sygnał przepływu jest uzyskiwany i wysyłany do przetwornika A/D w celu gromadzenia danych, a zebrane informacje są przesyłane do odpowiedniego przetwarzania w celu uzyskania natężenia przepływu płynu.

3 Programowanie systemu

System oprogramowania obejmuje inicjalizację, moduł obliczeniowy, wyświetlacz przepływu, moduł przetwarzania przerwań i inne części. Pokazano główny schemat działania programu. Po zainicjowaniu programu głównego, wchodzi on do programu pętli w celu przetworzenia próbkowanych danych i w dowolnym momencie odpowiada na zewnętrzne żądania przerwań A/D, żądania przerwań komunikacji szeregowej i żądania przerwań czasowych. Określanie, czy osiągnięto czas wyświetlania natężenia przepływu. Program główny odpowiada na powyższe żądania przerwań i wywołuje każdy odpowiedni program przetwarzający w celu zakończenia gromadzenia i przetwarzania danych.

Inicjalizacja ma z jednej strony na celu ustawienie środowiska pracy DSP, a z drugiej strony przygotowanie do późniejszego przetwarzania sygnału. Program inicjalizacji systemu obejmuje inicjalizację wewnętrzną, która wpływa na działanie procesora chipa DSP oraz inicjalizację peryferii, która wpływa na pracę każdego peryferii, a także inicjalizację programowalnych urządzeń peryferyjnych (takich jak A/D, D/A itp.), w szczególności obejmującą następujące funkcje: ustawianie generatora zegara, ustawianie timera, inicjalizację rejestrów stanu, otwieranie przerwań itp.

Moduł przetwarzania przerwań zawiera trzy przerwania: moduł przetwarzania przerwań czasowych służy do uruchamiania przetwornika A/D i kontrolowania częstotliwości próbkowania, moduł przetwarzania przerwań komunikacji szeregowej służy do komunikacji z górnym komputerem, a moduł przetwarzania przerwań A/D służy do odczytu. Przetwornik A/D próbkuje dane, a jego schemat blokowy pokazano na rysunku.

 Moduł wyświetlacza regularnie odświeża licznik, aby wyświetlić chwilową wartość przepływu i skumulowaną wartość przepływu. Proces przetwarzania systemu polega na ustaleniu okresu czasu, timer generuje przerwanie, to przerwanie uruchamia przetwornik A/D, po konwersji przetwornik A/C żąda DSP odczytania przerwania danych, a DSP odpowiada na żądanie przerwania przetwornika A/D, wywołuje moduł przetwarzania przerwań A/D, odczytuje próbkowane dane i wysyła je do bufora danych. Ponieważ płyn przepływa sporadycznie, po odebraniu przez procesor DSP danych punktowych sygnałów poprzedzających i końcowych, przeprowadza on analizę Fouriera danych w celu ustalenia, czy płyn przepływa. Jeśli przepływa, wywoływany jest program obliczeniowy w celu wykonania powiązanych operacji na próbkowanych danych i znalezienia powiązanych funkcji. Określ czas przejścia T i uzyskaj chwilową wartość przepływu i skumulowaną wartość przepływu zgodnie z parametrami przyrządu i kompensacją temperatury, a następnie zapisz wynik w jednostce przechowywania danych w celu wyświetlenia na przyrządzie wyświetlającym.

W korelacyjnym pomiarze przepływu jednym z kluczowych zagadnień jest Mosiężny ultradźwiękowy czujnik przepływomierza to metoda obliczania funkcji korelacji, która wymaga szybkiego i dokładnego zakończenia akwizycji dużej liczby losowych sygnałów modulacyjnych, obliczeń całkowania korelacji i wyszukiwania szczytów funkcji korelacji. Algorytm funkcji korelacji ma głównie dwa rodzaje metody powtarzania polaryzacji i metodę przejścia przez zero. Aby poprawić szybkość działania, system ten przyjmuje operację korelacji w dziedzinie częstotliwości. Po przekształceniu danych wejściowych metodą FFT można uzyskać operację korelacji w dziedzinie częstotliwości. Następnie wynik korelacji w dziedzinie czasu można uzyskać za pomocą IFFT, który można wykorzystać do wyszukiwania pików.

4 Wniosek

Na podstawie analizy warunków pracy pojedynczego odwiertu na polu naftowym i zasady związanego z nim pomiaru przepływu zaprojektowano urządzenie przystosowane do jednoodwiertowego pomiaru ropy naftowej. Test terenowy uzyskał dobre wyniki z błędem mniejszym niż 2%. Jednakże nadal występują następujące problemy: Po pierwsze, sygnał ulega znacznym wahaniom, co wynika głównie z tego, że ropa naftowa zawiera gazy i zanieczyszczenia. Dlatego różnica sygnału jest duża, a obwód detekcyjny musi zwiększyć obwód AGC. Drugi ma trudność z ustawieniem współczynnika korygującego. Różne studnie mają różną zawartość wody i lepkość oleju. Jednocześnie płynność oleju znacznie się różni w różnych temperaturach, dlatego należy ją wielokrotnie regulować w różnych środowiskach. Współczynnik korekcyjny powoduje niedogodności w użyciu. Po trzecie, błąd jest stosunkowo duży, gdy natężenie przepływu jest niskie. Są to obszary wymagające udoskonalenia w przyszłych badaniach.