Proiectarea unui senzor de debitmetru cu ultrasunete pentru petrol brut

introducere

În prezent, una dintre problemele dificile cu care se confruntă extracția țițeiului din câmpurile petroliere este măsurarea online a țițeiului extras. Motivul principal este că compoziția țițeiului este foarte complexă. Țițeiul conține petrol, apă, gaz și alte impurități. Este un fluid complex și multifazic, iar țițeiul cu un singur puț curge intermitent, astfel încât debitmetrele cu ultrasunete generale nu pot îndeplini cerințele. Această lucrare proiectează un sistem de măsurare bazat pe calculul fluxului de corelare a undelor ultrasonice, care rezolvă problema măsurării online fără contact a țițeiului.

Principiul debitmetrului cu ultrasunete

Metoda de corelare folosește tehnici conexe pentru a măsura fluxul de fluid. Precizia de măsurare a traductorul debitmetrului cu ultrasunete nu are nimic de-a face cu viteza sunetului în fluid, iar precizia măsurării este mare. Este potrivit pentru măsurarea debitului multifazic și a fluidului de interferență mare. Când fluidul curge în conductă, dacă conține alte impurități, în interior vor exista o varietate de perturbări aleatorii, care vor genera semnale de curgere legate de condițiile de curgere și au anumite caracteristici statistice. Structura debitmetrului cu metoda de corelare este prezentată cu două seturi de traductoare de transmisie și recepție cu ultrasunete, iar L este distanța dintre traductorul din amonte și traductorul din aval. Când semnalul ultrasonic trece prin conductă, semnalul ultrasonic va fi modulat de zgomotul din fluid. Semnalul ultrasonic modulat conține informațiile câmpului de viteză a fluidului. Semnalul ultrasonic este analizat pentru a extrage semnalul de curgere A(t) și B(t) și pentru a efectua operații de corelare pe A(t) și B(t).

2 Structura sistemului de măsurare a debitului legată de ultrasunete de petrol brut cu un singur puț

Sistemul de măsurare a debitului cu un singur godeu este compus în principal din trei părți: pretratarea separării gaz-lichid, detectarea cu ultrasunete și procesarea semnalului. Cele trei părți sunt analizate separat mai jos.

2.1 Partea de pretratare a separării gaz-lichid

Este prezentată structura părții de preprocesare. Funcția părții de pretratare este de a efectua separarea lichid-gaz (țițeiul pompat de unitatea de pompare conține gaz și alte impurități în plus față de amestecul de ulei. Gazul va aduce o eroare mai mare la măsurarea uleiului, astfel încât uleiul Separarea gaz-lichid trebuie efectuată în timpul măsurării); a doua este de a rezolva problema măsurării întregii conducte în timpul curgerii intermitente (țițeiul pompat de fiecare dată când unitatea de pompare funcționează nu este egal și curge intermitent, astfel încât uleiul din conductă să nu fie plin sau să aducă o eroare mare de măsurare). Din aceste motive, pretratarea trebuie efectuată înainte de măsurarea uleiului. După pretratare, separarea gaz-lichid și conducta umplută cu ulei trec prin conducta de ulei de măsurare pentru a reduce eroarea de măsurare. Principiul de funcționare este: țițeiul intră în rezervorul de stocare a petrolului de la intrarea uleiului prin rezervorul de sedimentare, iar petrolul și gazul sunt separate în rezervorul de stocare a petrolului. Gazul separat este scos de la supapa (supapa de evacuare) de pe rezervorul de stocare a uleiului prin conducta de gaz. Când uleiul atinge o anumită înălțime, bila plutitoare plutește în sus pentru a deschide supapa inferioară (supapa de evacuare a uleiului) și, în același timp, supapa superioară blochează portul de gaz pentru a crea presiune. Uleiul din rezervorul de stocare a uleiului curge la ieșirea uleiului prin conducta de măsurare sub acțiunea presiunii. Când rezervorul de stocare a uleiului scade la un anumit nivel, bila plutitoare se scufundă pentru a bloca supapa inferioară și deschide supapa superioară, astfel încât munca repetată să finalizeze separarea gaz-lichid.

...

2.2 Partea de testare cu ultrasunete

Partea de detectare este compusă în principal din două perechi de senzori ultrasonici. Detectarea senzorilor ultrasonici se face prin transmiterea și recepția energiei undelor ultrasonice. Miezul traductorului (conversia energiei ultrasonice în energie electrică sau conversia energiei electrice în energie ultrasonică. Traductor reversibil înseamnă că cele două forme de Energia traductorului este convertită una în alta). Traductoarele cu ultrasunete obișnuite includ vibratoare cu cristale piezoelectrice, vibratoare magnetostrictive și așa mai departe. Undele cu ultrasunete utilizate pentru măsurarea debitului asociată au, în general, două forme: undă sinusoidală și undă puls. Debitmetrele aferente cu ultrasunete pulsate și unde sinusoidale integrează informațiile despre viteză ale secțiunii transversale a câmpului de curgere pentru a obține viteza de curgere. Acest design folosește un senzor cu ultrasunete cu cristal piezoelectric cu o frecvență centrală de 200 kHz. Pentru a depăși influența undelor staționare, ultrasunetele utilizează un generator de semnal de impuls în buclă blocată în fază.

...

2.3 Partea de procesare a semnalului

Partea de procesare a semnalului este compusă în principal dintr-un traductor de recepție cu ultrasunete. Circuitul de condiționare a semnalului este compus dintr-un traductor de recepție, un circuit amplificator în trei trepte, un circuit de filtru și un circuit de detectare a anvelopei. Preamplificatorul este compus din modulul de amplificator de instrumente MAX410, amplificatorul secundar și amplificatorul final sunt compuse din amplificatorul de instrument de precizie de joasă putere INA128; circuitul de filtru este un filtru trece-bandă compus din filtru integrat analogic MAX275, frecvența centrală este de 200 kHz, un filtru trece-jos este format din TL14, iar semnalul după detectare este eliminat în principal. Circuitul de detectare a anvelopei este compus dintr-o diodă și un condensator pentru a forma un detector de vârf.

Cealaltă parte este un circuit de achiziție și procesare a datelor compus din module. Acest circuit de Senzorul de debit de apă cu ultrasunete selectează cipul TMS320F2812DSP al companiei TI. În domeniul actual de control al proceselor, este cel mai avansat microprocesor DSP. În comparație cu microcalculatoarele tradiționale cu un singur cip, are performanțe remarcabile, cum ar fi funcții puternice, resurse bogate și consum redus de energie. Are performanță perfectă și cea mai bună interfață periferică integrată. Acesta integrează memorie flash, convertor A/D de mare viteză, modul CAN de înaltă performanță etc.

În timpul măsurării, traductoarele emițătorului din amonte și din aval emit unde ultrasonice de înaltă frecvență. Când undele ultrasonice se propagă în fluid, semnalul de curgere va modula undele ultrasonice în amplitudine, fază și frecvență. Semnalul modulat de înaltă frecvență primit de traductor este recepționat și filtrat. După demodulare și amplificare, semnalul de debit este obținut și trimis către convertorul A/D pentru colectarea datelor, iar informațiile colectate sunt trimise procesării aferente pentru a obține debitul fluidului.

3 Programarea sistemului

Sistemul software include inițializare, modul de calcul, afișare a fluxului, modul de procesare a întreruperii și alte părți. Este afișată diagrama principală a programului. După ce programul principal este inițializat, acesta intră într-un program în buclă pentru a procesa datele eșantionate și răspunde în orice moment la solicitările de întrerupere A/D externe, solicitările de întrerupere a comunicației seriale și solicitările de întrerupere a temporizatorului. Stabilirea dacă timpul de afișare a debitului este atins. Programul principal răspunde la solicitările de întrerupere de mai sus și apelează fiecare program de procesare corespunzător pentru a finaliza colectarea și prelucrarea datelor.

Inițializarea este pe de o parte pentru a configura mediul de lucru al DSP și, pe de altă parte, pentru a pregăti procesarea ulterioară a semnalului. Programul de inițializare a sistemului include inițializarea internă care afectează funcționarea CPU-ului DSP și inițializarea periferică care afectează funcționarea fiecărui periferic, precum și inițializarea dispozitivelor periferice programabile (cum ar fi A/D, D/A etc.), incluzând în mod specific următoarele funcții: setarea generatorului de ceas, setarea temporizatorului, inițializarea stării, registrele etc.

Modulul de procesare a întreruperilor include trei întreruperi: modulul de procesare a întreruperilor temporizatorului este utilizat pentru a porni convertorul A/D și a controla frecvența de eșantionare, modulul de procesare a întreruperilor de comunicație serială este utilizat pentru a comunica cu computerul superior, iar modulul de procesare a întreruperilor A/D este utilizat pentru a citi.

 Modulul de afișare reîmprospătează contorul în mod regulat pentru a afișa valoarea instantanee a debitului și valoarea debitului cumulativ. Procesul de procesare a sistemului este de a seta perioada de timp, temporizatorul generează o întrerupere, această întrerupere pornește convertorul A/D, după conversie, convertorul A/D solicită DSP să citească întreruperea datelor, iar DSP răspunde la modulul de întrerupere a procesului A/D, întreruperea procesului A/D și cererea de întrerupere a procesului A/D, întreruperea procesului A/D și cererea de întrerupere a procesului A/D. trimite-l în tamponul de date. Deoarece fluidul curge intermitent, după ce DSP primește datele în puncte N ale semnalelor din amonte și din aval, efectuează o analiză Fourier a datelor pentru a determina dacă fluidul curge. Dacă curge, programul de calcul este apelat să efectueze operații conexe asupra datelor eșantionate și să găsească funcțiile aferente. Determinați timpul de tranzit T și obțineți valoarea debitului instantaneu și valoarea debitului cumulat în funcție de parametrii instrumentului și compensarea temperaturii și stocați rezultatul în unitatea de stocare a datelor pentru afișare de către instrumentul de afișare.

În măsurarea fluxului de corelație, una dintre problemele cheie ale Senzorul debitmetrului cu ultrasunete din alamă este metoda de calcul a funcției de corelare, care necesită finalizarea rapidă și precisă a achiziției unui număr mare de semnale de modulație aleatoare, calcule de integrare a corelației și căutarea de vârf a funcției de corelare. Algoritmul funcției de corelare are în principal două tipuri de metodă de repetare a polarității și metoda de trecere cu zero. Pentru a îmbunătăți viteza de funcționare, acest sistem adoptă operația de corelare în domeniul frecvenței. După ce datele de intrare sunt transformate prin FFT, se poate obține operația de corelare în domeniul frecvenței. Apoi rezultatul corelației în domeniul timp poate fi obținut prin IFFT, care poate fi folosit pentru căutarea vârfurilor.

4 Concluzie

Pe baza analizei condițiilor de lucru ale unui singur puț din zăcământul petrolier și a principiului măsurării debitului aferent, a fost proiectat un dispozitiv adecvat pentru măsurarea țițeiului dintr-un singur puț. Testul de teren a obținut rezultate bune cu o eroare mai mică de 2%. Cu toate acestea, există încă următoarele probleme: În primul rând, semnalul fluctuează foarte mult, ceea ce are în principal petrolul brut conține gaz și impurități. Prin urmare, diferența de semnal este mare, iar circuitul de detectare trebuie să mărească circuitul AGC. Al doilea are dificultatea de a seta coeficientul de corecție. Diferite puțuri au conținut de apă și vâscozitate a uleiului diferit. În același timp, fluiditatea uleiului variază foarte mult la diferite temperaturi, așa că trebuie ajustată de mai multe ori în medii diferite. Factorul de corecție aduce inconveniente la utilizare. În al treilea rând, eroarea este relativ mare atunci când debitul este scăzut. Acestea sunt domeniile care trebuie îmbunătățite în cercetările viitoare.