Design av en ultraljudsflödesmätare för råolja

introduktion

För närvarande är ett av de svåra problemen som står inför vid utvinning av råolja i oljefält onlinemätning av den utvunna råoljan. Det främsta skälet är att sammansättningen av råolja är mycket komplex. Råoljan innehåller olja, vatten, gas och andra föroreningar. Det är en flerfasig och komplex vätska, och enbrunns råolja flödar intermittent, så allmänna ultraljudsflödesmätare kan inte uppfylla kraven. Denna artikel designar ett mätsystem baserat på ultraljudsvågkorrelationsflödesberäkning, vilket löser problemet med beröringsfri onlinemätning av råolja.

Principen för ultraljudsflödesmätare

Korrelationsmetoden använder relaterade tekniker för att mäta vätskeflödet. Mätnoggrannheten för ultraljudsflödesmätare har inget att göra med ljudets hastighet i vätskan, och mätnoggrannheten är hög. Den är lämplig för mätning av flerfasflöde och stor interferensvätska. När vätskan strömmar i rörledningen, om den innehåller andra föroreningar, kommer det att finnas en mängd olika slumpmässiga störningar inuti, vilket kommer att generera flödessignaler relaterade till flödesförhållandena och har vissa statistiska egenskaper. Strukturen för korrelationsmetodens flödesmätare visas två uppsättningar av sändande och mottagande ultraljudsgivare, och L är avståndet mellan uppströmsgivaren och nedströmsgivaren. När ultraljudssignalen passerar genom rörledningen kommer ultraljudssignalen att moduleras av bruset i vätskan. Den modulerade ultraljudssignalen innehåller informationen om vätskehastighetsfältet. Ultraljudssignalen analyseras för att extrahera flödessignalen A(t) och B(t) och utföra korrelationsoperationer på A(t) och B(t).

2 Enbrunns råolja ultraljudsrelaterad struktur för flödesmätning

Flödesmätningssystemet med en brunn består huvudsakligen av tre delar: gas-vätskeseparation förbehandling, ultraljudsdetektering och signalbehandling. De tre delarna analyseras separat nedan.

2.1 Gas-vätskeseparation förbehandlingsdel

Strukturen för förbearbetningsdelen visas. Funktionen hos förbehandlingsdelen är att utföra vätskegasseparation (råoljan som pumpas av pumpenheten innehåller gas och andra föroreningar utöver oljeblandningen. Gasen kommer att medföra större fel vid oljemätningen, så oljan Gas-vätskeseparationen måste utföras under mätningen); det andra är att lösa problemet med full rörmätning under intermittent flöde (den råolja som pumpas ut varje gång när pumpenheten arbetar är inte lika, och den flödar intermittent, så att oljan i rörledningen kanske inte är full, eller Bring stort mätfel). Av dessa skäl bör förbehandling utföras före oljemätningen. Efter förbehandlingen passerar gas-vätskeseparationen och det oljefyllda röret genom mätoljeröret för att minska mätfelet. Arbetsprincipen är: råoljan kommer in i oljelagringstanken från oljeinloppet genom sedimenteringstanken och oljan och gasen separeras i oljelagringstanken. Den separerade gasen matas ut från ventilen (utloppsventilen) på oljelagringstanken genom gasledningen. När oljan når en viss höjd flyter den flytande kulan upp för att öppna den nedre ventilen (oljeutloppsventilen), och samtidigt blockerar den övre ventilen gasporten för att bygga upp tryck. Oljan i oljelagringstanken strömmar till oljeutloppet genom mätrörledningen under inverkan av tryck. När oljelagringstanken sjunker till en viss nivå sjunker den flytande kulan för att blockera den nedre ventilen och öppnar den övre ventilen, så att det upprepade arbetet fullbordar gas-vätskeseparationen.

...

2.2 Ultraljudstestdel

Detekteringsdelen består huvudsakligen av två par ultraljudssensorer. Detekteringen av ultraljudssensorer görs genom att sända och ta emot energi från ultraljudsvågor. Kärnan i givaren (omvandlar ultraljudsenergi till elektrisk energi eller omvandlar elektrisk energi till ultraljudsenergi. Reversibel givare innebär att de två formerna av givarens energi omvandlas till varandra). Vanliga ultraljudsgivare inkluderar piezoelektriska kristallvibratorer, magnetostriktiva vibratorer och så vidare. Ultraljudsvågor som används för relaterad flödesmätning har i allmänhet två former: sinusvåg och pulsvåg. De relaterade flödesmätarna för pulsad ultraljud och sinusvåg integrerar hastighetsinformationen för flödesfältets tvärsnitt för att erhålla flödeshastigheten. Denna design använder en piezoelektrisk kristall ultraljudssensor med en centrumfrekvens på 200 kHz. För att övervinna påverkan av stående vågor använder ultraljud en faslåst looppulssignalgenerator.

...

2.3 Signalbehandlingsdel

Signalbehandlingsdelen består huvudsakligen av en ultraljudsmottagande givare. Signalkonditioneringskretsen består av en mottagande givare, en trestegsförstärkarkrets, en filterkrets och en enveloppdetekteringskrets. Förförstärkaren är sammansatt av MAX410 instrumentförstärkarmodul, den sekundära förstärkaren och slutförstärkaren består av INA128 precisionslågeffektinstrumentförstärkare; filterkretsen är ett bandpassfilter som består av MAX275 analogt integrerat filter, mittfrekvensen är 200 kHz, ett lågpassfilter bildas av TL14 och signalen efter detektering tas huvudsakligen ut. Enveloppdetekteringskretsen är sammansatt av en diod och en kondensator för att bilda en toppdetektor.

Den andra delen är en datainsamlings- och bearbetningskrets som består av moduler. Denna krets av ultraljudsvattenflödessensor väljer TMS320F2812DSP-chipet från TI Company. I det nuvarande processtyrningsfältet är det den mest avancerade DSP-mikroprocessorn. Jämfört med traditionella mikrodatorer med ett chip har den enastående prestanda som starka funktioner, rika resurser och låg strömförbrukning. Den har perfekt prestanda och det bästa integrerade perifera gränssnittet. Den integrerar flashminne, höghastighets A/D-omvandlare, högpresterande CAN-modul, etc.

Under mätningen sänder uppströms- och nedströmssändargivarna ut högfrekventa ultraljudsvågor. När ultraljudsvågorna utbreder sig i vätskan kommer flödessignalen att modulera ultraljudsvågorna i amplitud, fas och frekvens. Den högfrekventa modulerade signalen som tas emot av givaren tas emot och filtreras. Efter demodulering och förstärkning erhålls flödessignalen och sänds till A/D-omvandlaren för datainsamling, och den insamlade informationen skickas till den relaterade behandlingen för att erhålla flödeshastigheten för fluiden.

3 Systemprogrammering

Mjukvarusystemet inkluderar initialisering, beräkningsmodul, flödesdisplay, avbrottsbearbetningsmodul och andra delar. Huvudprogrammets flödesschema visas. Efter att huvudprogrammet har initierats går det in i ett loopprogram för att bearbeta samplade data och svarar på externa A/D-avbrottsbegäranden, seriella kommunikationsavbrottsbegäranden och timeravbrottsbegäranden när som helst. Fastställer om flödesvisningstidpunkten uppnås. Huvudprogrammet svarar på ovanstående avbrottsbegäranden och anropar varje motsvarande bearbetningsprogram för att slutföra datainsamling och bearbetning.

Initialisering är å ena sidan för att sätta upp arbetsmiljön för DSP, och å andra sidan för att förbereda för den efterföljande signalbehandlingen. Systeminitieringsprogrammet inkluderar den interna initieringen som påverkar driften av DSP-chipets CPU och den perifera initieringen som påverkar arbetet för varje kringutrustning, såväl som initieringen av perifera programmerbara enheter (såsom A/D, D/A, etc.), specifikt inklusive följande funktioner: ställa in klockgeneratorn, ställa in timern, initiera avbrottsregistren etc.

Avbrottsbearbetningsmodulen innehåller tre avbrott: bearbetningsmodulen för timeravbrott används för att starta A/D-omvandlaren och styra samplingsfrekvensen, modulen för seriekommunikationsavbrott används för att kommunicera med den övre datorn, och A/D-avbrottsbehandlingsmodulen används för att läsa A/D-omvandlaren samplar data, och dess flödesschema visas.

 Displaymodulen uppdaterar mätaren regelbundet för att visa det momentana flödesvärdet och det kumulativa flödesvärdet. Systembearbetningsprocessen är att ställa in tidsperioden, timern genererar ett avbrott, detta avbrott startar A/D-omvandlaren, efter konverteringen ber A/D-omvandlaren DSP att läsa dataavbrottet, och DSPD:n svarar på A/D-omvandlaren anropar A/D-avbrottet. modul, läs den samplade datan och skicka den till databufferten. Eftersom fluiden flödar intermittent, efter att DSP:n tar emot N-punktsdata för uppströms- och nedströmssignalerna, utför den fourieranalys av data för att bestämma om fluiden flyter. Om det flyter, anropas beräkningsprogrammet för att utföra relaterade operationer på samplade data och hitta de relaterade funktionerna. Bestäm transittiden T och erhåll det momentana flödesvärdet och det kumulativa flödesvärdet enligt instrumentparametrarna och temperaturkompensation, och lagra resultatet i datalagringsenheten för visning av displayinstrumentet.

I korrelationsflödesmätningen, en av nyckelfrågorna för Mässings ultraljudsflödesmätare är beräkningsmetoden för korrelationsfunktionen, som kräver höghastighets och noggrant slutförande av förvärvet av ett stort antal slumpmässiga moduleringssignaler, korrelationsintegrationsberäkningar och toppsökningen av korrelationsfunktionen. Korrelationsfunktionsalgoritmen har huvudsakligen två typer av polaritetsupprepningsmetod och nollgenomgångsmetod. För att förbättra operationshastigheten använder detta system korrelationsoperation i frekvensdomänen. Efter att indata har transformerats av FFT kan korrelationsoperationen i frekvensdomänen erhållas. Då kan korrelationsresultatet i tidsdomänen erhållas genom IFFT, som kan användas för toppsökning.

4 Slutsats

På basis av analys av arbetsförhållandena för en enskild brunn i oljefältet och principen för relaterad flödesmätning, designades en anordning lämplig för mätning av råolje med en enda brunn. Fälttestet har uppnått goda resultat med ett fel på mindre än 2 %. Det finns dock fortfarande följande problem: För det första fluktuerar signalen kraftigt, vilket främst har att råoljan innehåller gas och föroreningar. Därför är signalskillnaden stor, och detekteringskretsen behöver öka AGC-kretsen. Den andra har svårigheten att ställa in korrigeringskoefficienten. Olika brunnar har olika vattenhalt och oljeviskositet. Samtidigt varierar oljans flytbarhet mycket vid olika temperaturer, så den måste justeras flera gånger under olika miljöer. Korrigeringsfaktorn medför besvär att använda. För det tredje är felet relativt stort när flödeshastigheten är låg. Det är dessa områden som ska förbättras i framtida forskning.