Design de um sensor de vazão ultra-sônico de petróleo bruto

introdução

Atualmente, um dos problemas difíceis enfrentados na extração do petróleo bruto em campos de petróleo é a medição on-line do óleo bruto extraído. A principal razão é que a composição do petróleo bruto é muito complexa. O petróleo contém óleo, água, gás e outras impurezas. É um fluido multifásico e complexo e flui de óleo de bruto único, intermitentemente, os medidores de fluxo ultra-sônico geral não podem atender aos requisitos. Este artigo projeta um sistema de medição baseado no cálculo do fluxo de correlação de ondas ultra-sônicas, que resolve o problema da medição on-line sem contato de óleo bruto.

Princípio do medidor de fluxo ultra-sônico

O método de correlação usa técnicas relacionadas para medir o fluxo de fluido. A precisão da medição detransdutor de vazão ultra-sônico.Não tem nada a ver com a velocidade do som no fluido, e a precisão da medição é alta. É adequado para a medição do fluxo multifásico e grande fluido de interferência. Quando o fluido flui no pipeline, se contiver outras impurezas, haverá uma variedade de distúrbios aleatórios no interior, que gerará sinais de fluxo relacionados às condições de fluxo e terão certas características estatísticas. A estrutura do medidor de vazão do método de correlação é mostrada dois conjuntos de transdutores de transmissão e recepção ultra-sônica, e l é a distância entre o transdutor a montante e o transdutor a jusante. Quando o sinal ultrassônico passa pelo gasoduto, o sinal ultrassônico será modulado pelo ruído no fluido. O sinal ultra-sônico modulado contém as informações do campo de velocidade de fluido. O sinal ultrassônico é analisado para extrair o sinal de fluxo A (T) e B (T) e realizar operações de correlação em A (T) e B (T).

2 Único-bem bruto Óleo Ultrasonic Related Flow Medir System Estrutura

O sistema de medição de fluxo único é composto principalmente de três partes: pré-tratamento de separação de gás-líquido, detecção ultra-sônica e processamento de sinal. As três partes são analisadas separadamente abaixo.

2.1 Peça de pré-tratamento de separação a gás-líquido

A estrutura da peça de pré-processamento é mostrada. A função da parte do pré-tratamento é realizar a separação de gás líquido (o petróleo bruto bombeado pela unidade de bombeamento contém gás e outras impurezas além da mistura de óleo. O gás trará maior erro para a medição do óleo, para que o gás do óleo -Liquid separação deve ser realizada durante a medição); O segundo é resolver o problema da medição completa do tubo durante o fluxo intermitente (o petróleo bruto bombeado a cada vez em que a unidade de bombeamento está funcionando não é igual e flui intermitentemente, para que o óleo no pipeline possa não estar cheio, ou Traga grande erro de medição). Por estas razões, o pré-tratamento deve ser realizado antes da medição do óleo. Após o pré-tratamento, a separação de gás-líquido e o tubo cheio de óleo passam pelo tubo de óleo de medição para reduzir o erro de medição. O princípio de funcionamento é: O petróleo bruto entra no tanque de armazenamento de óleo da entrada de óleo através do tanque de sedimentação, e o óleo e o gás são separados no tanque de armazenamento de óleo. O gás separado é a saída da válvula (válvula de saída) no tanque de armazenamento de óleo através do gasoduto. Quando o óleo atinge uma certa altura, a bola flutuante flutua para abrir a válvula inferior (válvula de saída de óleo) e, ao mesmo tempo, a válvula superior bloqueia a porta de gás para aumentar a pressão. O óleo no tanque de armazenamento de óleo flui para a tomada de óleo através do pipeline de medição sob a ação da pressão. Quando o tanque de armazenamento de óleo cai para um determinado nível, a bola flutuante afunda para bloquear a válvula inferior e abre a válvula superior, para que o trabalho repetido conclua a separação de líquido a gás.

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2.2 Peça de teste ultra-sônico

A parte de detecção é principalmente composta de dois pares de sensores ultrassônicos. A detecção de sensores ultra-sônicos é feita transmitindo e recebendo energia de ondas ultrassônicas. O núcleo do transdutor (convertendo energia ultra-sônica em energia elétrica ou convertendo energia elétrica em energia ultrassônica. Transdutor reversível significa que as duas formas da energia do transdutor são convertidas em um ao outro). Transdutores ultra-sônicos comuns incluem vibradores cristais piezoelétricos, vibradores magnetostrictivos e assim por diante. Ondas ultra-sônicas usadas para medição de fluxo relacionada geralmente têm duas formas: onda senoidal e onda de pulso. Os fluxímetros relacionados de onda ultra-sônica pulsado e senoidal integram as informações de velocidade da seção transversal do campo de fluxo para obter a velocidade do fluxo. Este design usa um sensor ultra-sônico de cristal piezoelétrico com uma frequência central de 200 kHz. Para superar a influência de ondas em pé, o ultrassônico usa um gerador de sinal de pulso de loop bloqueado de fase.

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2.3 Parte de processamento de sinal

A peça de processamento de sinal é principalmente composta de transdutor de recebimento ultra-sônico. O circuito de condicionamento de sinal é composto por um transdutor de recebimento, um circuito de amplificador de três estágios, um circuito de filtro e um circuito de detecção de envelope. O pré-amplificador é composto por módulo de amplificador de instrumentos Max410, o amplificador secundário e o amplificador final são compostos de amplificador de instrumento de baixa potência INA128 de precisão; O circuito do filtro é um filtro de passagem de banda composto por Filtro integrado analógico Max275, a frequência central é de 200 kHz, um filtro de baixa passagem é formado por TL14, e o sinal após a detecção é principalmente retirado. O circuito de detecção de envelope é composto por um diodo e um capacitor para formar um detector de pico.

A outra parte é um circuito de aquisição de dados e processamento compostos por módulos. Este circuito desensor de fluxo de água ultra-sônicaSeleciona o chip TM320F2812DSP da TI Company. No campo atual de controle de processo, é o microprocessador de DSP mais avançado. Em comparação com microcomputadores tradicionais de chip único, tem excelente desempenho, como fortes funções, recursos ricos e baixo consumo de energia. Tem desempenho perfeito e a melhor interface periférica integrada. Ele integra memória flash, conversor A / D de alta velocidade, módulo de lata de alto desempenho, etc.

Durante a medição, os transdutores de transmissor a montante e a jusante emitem ondas ultrassônicas de alta frequência. Quando as ondas ultra-sônicas se propagam no fluido, o sinal de fluxo modula as ondas ultra-sônicas em amplitude, fase e frequência. O sinal modulado de alta frequência recebido pelo transdutor é recebido e filtrado. Após demodulação e amplificação, o sinal de fluxo é obtido e enviado para o conversor A / D para coleta de dados, e as informações coletadas são enviadas para o processamento relacionado para obter a taxa de fluxo do fluido.

3 programação do sistema

O sistema de software inclui inicialização, módulo de cálculo, exibição de fluxo, módulo de processamento de interrupção e outras partes. O principal gráfico de fluxo de programa é mostrado. Depois que o programa principal é inicializado, ele entra em um programa de loop para processar os dados amostrados e responde a solicitações externas de interrupção A / D, solicitações de interrupções de comunicação serial e solicitações de interrupções temporizadas a qualquer momento. Determinar se o tempo de exibição de taxa de fluxo é atingido. O programa principal responde às solicitações de interrupção acima e chama cada programa de processamento correspondente para concluir a coleta e o processamento de dados.

A inicialização é de uma mão para configurar o ambiente de trabalho do DSP, e por outro lado a se preparar para o processamento subseqüente de sinal. O programa de inicialização do sistema inclui a inicialização interna que afeta a operação da CPU do DSP Chip e a inicialização periférica que afeta o trabalho de cada periférico, bem como a inicialização de dispositivos programáveis ​​periféricos (como A / D, D / A, etc .), especificamente, incluindo as seguintes funções: defina o gerador do relógio, defina o temporizador, inicialize os registros de status, abra interrupções, etc.

O módulo de processamento de interrupção inclui três interrupções: O módulo de processamento de interrupções temporizador é usado para iniciar o conversor A / D e controlar a frequência de amostragem, o módulo de processamento de interrupções de comunicação serial é usado para se comunicar com o computador superior e o processamento de interrupções A / D O módulo é usado para ler as amostras de conversor A / D os dados e seu fluxograma é mostrado na figura.

O módulo de exibição atualiza o medidor regularmente para exibir o valor de fluxo instantâneo e o valor de fluxo cumulativo.O processo de processamento do sistema é definir o período de tempo, o temporizador gera uma interrupção, esta interrupção inicia o conversor A / D, após a conversão A / D Converter solicita o DSP para ler a interrupção de dados e o DSP responde à solicitação de interrupção do conversor A / D, chame o módulo de processamento de interrupção A / D, leia os dados amostrados e envie-o para o buffer de dados. Como o fluido flui intermitentemente, após o DSP recebe os dados do N-Point dos sinais upstream e downstream, realiza a análise de Fourier nos dados para determinar se o fluido está fluindo. Se estiver fluindo, o programa de cálculo é chamado para executar operações relacionadas nos dados amostrados e encontrar as funções relacionadas. Determine o tempo de trânsito T, e obtenha o valor de fluxo instantâneo e o valor do fluxo cumulativo de acordo com os parâmetros do instrumento e compensação de temperatura e armazene o resultado na unidade de armazenamento de dados para exibição pelo instrumento de exibição.

Na medição do fluxo de correlação, uma das principais questões desensor de vazão ultra-sônico de latãoO método de cálculo da função de correlação, que requer uma conclusão de alta velocidade e precisa da aquisição de um grande número de sinais de modulação aleatória, cálculos de integração de correlação e pesquisa de pico da função de correlação. O algoritmo de função de correlação tem dois tipos de método de repetição de polaridade e método de cruzamento zero. Para melhorar a velocidade de operação, este sistema adota a operação de correlação no domínio de freqüência. Depois que os dados de entrada for transformados pela FFT, a operação de correlação no domínio de freqüência pode ser obtida. Em seguida, o resultado de correlação no domínio do tempo pode ser obtido através do IFFT, que pode ser usado para pesquisa de pico.

4. Conclusão

Com base na análise das condições de trabalho de um único poço no campo do petróleo e o princípio da medição de fluxo relacionado, foi concebido um dispositivo adequado para uma única medição de óleo bruto. O teste de campo alcançou bons resultados com um erro de menos de 2%. No entanto, ainda há os seguintes problemas: primeiro, o sinal flutua muito, que principalmente o petróleo bruto contém gás e impureza. Portanto, a diferença de sinal é grande e o circuito de detecção precisa aumentar o circuito AGC. O segundo tem a dificuldade de estabelecer o coeficiente de correção. Diferentes poços têm diferentes teores de água e viscosidade de óleo. Ao mesmo tempo, a fluidez do óleo varia muito em diferentes temperaturas, por isso deve ser ajustado por várias vezes sob diferentes ambientes. O fator de correção traz inconveniência para usar. Em terceiro lugar, o erro é relativamente grande quando a taxa de fluxo é baixa. Estas são as áreas a serem melhoradas em pesquisas futuras.