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在储油罐中用工业原型声学阵列对乳化液层进行实时检测
摘要
在本文中提出了一种低成本,非放射性工业领域的原型设备,可以连续的,实时的提供油,水,的纵向分布情况,并分离储油罐乳化液(油水混合物)。
该装置通过安装在船上的8个法兰(如20.3cm),检测乳化液层。
它由28个超声波换能器的二维数组组成,位于油桶顶部的独立发射器以多种方式激活换能器。
专用模式识别算法提供乳化液层的位置,然后通过工业标准协议(如RS-485,和4-20mAs输出)探索发射器收集到的数据。
这个系统基本上是安全的,且使用单个电源(12伏直流电)。
检索词:
嵌入式仪表,乳化液层检测,模式识别,超声阵列
1导言
石油工业中,分离储油罐中的油和水对于许多应用都是必要的,例如脱盐,脱水。
然而,在实践中,阀门,原油性质和污染物的混合物质构成的油水界面被叫做乳化液。
将来油田将载有更大,更多重量型的组成,如沥青和树脂强烈增加了原油和水的结合能力。
因此,分离过程越来越被需要乳化液检测设备的协助,以免油倾销到水中。
大量的物理原理被用于设计检测乳化液层的探针。
[1]-[3]电容设备应用处理。
然而,这种设备大多都只用于连续相乳化液。
因此,他们主要用来测量油桶上层的液体而不是乳化液。
该雷达探针由两个基本电子设备组成:
一个天线和一个电源/信号调理电路[4],[5]。
通过测量流体吸收的能量,界面探测器探测乳化液中水的浓度。
这些设备的优点是,天线的高频信号使他们能够克服噪声,原油的电容探头存在普遍的问题。
它主要的局限性之一是界面检测要求了解油桶较高液面的密度,但这是不可能的,因为原油的性质将随着时间的推移持续演变。
此外,为了测量乳化液层介质,较高层液体介质必须比较低层液体介质至少少10个数量级。
否则,在到达乳化液层之前大多数波能将被吸收。
石英晶体设备[6]使用的原则是相同的高度,水中的压力不同于石油中的压力。
然而,乳化液和油或乳化液和水的压差较小(可能小于
Bars)。
因此,敏感度高且昂贵的传感器必须要求准确监测液面的高度。
振动的设备[7]包括一个通过线路驱动的液位桨。
第二个线圈产生的电压和桨振幅成正比。
当桨进入到一个新的介质时,它的振动峰值改变,输出电压幅值的下降或上升或产生一个新值。
振动设备简单,易于安装。
然而,它们的的缺点是可能没有模拟测量。
传感器仅告知实际的液体不符合预定义参考液体。
这些缺点可能被固定在油桶里的多个传感器克服,但引起了高费用。
另一个同样重要的缺点是,其他界面可能严重影响它们的精度。
这些设备中的伽马射线设备已经成功应用于油田乳化液层高精度的检测[8]。
但是,这些设备完全没有安全性(放射性传感器),也没有基本安全(高电压),避免将它们应用到石油企业。
此外,管道内的电线数与传感器的数量成正比。
这导致管道高度测量精度和维护的问题。
在[9]中已经透露了构成介质变化的超声波检测。
该系统包括一对位于充满硅油的U形管上层的超生换能器,超声波通过液体传送到可移动的不锈钢镜子,这个镜子作为超声波的反射器。
该器件测试通过纵向介质面的超声波的传播速度,测试的位置不同,介质组成也不同。
相比其他技术,该方案是安全的,并且不需要移动任何构件。
不过,该设备没有扩展到工业储油罐,因为超声波通过三种不同的介质(如从硅油到金属U型管的目标液体)时将受到严重的衰减。
尤其在这里超声波信号的频率相对作为乳剂层高精确检测需要。
此外,频率较高的超声波信号用于乳化液层的检测。
此外,在高油桶中,超声波传感器的角度(通常多于3度)影响的测量精度可以忽略不计,因为一些超声波可能被同一界面层影响,以不同的时间间隔到达接收器。
此发明的另一个缺点是,把超声波的时间延迟作为决定参数。
这无法工作在粘在管外壁的油,可能会产生错误和测量或不确定性。
在这种情况下,需要更深入的分析信号。
在[10]中多层设备包括两个分别位于纵向位置的超声波传感器(分别是发射器和接收器),分别检测1米高的储油罐内油和水之间的乳化液的较高和较低液面。
两种传感器在相同的水平面内上下运动,提供该液面的信息(如石油,水,乳化液或煤油)。
但是该系统不适合在相对较高的油桶内运动(也就是高于3米的油桶,这是油田油罐出存或分离的最低高度)。
原因之一是接收超声波传感器产生相对较弱的回波信号,如果他们的分离距离超过几米超声波可以勉强到达发射器。
此外,该系统使用频率相对较低的超声波(即低于180KHZ),从而影响测量精度和组织设备检测,防止设备检测相对较薄层的物质。
另一个同样重要的缺点是传感器和内壁之间的连接松散,较薄的硅油插入他们之间,使得传感器的不能移动,传感器的表面产生大量的空气层。
因此在油桶中经常需要多次维修。
在此提出了一种可以克服上述弊端新的工业样机超声设备。
该系统不包括任何移动部件,在油桶中以多种方式,在不同高度传递超声波,可以检测工业油桶乳化液中的液面。
在油桶顶部的发射器实现一个嵌入式专业系统算法。
它用作模式识别算法的输入,包括延时和幅度超过预定值时的反应数字。
图1乳化液层检测系统的硬件概述
实验结果表明:
在各种温度条件下的精确性是+/-15cm。
它的组成超过了以前的超声系统,它的设计更多是转为实验室设计的。
二.硬件设备描述
整个系统是模块化的由一维数组的超声换能器组成的,他们通过不锈钢屏蔽线以菊花链的方式连接到一起,嵌入式发射机是基于计算机(RISC)处理器执行控制,数据采集,实时模式识别任务。
此外,它提供的输出结果既是作为4-20mA的环电流或RS-485协议的运程控制室。
在夏季,这种设计的可以持续在70度高温油桶内工作。
A.电子设计
石油领域中,这种设备用于过程控制,如界面检测设备或油箱中插入具有特殊管道的乳化液检测设备(通常直径为6”)。
这条管道,纵向安置在油桶上覆盖整个油桶的高度,包含了几个洞,让液体进入其内部,并且由于液体流动使测量设备移动。
因此,这些管道内液体文件将提供相应的液体位置,和在油桶纵向位置的液体密度。
这构成了石油领域的行业标准。
我们内置的内部实验厂,如图1遵循这一要求。
这一设备被插入6”立管,在纵向位置上由两个4.35米平行的不锈钢组成的,并且相互之间分隔5厘米。
这里包括了28高频超声换能器(已经应用了3MHZ超声传感器)。
每个传感器包括感应器和他的相应的电子产品(用I-P68规格作用在不锈钢外壳)。
该传感器的移动,通过灵活的不锈钢管分离15厘米距离。
图2.电子设计:
传感器—传感器连接
图3电子设计:
换能器的照片
图4电子设计:
传感器设计
第二块作为超声波反射器。
它由垂直固定在一个3cm*5cm,和3cm厚的不锈钢平板上。
在油桶的顶部,嵌入式发射机用来控制这些传感器,并且把乳化液放在控制室内。
图二显示传感器之间的电气连接。
只用12个电线以菊花链方式连接相邻罩。
根据被输入地址总线的值,发生器产生脉冲电压,模拟开关关系到每个超声波传感器启用/禁用。
传感器的回波信号进行放大,并且通过单一共享线(这是12个电线的一部分)传输到发射器。
这种设计有降低传感器间线数的优势。
油桶的高度或目标的高度是不独立的。
在PCBs(图3)中所有的电子部件被应用。
该设备不是侵入性,因为传感器没有直接与被玻璃保护的工艺介质接触,确保保护EEX-m(图4)。
该器件用空气压缩机测试液体泄漏的密封性,空气压缩机把空气引入密封的传感器阵列罩内(2Bars以上的压力)。
虽然它被浸没水桶里的水平有气泡。
图.5显示了发射器的硬件概述。
它由一个主处理单元组成,它实现了模式识别算法,并提供输入/输出接口/远程计算机(RS485或4-20mA标准,相应生成底层和顶层的乳化液层和顶部的原油油层)。
脉冲发生器/选择器电路以短脉冲信号的方式定期复用。
运算放大器的前置放大器的增益为10。
传感器的输出信号送入截止频率为3MHZ和-100KHZ,增益为3的带通放大器。
然后这个信号被高速比较器转换为数字波,然后嵌入式处理器进一步处理回波信号。
因此,上述的预定义阈值电压(例如,本文是250mv)是模拟回波被转换为逻辑电平(即5伏直流电压)。
此外,由于相应的曲线模拟回声遵循阻尼正弦信号(参见图6),这些回声产生许多数字脉冲波。
因此,为了使发射器产生精确的回声数,软件程序只考虑某个回声的过渡边缘,嵌入式处理器掩盖了其他回音的过渡。
图5.发射器与传感器阵列接口的硬件
图6.示波器显示了由超声波传感器产生的反映
图7.工艺流程图
图8.循环流照片
图.6显示了一个由超声换能器产生的典型回声信号和收集信号的发射器图(两个硬件模块隔开4米)。
因此,可以观察到一些清晰的信号(这种情况下超过7个回波信号)。
脉冲传波后出现了第一次高振幅脉冲信号,然而,由于电子噪声它没有回声信号。
发射器的任务是分析这些回波信号并确定相应的油,水,或乳化液。
B.实验安装(回流)
图.7显示了我们的实验概述了两相流的行为。
它由户外两个1立方米的储油罐组成:
一个水箱和一个油桶。
两个泵用于水泵或石油在其内部建立乳化液层。
设计的装置被插入列里边,用于实时跟踪乳化液层。
这项实验回流提供了与油田的油桶相似的条件,然而这些液体不断进入类似于8的纵向管内(就像图1显示的),而该设备同时计算高层和低层乳化液。
图8显示了流动循环的照片。
三.设备和模式识别算法的环境影响和证实
在设计模式识别算法之前,在深度,温度,和混合相的条件下对超声波的行为特征进行理论研究。
设备校准期间需要准确理解实验数据,通过模式识别算法,满足空间向量参数的选择。
A.温度的选择
由于在户外在相对宽泛的温度范围内运行(从20度到70度),要处理超声波温度的影响。
根据方程[11]水里的超声波速度随着温度增加。
其中T.S.和Z都是摄氏温度,分别是千分之一和几米深。
常数
到
是
从石油领域提取水并且储存在分离桶里。
因此,该方程可以用于估计乳化液不同深度的超声波状态。
然而,对于纯净水,由于忽略了参数S上述方程仍然有效(S约等于1ppt纯净水)
然而,在石油情况下速度降低[12]。
因此,由于延迟较大,高温情况下乳化液层检测比较容易。
因此,0度的水中声速从1402
增加,在74度最大值为
,在100度是1593
。
在21.9度油(如ExxsolD80)里的声速是1315
。
石油和水的混合物将在这些组件中运动。
因此,在适当的温度里测量,能够估计混合流体的密度。
B.在油桶中的传感器的深度的影响
根据等式,超声波的速度随着深度增加
而
—
温度(摄氏度);
—Z:
:
深度(km)
因此,温度=40度,液体的盐度是S=1ppt(即淡水),超声波速度差分别在水深0米和5米。
比起油和水这个值可以忽略(分别是1400和1500
),因此,在这里,传感器的深度不会对延时造成重大的影响,因为顶部和底部的传感器只隔开5米。
C.石油应用的影响
在我们的实验中使用的是煤油。
这是被承包商建议的,这意味设备中原油的酸度比煤油的强。
另一方面,煤油被公认为能迅速从水中分离出来,在两层液体中产生一层相对较薄的乳化液,这大多不可能被设备检测到。
我们对于这个问题的解决方案,是分别提供油桶顶部和底部相应的进口和出口。
从桶的底部水提取水,从桶的顶部注入,产生相对较薄的乳化液层。
D.液泡的影响
液体中的气泡存在着两个作用:
首先,随着气泡数量的增多,信号的幅度下降,因此,回升数目减少。
在水中含有油气泡的情况下的第二个作用是超声波的平均延时时间根据方程改变
N是气泡的数目,e是他们的平均直径(米),X是超声传感器到反射器的距离(米),
和
分别是超声波在水和油中的速度。
这个方程可以确定水在油中的比例。
另一个模式[15]为同体积分数的两相系统
和
,相应的两个声速
和
可能是
是液体混合液体的超声波速度。
另一方面,在气泡乳化液层超声衰减。
生成四个主要机制:
散射,固有吸收,粘度惯性,以及弹性亏损机制[16]。
和
分别是体积和剪切粘度,
为超声波共振频率,C以及液体声速。
在乳化液层的颗粒通常是在连续相泡沫,声学散射效应通常占主导低位。
E.特征提取和模式识别算法
1)特征提取和设备校准:
下面的讨论已经在III-D中提出,延时和脉冲数被用作模式识别算法的两个特征向量输入。
发射器的RISC处理器演示了提取相应特征的过程。
此后,该处理器能够给传感器发射超声波,它会激活其内部的定时器开始计时。
当接收到第一个回波,计时器被外部硬件中断停止(例如,图6的#1对应于反射回波)。
相应的定时器增加的数字与传输脉冲成正比,并且检测回波。
同样的程序被其他的传感器不断的运用。
因此,为了跟踪油桶实时快速变化,相应于一维数组扫描时间的采样率尽可能小。
因此,设计设备器件需要一个相对简单的模式识别算法。
定时器中断用来计算延时,使处理器能够同时执行其他任务,例如执行第二个特征(例如同一个传感器检测到的回声数)。
这些任务包括当由高到低检测数字化回波信号时(例如高速比较器的输出信号)启动终端服务。
每次计数器被激活,计数器相应数字增加并重置之前,传感器被激活。
确定延时和脉冲数后,使用RS485协议发射乳化液层的高低位置,然后用RISC处理器执行模式识别算法。
因此,使用该设备之前,在不同条件下对应于上述两个输入向量,用校准程序建立参数空间。
图9.现实的各种温度的超声波延时和传感器深度。
因此,因为理论方法可预测对于同样的传感器,延时随着温度的增加而降低。
然而,由于相同温度下,超生传感器内部的属性,延时是传感器不同深度的随机函数。
从实际算法考虑,这需要分别校准不同的传感器,发射器的硬件的算法相对较小,导致了相对复杂的模式识别算法。
然而,由于在所有情况下,在水中的超声波的延时从未超过石油中超声波的延时(例如在水里超声波的延时没有超过132.65,他们在乳化液和石油中的延时大多超过132.71),只要使用适当的阈值将准确从乳化液或水中分离出水。
图9.在不同环境下纯水中中超声波传感器显示的演示[us]
图10.模式识别算法流程图
2)模式识别算法:
图10显示了模式识别算法流程图。
它由包括四个“如果-那么”规则的专业系统,用延时和回声作为输入参数。
该算法被油桶底部的传感器启动(例如n=1)并且抓到相应的时间延时和回声数。
然后根据数据库中的元素,用专门的系统处理两个参数。
因此,由于时间延时不超过阈值
,对应于水传感器感受到这种液体。
否则,如果延时时间小于
,乳化液或原油要根据收集到的脉冲多少而定(例如小于三个脉冲是乳化液,否则是原油)。
最后,如果没有检测到回声,那么响应阶段对应于气体。
在大量用于处理两相流循环的实验中选择两个阈值
(
被设置为132.65um)和
。
在乳化液层它们数字回声的个数将降低[见(5)]。
此外,根据方程[17],乳化液层的每个气泡造成了超声波能量的损失。
R反映了超声波压力的比率,
是液体泡沫的声阻抗,
是连续相的声阻抗。
因此,在乳化液层气泡数量增加导致了超声波波能大幅减少,减少了接收器的回声数目。
上述公式仅使用于超声波波长小于混合液中气泡的尺寸[17]。
否则,只产生相应较小的折射,而且,该设备不可能从单向流中区分出乳化液层(如石油或水)。
因为我们的探测应用3MHZ的传感器,只有在气泡直径大于0.5毫米(通常油田的油桶满足这个条件)的液面可以探测到乳化液层。
在[4]中,由于石油(煤油)和水的声阻抗分别为113.63和159[17],其中每次大约17%接收到超声波反射波,泡沫阻挠其向反射器传播。
这导致接收到的回波幅值电压严重降低,气泡数的函数明确区分乳化液层和单相流。
另一方面,在[10]中应用了23KHZ的超生传感器,该探测器只检测到直径大于65毫米的气泡。
同样的程序同样针对于设备纵向剖面的所有传感器。
该算法已经被编码,并且被运用到发射器的RISC处理器。
四.实验结果和与其他作品的比较
在不同情况下处理大量实验,图11显示了两个实验结果:
完全分离之前和之后(分别是粉红色和黄色)。
可以通过计算传感器和接收器之间的回声数检测乳化液层:
在乳化液层仅仅计算三个回声,而油或水的数目更高。
图12的(a)和(b)展示了分别以水(例如水分数大于90%)为主或以油(例如油分数大于90%)为主的混合液中乳化液的动态变化。
可以看到,以水为主的乳化液情况下,由于石油气泡的消失,延时持续下降。
然而,以油为主的乳化液,由于水中泡沫的消失,延时持续增加。
图12.16(a)是以水为主的传感器的动态跟踪图(b)是以油为主的传感器的动态变化
图13展示了在不同条件下(例如28度和38度)油和水中超声波的延时。
可以清晰地观察到,在阈值相同的条件下很容易的区分两种介质
和
。
图14显示图形用户界面,它用于主机设计,上述实验呈现出水和煤油间乳化液的快照。
两个窗口代表着这个乳化液层。
在1窗口动态掩饰了乳化液层,而窗口2根据不同颜色代表不同的液体。
显示油桶的实际情况(如蓝色是水,粉红色是乳化液,黄色是气体,棕色是煤油)。
在窗口1中,蓝色对应于水位,粉红色对应于乳化液层,红色对应于石油液面。
因此,粉红色和蓝色之间是乳化液层。
图15显示水被运到油桶顶部后,同样的实验采用四种快照,而出口闸门开启,允许油桶较低的液体下沉。
这会避免溢流,同时延长了试验时间。
首先,油桶顶部的石油完全与水混合,15秒后形成一厚层乳化液。
因此,因为水最初从顶部注入,最初的乳化液层出现在油桶的顶部,随之而来的石油可能不混在新的水层。
15秒钟之前这种行为可以清晰的在图15中观察到。
另经过几分钟,水滴从上到下移动,导致介质油层和油桶顶部纯油液体影子的移动[如图15(b)到(c)]。
在图15(d)中所示的快照,几分钟后乳化液层完全消失,并且水位增加约15cm(例如1传感器比图15多)。
在不同环境下其他的实验提供了类似的特征,并且可以准确测量乳化液高层和底层的液位。
图15油桶的四个快照展示了乳化液的动态情况:
全乳化液文件快照(a),油出现在传感器顶部(b),石油层的增加(c),乳化液层完全消失(d)
五.结论
在这个项目中,设计超声波工业设备,实施,并实时精确的检测6米油桶15厘米处的乳化液层。
该设备易于维护和安装(不需要修改邮箱),是模块化的(例如可移动和变化的领域)。
该设备的所有物理部件都是不锈钢的,可以提供更好的抗腐蚀性。
该装置由目标的28个传感器组成,它们分别单独以多种方式被激活,以避免串扰问题。
随着将来的工作,该设备将得到改善,以提供乳化液的液体组成,检测油桶中存在的沙沉积物,在动荡情况下改善或验证设备的可靠性。
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