СПОСОБ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА СРЕДЫ МАГНИТОИНДУКЦИОННОГО РАСХОДОМЕРА (ВАРИАНТЫ) И МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР
METHOD TO OPERATE DEVICE FOR MEASUREMENT OF SPEED OF MEDIUM FLOW OF MAGNETIC INDUCTION FLOW METRE (VERSIONS) AND MAGNETIC CONDUCTION FLOW METRE

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения объемного расхода жидкости.
раб
исп
раб
При разработке нефтяных месторождений используют способ нагнетания под высоким давлением промысловых и сточных вод в нефтеносные слои, при этом осуществляется контроль объемного расхода (дебита) закачиваемых жидкостей. Закачиваемые жидкости представляют собой пересыщенные соляные растворы и агрессивны при взаимодействии с металлами (вызывают коррозию), являются сильными электролитами (проводят электрический ток) и содержат нефтяные пятна (отложения на стенках трубопровода). Одним из способов для измерения объемного расхода таких жидкостей является использование электромагнитного расходомера. Первой проблемой является работа электромагнитного расходомера (ЭМР) при высоких давлениях, на порядок превышающих рабочие давления существующих ЭМР (максимальные рабочие давления до р=21 МПа, при заводских испытаниях р=1,5÷2 р). Для решения этой проблемы увеличивают толщину стенки корпуса расходомера. Корпус изготавливают из немагнитной стали или титана. Увеличение толщины стенки расходомера приводит к ослаблению переменного магнитного поля в канале расходомера, которое вызвано вихревыми токами, возникающими в металле. С другой стороны, использование постоянного магнитного поля приводит к поляризации электродов, вызванной конечной скоростью электрохимических реакций на границе металл - жидкость (измеряемые жидкости имеют ионную проводимость). Следствием поляризации электродов является нарушение пропорциональности между электродвижущей силой (ЭДС), измеряемой на электродах, и средней скоростью потока жидкости. Компромиссом является использование скоростью потока жидкости. Компромиссом является использование низкочастотного магнитного поля, создаваемого пропусканием импульсов тока через намагничивающие катушки.
Второй проблемой является изменение во времени электрохимического потенциала каждого электрода по отношению к корпусу расходомера. Величина электрохимического потенциала на электродах может быть на три порядка больше измеряемой ЭДС, зависеть от свойств среды (жидкости), температуры и материалов, из которых изготовлены корпус и электроды. Процесс изменения электрохимического потенциала находится в области инфранизких частот. Из-за неидентичности электродов, вызванной технологическим разбросом, постепенным загрязнением их рабочей поверхности, разность электрохимических потенциалов между электродами относительно корпуса расходомера также может отличаться от измеряемой ЭДС на три порядка.
Третья проблема связана с шумом и трансформаторной (паразитной) составляющей ЭДС, наведенной на электродах. Спектр шумов охватывает весь частотный диапазон измеряемых ЭДС и связан с взаимодействием протекающей жидкости, пузырьков воздуха или твердых частиц с рабочей поверхностью электродов. Трансформаторная составляющая ЭДС вызвана емкостными и индуктивными наводками, возникающими в проводящей электрический ток жидкости при пропускании тока через намагничивающие катушки и подводящие к ним провода.
Четвертой проблемой является отложение нефтяных пятен на поверхности электродов, что приводит к увеличению выходного сопротивления источника ЭДС и нарушению согласования электродов с входным усилителем сигналов и полной электрической изоляции электродов от протекающей жидкости в канале расходомера.
Известны конструкции электромагнитных расходомеров, которые описаны в патентах ЕР 1273892, ЕР 1273891, US 5210496, US 6031740.
Известны устройство и способ для определения расхода среды по заявке WO 03004977 G01F 1/58, G01F 1/60, опубл. 16.01.2003, с помощью которых производят измерение скорости потока среды, а между измерениями устраняют поляризационные потенциалы электродов путем тактового замыкания электродов на массу либо путем кратковременного приложения напряжения к электродам, обратного по величине потенциалу поляризации на каждом электроде.
Недостатком известного способа и устройства является недостаточная точность измерения скорости потока среды, так как поляризационный потенциал устраняется между измерениями, а не в процессе измерения скорости потока, следовательно, в процессе измерения появляется погрешность от поляризационных потенциалов электродов, которая не учитывается. Кроме того, при устранении поляризационных потенциалов электродов известными способами время перехода к режиму измерения наведенной ЭДС, пропорциональной скорости потока среды, зависит от конечной скорости установления электрохимических потенциалов на электродах, что приводит к появлению дополнительной динамической погрешности и увеличению времени измерения.
Известен также способ работы устройства измерения процесса и магнитно-индуктивный расходомер, патент РФ №2335740, опубл. 2008.10.10. Магнитно-индуктивный расходомер содержит измерительную трубу, систему возбуждения, два электрода для создания измерительного сигнала, а также обрабатывающую и вычислительную схему. В процессе измерения осуществляют компенсацию помеховой составляющей измерительного сигнала в виде импульсного помехового потенциала, который вызывается частицами постороннего вещества или пузырьками воздуха. Для этого обнаруживают аномалию хода изменения во времени измерительного сигнала путем определения группы данных внутри сохраненного первого комплекта данных, представляющей аномалию в цифровом виде. Для создания свободного от помех комплекта данных, соответствующего измеряемому расходу, из сохраненного первого комплекта данных удаляют данные выявленной группы данных.
Недостатком известного способа и расходомера является недостаточная точность измерения, так как погрешности измерения расхода жидкости устраняются путем обработки уже оцифрованного сигнала, который содержит полезный сигнал и помехи.
Задачей изобретения является повышение точности измерения скорости потока среды за счет выравнивания электрохимического потенциала в измерительной трубе путем введения компенсационных колец, использования схемы компенсации разностей электрохимических потенциалов и поляризации электродов на инфранизких частотах, а также учет поляризационного потенциала в процессе обработки оцифрованного сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что производят измерение скорости потока среды магнитоиндукционного расходомера, содержащего установленную в магистраль, через которую протекает поток, измерительную трубу, снабженную компенсационными кольцами. При этом выполняют следующие стадии: пропускание потока среды через измерительную трубу, формирование прямоугольного импульса электрического тока с возможностью возбуждения магнитного поля в измерительной трубе посредством намагничивающих катушек и создания измерительного сигнала наведенной ЭДС, электрохимических потенциалов и поляризации на электродах относительно компенсационных колец, расположенных на концах измерительной трубы в потоке среды, компенсацию в измерительном сигнале составляющей разности электрохимических потенциалов и поляризации электродов на инфранизких частотах в течение процесса измерения, выделение низкочастотной составляющей измерительного сигнала и разности поляризационных потенциалов электродов, измерение и запоминание первого комплекта значений измерительного сигнала при наличии импульса тока после установления магнитного поля в измерительной трубе расходомера, последующее измерение второго комплекта значений измерительного сигнала с запоминанием в период отсутствия магнитного поля в измерительной трубе расходомера, определение первого и второго средних значений в каждом из двух указанных комплектов данных, последующее вычитание из первого среднего значения второго среднего значения с получением величины разности этих значений, пропорциональной средней скорости потока среды в измерительной трубе расходомера.
Способ работы устройства измерения скорости потока среды магнитоиндукционного расходомера, содержащего установленную в магистраль, через которую протекает поток, измерительную трубу, формирование чередующихся прямоугольных импульсов электрического тока положительной и отрицательной полярности с возможностью возбуждения магнитного поля в измерительной трубе посредством намагничивающих катушек, измерение сигнала наведенной ЭДС, электрохимических потенциалов и поляризации на электродах относительно компенсационных колец, расположенных на концах измерительной трубы расходомера в потоке среды, компенсацию в измерительном сигнале составляющей разности электрохимических потенциалов и поляризации электродов на инфранизких частотах в течение процесса измерения, выделение низкочастотных составляющих измерительного сигнала и разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов, измерение и запоминание первого комплекта значений измерительного сигнала при наличии положительного импульса тока после установления магнитного поля в измерительной трубе расходомера, последующее измерение второго комплекта значений измерительного сигнала с запоминанием в период отсутствия магнитного поля в измерительной трубе расходомера. Измерение и запоминание третьего комплекта значений измерительного сигнала при наличии отрицательного импульса тока после установления магнитного поля в измерительной трубе расходомера, последующее измерение четвертого комплекта значений измерительного сигнала с запоминанием в период отсутствия магнитного поля в измерительной трубе расходомера, определение первого, второго, третьего и четвертого средних значений в каждом из четырех указанных комплектов данных, последующее вычитание из первого среднего значения второго среднего значения, из третьего среднего значения четвертого среднего значения, с получение величины среднего арифметического значения этих разностей, пропорциональной средней скорости потока среды в измерительной трубе магнитоиндукционного расходомера.
Магнитоиндукционный расходомер содержит установленную в магистраль измерительную трубу с намагничивающими катушками, соединенными с намагничивающим блоком, и измерительные электроды, соединенные с измерительным блоком, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь измерительных сигналов, выход которого соединен с микроконтроллером, блок памяти, блок передачи данных, индикатор, соединенные между собой через микроконтроллер, выполненный с возможностью подачи сигнала на намагничивающий блок. На концах измерительной трубы дополнительно установлены компенсационные кольца. Измерительный блок состоит из усилителя сигнала, выполненного в виде инструментального усилителя, соединенного с входом интегратора, а выход интегратора подключен к опорному входу усилителя сигнала, выход которого через упомянутый фильтр низких частот соединен с аналого-цифровым преобразователем измерительных сигналов. Компенсационные кольца выполнены из материала электродов.
Способы работы устройства измерения скорости потока среды и конструкция магнитоиндукционного расходомера представлены на чертежах, где на фиг.1 изображена блок-схема магнитоиндукционного расходомера; на фиг.2 представлена электрическая схема измерительного блока В, на фиг.3 - график зависимости от времени разностей электрохимических и поляризационных потенциалов электродов на выходе измерительного блока В на инфранизких частотах без компенсации (при отключенном интеграторе); на фиг.4 - графики зависимости от времени измеряемых потенциалов по первому способу измерения скорости потока среды; на фиг.5 - графики зависимости от времени измеряемых потенциалов по второму способу измерения скорости потока среды.
Магнитоиндукционный расходомер, показанный на фиг.1, состоит из первичного блока I и вторичного электронного блока II.
Блок I содержит измерительный канал, состоящий из измерительной трубы 1 с изоляционной вставкой, компенсационных колец 2, измерительных, электродов 3.1, 3.2 и намагничивающих катушек 4.
Вторичный электронный блок II состоит из микроконтроллера 5, который соединен с блоком намагничивания А, включающего накопитель электрической энергии 6 и управляемый источник тока 7, измерительного блока В (изображен на фиг.2), состоящего из инструментального усилителя 8 и интегратора 9. Выход усилителя 8 измерительного блока В соединен через фильтр низких частот 10 с аналого-цифровым преобразователем 11, выход которого соединен с микроконтроллером 5. Также блок II содержит блок питания 12, блок памяти 13, блок передачи данных 14, индикатор 15, соединенные с микроконтроллером 5.
Магнитоиндукционный расходомер работает следующим образом.
В электронном блоке II накопитель электрической энергии 6 заряжается до заданного уровня напряжения и выдает сигнал готовности микроконтроллеру 5 к циклу измерения скорости потока среды. Микроконтроллер 5 начинает цикл измерения, состоящий из включения управляемого источника тока 7 на заданный промежуток времени. Через намагничивающие катушки 4 блока I проходит прямоугольный импульс тока, создающий в измерительной трубе магнитное поле. Магнитное поле взаимодействует с электропроводной жидкостью, протекающей по измерительной трубе и, в соответствии с законом Фарадея, наводит в жидкости электрическое поле, которое создает ЭДС на измерительных электродах 3.1, 32. Наведенная ЭДС между электродами 3.1, 3.2 совместно с электрохимическими и поляризационными потенциалами этих электродов, относительно компенсационных колец 2, поступает на измерительные входы а, b и с инструментального усилителя 8 измерительного блока В. С выхода инструментального усилителя 8 суммарный сигнал усиленной ЭДС и разностей электрохимических и поляризационных потенциалов электродов поступает на вход интегратора 9 с большой постоянной времени интегрирования. Выход интегратора 9 соединен с опорным входом инструментального усилителя 8. Инструментальный усилитель 8 и интегратор 9 образуют фильтр высоких частот (ФВЧ), который компенсирует усиленные разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов 3.1, 3.2, по отношению к компенсирующим кольцам 2, на инфранизких частотах. С выхода измерительного блока В сигнал поступает на фильтр низких частот (ФНЧ) 10, где усиливается. Отфильтрованный по высоким частотам сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, с выхода которого пропорциональный сигналу цифровой код считывается микроконтроллером 5.
Согласно первому способу измерение скорости потока среды выполняется в два этапа T1 и Т2 на фиг.4(a-f). Оба этапа соответствуют равным временным интервалам t1, в свою очередь разделенным на интервалы t2 и t3. За временной интервал t2 происходит полное установление магнитного поля в измерительной трубе расходомера - этап T1 или его исчезновение - этап T2. В каждом из этапов T1 и Т2 за временной интервал t3 преобразователь 11 производит N замеров измеряемого сигнала, которые запоминаются в памяти микроконтроллера 5. На измерительных электродах 3.1 и 3.2 относительно компенсационных колец 2 расходомера присутствуют электрохимический и поляризационный потенциалы. В процессе работы расходомера потенциал каждого из электродов 3.1 и 3.2 может значительно изменяться. Процесс изменения во времени электрохимических и поляризационных потенциалов электродов 3.1 и 3.2 находится в области инфранизких частот (десятые, сотые доли герца), содержит высокочастотную шумовую составляющую и показан на фиг.3. В начале измерения микроконтроллер 5 вырабатывает последовательность управляющих сигналов для блока намагничивания А (см. фиг.1). От управляемого источника 7 тока на катушку 4 намагничивания подаются прямоугольные импульсы тока одной полярности, равной амплитуде                                                                                   Imax и длительности t1 с промежуточными выключенными состояниями фиг.4а. Временные длительности t1 импульсов тока могут составлять от 40 до 120 миллисекунд. Время выключенных состояний должно быть больше 1 минуты и необходимо для релаксации частичной поляризации, возникающей на электродах 3.1 и 3.2 в измерительной трубе с движущейся средой при однонаправленном низкочастотном импульсном магнитном поле (только для жидкостей с ионной проводимостью). За счет наличия в жидкости свободных носителей зарядов поляризация электродов имеет конечное время релаксации. При прохождении импульса тока через катушки 4 намагничивания амплитуда наведенной ЭДС (е1, е2) на электродах 3.1, 3.2 увеличивается либо уменьшается пропорционально средней скорости потока в измерительном канале расходомера, показано на фиг 4b, 4с. Передний и задний фронты намагничивающего прямоугольного импульса тока вызывают появление индуктивно-емкостной и шумовой высокочастотных составляющих сигнала ЭДС, наведенной на электродах, а процесс установления магнитного поля в измерительной трубе (временной интервал t2) сопровождается значительным шумом в широком спектре высоких частот. В зависимости от средней скорости потока величина наведенной ЭДС может быть на три порядка меньше электрохимического и поляризационного потенциалов электродов. Инструментальный усилитель 8 измерительного блока В усиливает ЭДС, наведенную на электродах 3.1 и 3.2, а также разность электрохимических и поляризационных потенциалов между электродами в k1(e1-e2) раз - фиг.4d. С целью устойчивой работы инструментального усилителя 8 в большом динамическом диапазоне входных сигналов его коэффициент усиления k1 ограничен. Интегратор 9 имеет большую постоянную времени интегрирования. Совместно с инструментальным усилителем 8 интегратор 9 образует фильтр высоких частот (ФВЧ) и почти полностью компенсирует на выходе усилителя 8 составляющую усиленной разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов на инфранизких частотах. С выхода измерительного блока В сигнал поступает на фильтр 10 низких частот (ФНЧ), который усиливает в k2 раз составляющие информативной ЭДС, разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов 3.1, 3.2 на низких частотах и устраняет высокочастотные шумы. Усиленный и отфильтрованный аналоговый сигнал фиг.4е поступает на вход аналого-цифрового 11 преобразователя (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь 11 проводит серии по N измерений за временной интервал t3 для каждого этапа T1 и Т2 соответственно. Выбор временного интервала t3 для преобразования аналогового информационного сигнала в цифровой код соответствует отсутствию индукционно-емкостнои помехи и помехи, связанной с установлением или исчезновением магнитного поля в измерительной трубе расходомера. Поскольку магнитоиндукционный метод измерения расхода является быстродействующим, в выходном сигнале будет присутствовать низкочастотный шум, связанный с неравномерностью потока среды в измерительной трубе, взаимодействием электродов 3.1 и 3.2 с потоком среды, пузырьками воздуха и твердыми частицами. Также в выходном сигнале присутствует усиленная низкочастотная составляющая разности поляризационных (электрохимических) потенциалов электродов, которая может изменяться в магнитном поле от скорости потока, например увеличиваться с ростом скорости потока среды. Цифровой код каждого измерения АЦП 11 записывается в память контроллера 5. Контроллер 5 суммирует данные по N измерениям за этап T1, а затем - за этап Т2, определяя средние значения данных, полученные в каждом из этапов соответственно, тем самым производится фильтрация измеренных данных от низкочастотного шума. Из полученной величины среднего значения за этап T1 вычитается величина среднего значения, полученная за этап Т2. Эта операция устраняет не скомпенсированную разность электрохимических и поляризационных потенциалов электродов, которые появились на электродах при наличии намагничивающего импульса. Разность величин средних значений этапов T1 и Т2 пропорциональна средней скорости потока среды в измерительной трубе расходомера. Учет полярности прямоугольного импульса тока и выходного сигнала наведенной ЭДС на этапе T1 позволяет определить направление течения среды в измерительной трубе расходомера. Полный цикл одного измерения скорости потока среды для первого способа складывается из этапов T1÷Т2, и времени релаксации поляризационных потенциалов на электродах составляет больше одной минуты.
Для уменьшения времени измерения скорости потока среды предлагается второй способ измерения, который осуществляют в четыре этапа T1÷Т4 на фиг.5 (a-f). Все четыре этапа соответствуют равным временным интервалам t1, в свою очередь разделенным на интервалы t2 и t3. За временной интервал t2 происходит полное установление магнитного поля в измерительной трубе расходомера - этапы T1, T3 или его исчезновение - этапы T2, Т4. В каждом из этапов T1÷Т4 за временной интервал t3 преобразователь 11 производит N замеров измеряемого сигнала, которые запоминаются в памяти микроконтроллера 5.
В начале измерения микроконтроллер 5 вырабатывает последовательность управляющих сигналов для блока намагничивания А - фиг.1. От управляемого источника 7 тока на катушку 4 намагничивания подаются разнополярные прямоугольные импульсы тока равной амплитуды (Imax, -Imax) и длительности t1 с промежуточными выключенными состояниями - фиг.5а. Временные длительности t1 импульсов тока и выключенных состояний могут составлять от 40 до 120 миллисекунд. При прохождении импульса тока через катушки 4 намагничивания амплитуда наведенной ЭДС (е1, е2) на электродах 3.1, 3.2 увеличивается либо уменьшается пропорционально средней скорости потока в измерительном канале расходомера, фиг.5b, 5с. Передний и задний фронты намагничивающего прямоугольного импульса тока вызывают появление индуктивно-емкостной и шумовой высокочастотных составляющих сигнала ЭДС, наведенной на электродах, а процесс установления магнитного поля в измерительной трубе (временной интервал t2) сопровождается значительным шумом в широком спектре высоких частот. В зависимости от средней скорости потока величина наведенной ЭДС может быть на три порядка меньше электрохимического и поляризационного потенциалов электродов. Инструментальный усилитель 8 измерительного блока В усиливает ЭДС, наведенную на электродах 3.1 и 3.2, а также разность электрохимических и поляризационных потенциалов между электродами в k1(e1-e2) раз - фиг.5d. С целью устойчивой работы инструментального усилителя 8 в большом динамическом диапазоне входных сигналов его коэффициент усиления k1 ограничен. Интегратор 9 имеет большую постоянную времени интегрирования. Совместно с инструментальным усилителем 8 интегратор 9 образует фильтр высоких частот (ФВЧ) и почти полностью компенсирует на выходе усилителя 8 составляющую усиленной разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов на инфранизких частотах. С выхода измерительного блока В сигнал поступает на фильтр 10 низких частот (ФНЧ), который усиливает в k2 раз составляющие информативной ЭДС, разности электрохимических и поляризационных потенциалов электродов 3.1, 3.2 на низких частотах и устраняет высокочастотные шумы. Усиленный и отфильтрованный аналоговый сигнал фиг.5е поступает на вход аналого-цифрового 11 преобразователя (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь 11 проводит серии по N измерений за временной интервал t3 для каждого этапа T1÷Т4 соответственно. Выбор временного интервала t3 для преобразования аналогового информационного сигнала в цифровой код соответствует отсутствию индукционно-емкостной помехи и помехи, связанной с установлением или исчезновением магнитного поля в измерительной трубе расходомера.
Поскольку магнитоиндукционный метод измерения расхода является быстродействующим, в выходном сигнале будет присутствовать низкочастотный шум, связанный с неравномерностью потока среды в измерительной трубе, взаимодействием электродов 3.1 и 3.2 с потоком среды, пузырьками воздуха и твердыми частицами. Также в выходном сигнале присутствует усиленная низкочастотная составляющая разности поляризационных (электрохимических) потенциалов электродов, которая может изменяться в магнитном поле от скорости потока, например увеличиваться с ростом скорости потока среды. Цифровой код каждого измерения АЦП 11 записывается в память контроллера 5. Контроллер 5 суммирует данные по N измерениям за этап T1, а затем - за этапы Т2-Т4, определяя средние значения данных, полученные в каждом из этапов T1-Т4 соответственно, тем самым производится фильтрация измеренных данных от низкочастотного шума. Из полученной величины среднего значения за этап Т1 вычитается величина среднего значения, полученная за этап Т2. Аналогично, из полученной величины среднего значения за этап Т3 вычитается величина среднего значения, полученная за этап Т4. Эта операция устраняет не скомпенсированную разность электрохимических и поляризационных потенциалов электродов, которые появились на электродах при наличии намагничивающего импульса. Величина среднего арифметического значения разностей средних значений этапов T1, Т2 и Т3, Т4 соответственно пропорциональна средней скорости потока среды в измерительной трубе магнитоиндукционного расходомера. Учет полярности прямоугольного импульса тока и выходного сигнала наведенной ЭДС на этапах T1 и Т3 позволяет определить направление течения среды в измерительной трубе расходомера. Полный цикл одного измерения скорости потока среды складывается из этапов T1÷Т4 и составляет для второго способа от 160 до 480 миллисекунд.
раб
3
3
Предлагаемый расходомер может быть использован при разработке нефтяных месторождений в системах поддержания пластового давления (р≤21 МПа) для измерения объемного расхода промысловых вод, закачиваемых в нагнетательные скважины. Погрешность измерения расхода не превышает 1÷2%. Таким образом, за определенное время можно измерять количество жидкости (дебит), закачанной в нефтяной пласт, тем самым регулируя при добыче нефти ее обводненность. Кроме того, предлагаемая конструкция магнитоиндукционного расходомера и способы измерения позволяют измерять объемный расход апт-сеноманских вод, извлекаемых из недр, с небольшим газовым фактором (1÷10 м/м) и присутствием твердой фазы в виде песка.