АКУСТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР

Полезная модель относится к акустическим методам измерения и контроля и может быть использована для определения глубины уровня жидкости (границы раздела фаз) в скважинах, колодцах и резервуарах.
Известен акустический уровнемер, включающий измерительный и эталонный датчики, каждый из которых содержит генератор импульсов, выходной усилитель и обратимый преобразователь акустических сигналов. Генераторы импульсов, а также преобразователи акустических сигналов каждого из датчиков соединены с регистрирующим блоком (SU 1569567, 1990 г.).
Известное устройство позволяет определять положение уровня жидкости только в скважинах достаточно большого диаметра при отсутствии избыточного давления и при отсутствии активного отбора из скважины нефти или газа. Для проведения замеров необходимы особые условия, а измерительное устройство мало мобильно и требует большого времени для подготовки к работе.
Известны акустические уровнемеры по патентам US 4765186, 1988 г. и US 6085836, 2000 г., в схемах которых использованы по нескольку излучателей, а в последнем случае - также и несколько приемников отраженного акустического сигнала, что заметно усложняет конструкцию устройства.
Известен акустический уровнемер, содержащий генератор импульсов, усилитель, преобразователь акустических сигналов, регистрирующий блок, коммутатор, фильтр нижних частот, блок сравнения и микропроцессор (RU 2115892, 1998 г.). Основным недостатком, ограничивающим применение устройства и способа, является необходимость предварительного обследования конструкции скважины для определения глубины стыков труб. Другим недостатком этого устройства является совмещение в одном блоке излучателя и приемника, что не позволяет принимать эхо - сигналы некоторое время после излучения зондирующего импульса (так называемая «глухая зона»). Кроме того, присутствие в схеме коммутатора и блока сравнения усложняет устройство и увеличивает его энергопотребление.
Устройство согласно предлагаемой полезной модели лишено указанных недостатков.
Акустический уровнемер содержит последовательно соединенные микропроцессор, генератор импульсов, акустический преобразователь и блок регистрации, соединенный с микропроцессором. Акустический преобразователь состоит из излучателя и двух приемников - калибровочного и измерительного. Каждый из приемников через отдельный усилитель, соединен с блоком регистрации. Уровнемер также снабжен модемом, соединенным с выходом блока регистрации и с микропроцессором.
Калибровочный приемник выполнен выносным с возможностью спуска и подъема на заданную глубину, например, с помощью лебедки.
Необходимость и цель введения дополнительно калибровочного приемника вызвана тем, что для реперного отражателя остается проблема «глухой зоны», которая увеличивается пропорционально глубине зондирования скважины и не позволяет создать универсальные настройки прибора для измерения ближних и дальних расстояний. Введение калибровочного приемника, удаленного на заданное расстояние от излучателя, устраняет проблему «глухой зоны», снижает нижний предел измерения до минимально возможного и равного расстоянию между излучателем и калибровочным приемником.
Применение калибровочного приемника реализует возможность производить измерения в скважинах без предварительной калибровки по стыкам труб. Разделение излучателя и приемника в акустическом преобразователе позволяет расширить диапазон измерений за счет значительного уменьшения «глухой зоны». Использование дополнительного калибровочного приемника позволяет измерять скорость при текущем замере, обеспечивая максимальную точность измерения глубины уровня. Изменение схемы прибора дало возможным убрать коммутатор приема, а отказ от фильтра нижних частот расширил рабочий диапазон частот и повысить точность измерений с увеличением быстродействия устройства. Исключен также блок сравнения, что снизило энергопотребление устройства. В свою очередь, оснащение устройства модемом, например, в виде радиомодема сотовой связи, обеспечивает возможность дистанционного управления параметрами процесса измерений и передачи данных от удаленного объекта.
Устройство состоит из электронного блока и акустического преобразователя. Обобщенная блок-схема устройства изображена на Фиг.1, где позицией 1 обозначен микропроцессор; 2 - генератор импульсов; 3 - акустический преобразователь, 3.1 - излучатель, 3.2 - калибровочный приемник, 3.3 - измерительный приемник, 3.4 - усилитель измерительного приемника, 3.5 - усилитель калибровочного приемника, 4 - блок регистрации; 5 - модем.
Электронный блок включает микропроцессор 1, генератор 2 импульсов, блок 4 регистрации и модем 5.
Микропроцессор 1 предназначен для управления всеми функциональными частями электронного блока и выполнения действий, задаваемых программой.
Генератор 2 импульсов предназначен для формирования частотно-модулированного сигнала и передачи его на акустический преобразователь 3.
Акустический преобразователь 3 состоит из излучателя и двух приемников с усилителями и присоединяется к устройству через разъем.
Излучатель 3.1 предназначен для преобразования электрического сигнала в акустический.
Калибровочный приемник 3.2 и измерительный приемник 3.3 предназначены для преобразования акустического сигнала в электрический.
Усилители 3.4 и 3.5 предназначены для усиления сигналов и передачи через кабель в устройство для дальнейшей обработки.
Блок регистрации 4 предназначен для регистрации, сравнения и отбора для дальнейшей обработки сигналов от акустического преобразователя.
Модем 5 предназначен для приема команд управления и передачи данных.
Определение уровня жидкости в скважине производят следующим образом. Посылают акустический частотно-модулированный сигнал в трубное пространство скважины излучателем находящимся на устье скважины и регистрируют сигналы двумя приемниками: калибровочным и измерительным.
L
Измерительный приемник 3.3 находится на устье скважины рядом с излучателем 3.1 и предназначен для приема эхо-сигналов от границы газообразной и жидкой сред T, а также от различных неоднородностей в трубном пространстве, таких как стыки труб, переход с одного диаметра на другой, гидратные пробки и т.д.
R
Калибровочный приемник 3.2 спущен в трубное пространство на фиксированную глубину R и предназначен для измерения времени прохождения акустического импульса от излучателя до глубины спуска самого калибровочного приемника T.
R
L
Таким образом, при прохождении по трубе акустического импульса в реальном масштабе времени при помощи калибровочного приемника определяется скорость распространения импульса V=R/T, и после определения скорости фиксируется время эхосигнала от границы газ/жидкость и вычисляется глубина уровня L=V×T/2.
При этом можно одновременно вычислить и степень загазованности трубного пространства над уровнем жидкости G, которую можно определить как разность измеренной скорости и скорости в чистом атмосферном воздухе отнесенную к разности скоростей в чистом метане и чистом атмосферном воздухе.
1
2
1
1
2
1
2
G=(V-V)/(V-V), где V - скорость звука в атмосферном воздухе, V - скорость звука в метане (значения V и V известны как справочные).