СПОСОБ КАЛИБРОВКИ МНОГОФАЗНОГО РАСХОДОМЕРА
METHOD TO CALIBRATE MULTI-PHASE FLOW METER

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для калибровки расходомеров многофазного потока без предварительной сепарации, например, при измерении дебита нефтяных скважин.
Известен способ калибровки многофазного расходомера, описанный в: Дробков В.П. Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. -М., подписано в печать 20.04.2007 г.
На проливочном стенде получают экспериментальные данные в виде характерных функций изменения газосодержания и доплеровской частоты от расхода газа при постоянных расходах жидкости. Семейство аналогичных экспериментальных данных получено при других значениях температуры среды и обводненности. Промежуточные значения искомых величин определяются интерполяцией.
Недостатком данного способа является необходимость поддерживать постоянный расход жидкости во время калибровки и высокая трудоемкость.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, описанный в: RU, патент №2386930, G01F 1/74, 24.12.2007 г. Во время калибровки производят запись показаний датчиков при различных комбинациях расходов жидкости и газа и осуществляют последовательную интерполяцию.
Главным недостатком данного способа является его высокая трудоемкость. Вторым недостатком является то, что если с целью снижения трудоемкости уменьшить количество калибровочных точек, то появится дополнительная погрешность, связанная с сложной зависимостью показаний датчиков от различных параметров потока и их комбинации. При интерполяции этой зависимости поведение интерполяционной функции недостаточно точно отражает поведение реальной зависимости, что приведет к дополнительной погрешности.
Задачей изобретения является уменьшение трудоемкости калибровки многофазного расходомера, связанной с уменьшением количества калибровочных точек, без ухудшения точности.
Это достигается тем, что в предлагаемом способе калибровки многофазного расходомера, заключающемся в том, что один многофазный расходомер калибруют в большом количестве точек, каждый из серийно выпускаемых многофазных расходомеров калибруют в небольшом количестве точек, определяют различие между показаниями датчиков в данных точках и показаниями того многофазного расходомера, который калибровали в большом количестве точек при тех же комбинациях расходов, интерполируют различия и формируют калибровочные характеристики для конкретного многофазного расходомера в большом количестве точек используя калибровочную характеристику многофазного расходомера, который калибровали в большом количестве точек, и интерполированы значения различия.
Другой способ калибровки многофазного расходомера, заключающийся в том, что небольшое количество многофазных расходомеров калибруют в большом количестве точек, получают усредненную калибровочную характеристику многофазного расходомера путем усреднения показаний датчиков небольшого количества многофазных расходомеров, которые калибровали в большом количестве точек, каждый из серийно выпускаемых многофазных расходомеров калибруют в небольшом количестве точек, определяют различие между показаниями датчиков в данных точках и усредненными калибровочными характеристиками при тех же комбинациях расходов, интерполируют различие и формируют калибровочные характеристики для конкретного многофазного расходомера в большом количестве точек, используя усредненную калибровочную характеристику и интерполированные значения различия.
Кроме того, можно при получении усредненной калибровочной характеристики исключать показания датчиков, которые сильно отличаются от средних.
Способ осуществляют следующим образом.
Показания датчиков многофазного расходомера имеют сложную зависимость от расходов каждой из фаз, например, расходов жидкости и газа или в более сложном случае от обводненности нефти. Для учета всех этих особенностей необходимо калибровать систему в большом количестве точек или сочетаниях расходов каждых из измеряемых фаз.
С другой стороны, при серийном изготовлении многофазных расходомеров различия между каждым образцом будут небольшими. Данные различия отражают индивидуальные особенности каждого из датчиков, входящих в состав многофазного расходомера. Зависимость различий от расходов каждой из фаз много меньше, чем аналогичные зависимость показаний датчиков. Данная особенность позволяет калибровать и аппроксимировать различия при меньшем количестве комбинаций расходов, чем то количество, при котором калибровали систему в большом количестве точек.
Различие между показаниями можно выразить с помощью некоторых математических операций. В одних случаях это можно выразить как разность между показаниями датчиков калибруемой и эталонной системы.
Для других датчиков, таких как датчики скорости, различие можно выразить как отношение показаний или результат деления.
В некоторых случаях для таких датчиков, как датчики газосодержания, показания всегда лежат в ограниченном диапазоне, например между нулем и единицей. Здесь ни разность, ни отношение не могут адекватно отражать различие между образцами. Предлагается использовать функцию, которая отображает отрезок от нуля до единицы на интервал от нуля до бесконечности и в качестве различия использовать отношение этих функций.
Другим вариантом является использование функции, которая отображает отрезок в диапазоне от минус бесконечности до плюс бесконечность, а в качестве различия можно использовать разность этих функций.
Примерами таких функций являются:
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>π</mi></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- тангенс
и обратная ей x=artg(π·y)/π+1/2 или
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>t</mi><mi>h</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>x</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- гиперболический арктангенс
и обратная ей x=(th(2y)+1)/2.
Предлагаемые функции в средине диапазона имеют производную, равную 1.
1
2
Использование гиперболического арктангенса имеет то преимущество, что вблизи диапазона определения поведение этой функции близко к логарифмической. Следствием этого является то, что в области малых газосодержаний, близких к нулю, вычисление функции у, прибавление к ней некоторой константы и вычисление обратной функции равнозначно умножению самой величины на константу. В то же время вблизи единицы это будет равнозначно умножению на константу разности между единицей и величиной. В окрестностях величины / (диапазона измерения) процедура применения различий по этому алгоритму будет эквивалентна прибавлению небольшой величины.
Конкретный выбор способа математического описания для различия необходимо выбирать после экспериментального исследования, которое должно подтвердить адекватность примененного метода.
Главной идеей предлагаемого технического решения является то, что можно принять какой-либо из многофазных расходомеров за эталон, тщательно изучить зависимости показаний датчиков, входящих в состав этого многофазного расходомера, от расходов и впоследствии при серийном выпуске калибровать только различия конкретного многофазного расходомера и эталонного.
При этом возможны варианты в зависимости от того, какой многофазный расходомер принять за эталон.
В первом варианте один из многофазных расходомеров принимаем за эталон.
Во втором варианте тщательно изучаем несколько многофазных расходомеров и показания датчиков усредняем. Данный подход позволит повысить точность калибровки.
В третьем варианте сравниваем показания датчиков нескольких многофазных расходомеров и отбраковываем случайные выбросы, например по критерию Стьюдента. Данный вариант позволит исключить редкие ошибки.