УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
APPARATUS AND METHOD OF MEASURING LEVEL OF LIQUID

Изобретения относятся к акустическим методам измерения и контроля и могут быть использованы 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 маломобильно 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, однако достоверный подсчет количества стыков по отражениям оказывается трудно реализуемым. 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 предлагаемому изобретению лишено указанных недостатков.
Акустический уровнемер содержит последовательно соединенные микропроцессор, генератор импульсов, акустический преобразователь и блок регистрации, соединенный с микропроцессором. Уровнемер также снабжен модемом, соединенным с выходом блока регистрации и с микропроцессором. Акустический преобразователь состоит из излучателя и трех приемников - двух калибровочных и одного измерительного. Каждый из приемников соединен с блоком регистрации через отдельный усилитель.
Калибровочные приемники располагаются в крайних точках калибровочного зонда, выполненного в виде протяженной штанги определенной длины, которая при измерениях спускается на глубину температурной стабилизации в скважине.
Необходимость и цель введения дополнительно калибровочных приемников 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 двух калибровочных приемников, удаленных от излучателя, устраняет проблему «глухой зоны», позволяет свести к минимуму температурную погрешность измерения скорости, а также снижает нижний предел измерения до минимально возможного и равного расстоянию до калибровочного зонда.
Потребность в использовании двух калибровочных приемников вызвана тем, что с одним приемником для калибровки будут использоваться характеристики, замеренные на участке между излучателем (на поверхности) и калибровочным приемником, опущенным на некоторую глубину. Однако именно на этом участке характеристики среды распространения звука нестабильны, например, суточные колебания температуры вблизи устья скважины. Надежность и точность калибровки заметно улучшаются, если замеры проводить на участке ниже уровня температурной стабилизации суточного периода, то есть начиная с глубины 6 м от уровня земли.
Применение двух калибровочных приемников дает возможность производить измерения в скважинах без использования отражений от стыков труб, но с измерением скорости звука в процессе текущего замера, что обеспечивает высокую точность измерения глубины уровня. Разделение излучателя и приемников в акустическом преобразователе позволяет расширить диапазон измерений за счет значительного уменьшения «глухой зоны». 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, 3.2в - верхний калибровочный приемник, 3.2н - нижний калибровочный приемник, 3.3 - измерительный приемник, 3.4 - усилитель измерительного приемника, 3.5 - усилители калибровочных приемников, 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 трех приемников с усилителями и присоединяется к устройству через разъем.
Излучатель 3.1 предназначен для преобразования электрического сигнала в акустический.
Калибровочные приемники 3.2в и 3.2н, а также 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 тремя приемниками: двумя калибровочными 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.
1
2
R
Калибровочные приемники 3.2в и 3.2н, спущенные в трубное пространство на фиксированные глубины R и R соответственно, предназначены для измерения времени ΔT прохождения акустического импульса между самими калибровочными приемниками.
R
2
1
L
Таким образом, при прохождении по трубе акустического импульса в реальном масштабе времени при помощи калибровочных приемников определяется скорость распространения импульса V=ΔR/ΔT (где ΔR=R-R) и после определения скорости фиксируется время эхо-сигнала от границы газ/жидкость и вычисляется глубина уровня L=V×T/2.
Осциллограммы работы измерительного и калибровочных приемников приведены на Фиг.2, где вертикальная линия Т соответствует нулевой точке отсчета времени.
При этом одновременно вычисляется 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).