способ контроля изменений уровней дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе, датчик акустический, эмиссионный резонансного типа для его реализации и способ калибровки этого датчика

Формула изобретения

1. Способ контроля изменений уровней дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе, заключающийся в приеме и преобразовании акустических сигналов, пропорциональных уровням дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке с помощью пьезодатчика, с последующей фильтрацией и детектированием выходных сигналов с пьезодатчика и дальнейшей их оцифровкой с помощью аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что для отдельных выборок сигнала по времени, полученных на одной или нескольких кратно-разнесенных рабочих частотах, из оцифрованных выборок сигнала строят распределения дискретизированных по времени точек этого сигнала по его величине с заданным шагом дискретизации, образующим шкалу уровней сигнала, затем определяют максимумы в построенных распределениях и от максимумов вверх по величине сигнала определяют крутизну спадов полученных распределений, и сравнивают ее с наперед заданными порогами крутизны спадов для различных компонент контролируемого потока, и по результатам сравнения диагностируют наличие твердых включений и капельной влаги в газовом потоке, при этом количественные значения уровней дебита твердых включений и капельной влаги в контролируемом потоке, а также влияние внешних воздействий на трубопровод определяют по положению максимумов построенных распределений на шкале уровней сигнала при использовании градуировочных зависимостей, предварительно полученных при метрологических испытаниях трубопроводов однотипной конфигурации в натурных условиях, при этом в качестве пьезодатчика используют датчик акустический, эмиссионный резонансного типа, выполненный с возможностью проведения периодической внутренней калибровки в процессе измерений в натурных условиях.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пьезодатчика эмиссионного резонансного типа используют пьезодатчик с двумя или более резонансными полосами, разнесенными по частоте не менее чем на одну октаву.

3. Датчик акустический, эмиссионный резонансного типа, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, при этом приемник контактирует с пьезоэлементом, отличающийся тем, что дополнительно содержит юстировочное устройство, установленное со свободной стороны пьезоэлемента, и пружину, установленную за юстировочным устройством, а также акустический излучатель с электродами, а крепежное устройство выполнено в виде двух прижимных гаек, причем приемник выполнен раздельно от корпуса в виде цилиндра с плоской и выпуклой торцевыми поверхностями, а юстировочное устройство в виде скользящей пары, включающей последовательно расположенные плосковыпуклую металлическую линзу и контактирующую с ней коническую втулку со сферической боковой поверхностью, при этом плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом, а ее выпуклая поверхность, выполненная сферической, контактирует с конической поверхностью втулки, причем в плосковыпуклой металлической линзе выполнена полость, в которой установлен акустический излучатель, при этом первая прижимная гайка установлена со стороны выпуклой торцевой поверхности цилиндрического приемника, а вторая - со стороны пружины.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что дополнительно содержит две электроизолирующие прокладки, расположенные с двух сторон пьезоэлемента, причем приемник контактирует с пьезоэлементом через первую электроизолирующую прокладку, а плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом через вторую электроизолирующую прокладку.

5. Датчик по п.3, отличающийся тем, что приемник выполнен акустически развязанным от корпуса с помощью выступа, распложенного на середине его цилиндрической поверхности, а первая прижимная гайка контактирует с наружной поверхностью выступа.

6. Датчик по п.3, отличающийся тем, что между плоской поверхностью цилиндрического приемника и пьезоэлементом установлена прокладка из золотой фольги.

7. Датчик по п.3, отличающийся тем, что между пружиной и второй прижимной гайкой установлена первая регулировочная прокладка.

8. Датчик по п.3, отличающийся тем, что между корпусом и второй прижимной гайкой установлена вторая регулировочная прокладка.

9. Датчик по п.3, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен составным из нескольких пьезопластин.

10. Датчик по п.3, отличающийся тем, что дополнительно содержит электродную панель, установленную на торцевой поверхности второй прижимной гайки и закрепленную с помощью винтов.

11. Датчик по п.10, отличающийся тем, что дополнительно содержит акустический излучатель, установленный напротив пьезоэлемента, и четырехпроводный выводной кабель, соединяющий электроды пьезоэлемента и акустического излучателя с электродами на электродной панели.

12. Датчик по п.11, отличающийся тем, что в плосковыпуклой металлической линзе выполнено осевое отверстие, в котором размещен акустический излучатель в виде пьезоэлемента, частота резонансов которого не менее чем в три раза превышает резонансные частоты приемного пьезоэлемента.

13. Датчик по п.11, отличающийся тем, что дополнительно содержит экранирующий колпак с выводным отверстием для кабеля, закрепленный на корпусе с помощью резьбового соединения.

14. Способ калибровки датчика акустического, эмиссионного резонансного типа, заключающийся в последовательном воздействии на калибруемый датчик гармоническими входными сигналами постоянной амплитуды, но различных частот, расположенных в пределах полосы пропускания калибруемого датчика, с помощью вспомогательного акустического излучателя и измерении величин выходных сигналов с датчика для каждого подаваемого входного сигнала, с последующим определением передаточной функции калибруемого датчика, отличающийся тем, что на калибруемый датчик последовательно воздействуют гармоническими входными акустическими сигналами постоянной величины, но различных частот, следующих через десятую часть его полосы пропускания, при этом суммируют полученные в пределах полосы пропускания десять величин выходных сигналов, а полученную сумму сравнивают с интегральным значением выходных сигналов в пределах полосы пропускания, полученным ранее при градуировке датчика перед его эксплуатацией, и полученную в результате сравнения разность сравнивают с наперед заданным пороговым значением, при этом при значении полученной разности ниже порогового значения считают проведенную калибровку датчика состоявшейся, а при значении разности выше порогового значения проведенную калибровку считают несостоявшейся.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области газодобывающей промышленности и могут быть совместно использованы для измерений расходов и количеств различных компонент взвесенесущего газового потока в эксплуатационных условиях газовых скважин.

Известен способ контроля изменений уровней дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе, реализуемый в устройстве, аналогичного назначения [патент на изобретение RU 2154162, кл. E21B 47/10, G01F 1/74, 2000].

Данный способ принят за прототип способа контроля изменений уровней дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе и заключается в приеме и преобразовании акустических сигналов, несущих информацию об уровнях дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке с помощью пьезодатчика, с последующей фильтрацией и детектированием выходных сигналов с пьезодатчика и дальнейшей их оцифровкой с помощью аналого-цифрового преобразователя.

Известен датчик акустический (ДА) эмиссионный резонансного типа для реализации описанного выше способа, принятый за прототип [Проспект фирмы «Брюль и Кьер». Резонансные датчики 8313 или 8314].

Известный ДА, эмиссионный резонансного типа, содержит корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, при этом приемник контактирует с пьезоэлементом.

Известен способ калибровки ДА, принятый за прототип и заключающийся в последовательном воздействии на калибруемый датчик гармоническими входными акустическими сигналами постоянной амплитуды, но различных частот, расположенных в пределах резонансной полосы калибруемого ДА с помощью вспомогательного акустического излучателя и измерении величин выходных сигналов с датчика для каждого подаваемого входного сигнала, с последующим определением передаточной функции калибруемого ДА [А.Е. Колесников. «Акустические измерения», Л. «Судостроение», 1983, стр.87-97].

Недостатком известного способа контроля является сложность его практической реализации в натурных условиях, связанная с большим потреблением электроэнергии (более 10 Вт), а также необходимость использования при реализации данного способа сужающего устройства, в трубопроводе ограничивающего режим работы скважины. Для таких удаленных объектов как газовые скважины вопросы сбережения затрачиваемых энергоресурсов и ограничения режимов работы самой скважины весьма актуальны.

Недостатком известного ДА является его низкая чувствительность, также влияющая в конечном итоге на уровень сложности обработки сигнала, а значит и потребления электроэнергии при реализации известного способа контроля.

Недостатком известного способа калибровки является ограниченность его применения лабораторными или заводскими условиями. Невозможность применения известного способа калибровки в натурных условиях снижает достоверность получаемых результатов. Ведет к необходимости увеличения количества измерений для повышения достоверности получаемых результатов, что в конечном итоге также приводит к увеличению уровня потребления электроэнергии.

Техническим результатом, получаемым от внедрения способа контроля, является упрощение его практической реализации в натурных условиях за счет снижения потребляемой энергии в процессе обработки сигналов и снятия ограничения расхода газа сужающим устройством, применяемым в прототипе, а также за счет повышения его защищенности от внешних помех на открытых участках трубопровода (пурга, поземка, дождь).

Поставленный технический результат в части ДА достигается за счет увеличения его чувствительности и достоверности получаемой информации, обеспечиваемой встроенным калибровочным излучателем.

В части способа калибровки ДА данный технический результат достигается за счет получения возможности самокалибровки ДА в натурных условиях непосредственно в процессе проведения измерений.

Поставленный технический результат достигают за счет того, что в известном способе контроля, заключающемся в приеме и преобразовании акустических сигналов, пропорциональных уровням дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке с помощью пьезодатчика, с последующей фильтрацией и детектированием выходных сигналов с пьезодатчика и дальнейшей их оцифровкой с помощью аналого-цифрового преобразователя, для отдельных выборок сигнала по времени, полученных на одной или нескольких кратно-разнесенных рабочих частотах, из полученных оцифрованных выборок сигнала строят распределения дискретизированных по времени точек этого сигнала по его величине с заданным шагом дискретизации, образующим шкалу уровней сигнала, затем определяют максимумы в построенных распределениях и от максимумов вверх по величине сигнала определяют крутизну спадов полученных распределений и сравнивают ее с наперед заданными порогами крутизны спадов для различных компонент контролируемого потока и по результатам сравнения диагностируют наличие твердых включений и капельной влаги в газовом потоке, при этом количественные значения уровней дебита твердых включений и капельной влаги в контролируемом потоке, а также влияние внешних воздействий на трубопровод определяют по положению максимумов построенных распределений на шкале уровней сигнала, при использовании градуировочных зависимостей, предварительно полученных при метрологических испытаниях трубопроводов однотипной конфигурации в натурных условиях.

В качестве пьезодатчика используют пьезодатчик прижимного типа.

В качестве пьезодатчика прижимного типа используют пьезодатчик эмиссионный резонансного типа.

В качестве пьезодатчика эмиссионного резонансного типа используют пьезодатчик с двумя или более резонансными полосами, разнесенными по частоте не менее чем на одну октаву.

Поставленный технический результат в части ДА достигается за счет того, что известный ДА, содержащий корпус, пьезоэлемент с электродами, приемник и крепежное устройство, при этом приемник контактирует с пьезоэлементом, дополнительно содержит юстировочное устройство, установленное со свободной стороны пьезоэлемента, и пружину, установленную за котировочным устройством, а также акустический излучатель с электродами, а крепежное устройство выполнено в виде двух прижимных гаек, причем приемник выполнен раздельным с корпусом в виде цилиндра с плоской и выпуклой торцевыми поверхностями, а юстировочное устройство - в виде скользящей пары, включающей последовательно расположенные плосковыпуклую металлическую линзу и контактирующую с ней коническую втулку со сферической боковой поверхностью, при этом плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом, а ее выпуклая поверхность, выполненная сферической, контактирует с конической поверхностью втулки, причем в плоско-выпуклой металлической линзе выполнена полость, в которой установлен акустический излучатель, причем первая прижимная гайка установлена со стороны выпуклой торцевой поверхности цилиндрического приемника, а вторая - со стороны пружины.

ДА дополнительно содержит две электроизолирующие прокладки, расположенные с двух сторон пьезоэлемента, причем приемник контактирует с пьезоэлементом через первую электроизолирующую прокладку, а плоская поверхность металлической линзы контактирует с пьезоэлементом через вторую электроизолирующую прокладку.

Приемник выполнен акустически развязанным от корпуса выступом, распложенным на середине его цилиндрической поверхности, а первая прижимная гайка контактирует с наружной поверхностью выступа.

Между плоской поверхностью цилиндрического приемника и пьезоэлементом установлена прокладка из золотой фольги.

Между пружиной и второй прижимной гайкой установлена первая регулировочная прокладка.

Между корпусом и второй прижимной гайкой установлена вторая регулировочная прокладка.

Пьезоэлемент выполнен составным из нескольких пьезопластин.

ДА дополнительно содержит электродную панель, установленную на торцевой поверхности второй прижимной гайки и закрепленную с помощью винтов.

ДА дополнительно содержит акустический излучатель, установленный напротив пьезоэлемента, и четырехпроводный выводной кабель, соединяющий электроды пьезоэлемента и акустического излучателя с электродами на электродной панели.

В плосковыпуклой металлической линзе выполнено осевое отверстие, в котором размещен акустический излучатель в виде пьезоэлемента, частота резонансов которого не менее чем в три раза превышает резонансные частоты приемного пьезоэлемента.

ДА дополнительно содержит экранирующий колпак с выводным отверстием для кабеля, закрепленный на корпусе с помощью резьбового соединения.

Поставленный технический результат в части способа калибровки ДА достигается за счет того, что в известном способе калибровки ДА, заключающемся в последовательном воздействии на калибруемый датчик гармоническими входными акустическими сигналами постоянной величины, но различных частот, расположенных в пределах полосы пропускания калибруемого датчика, с помощью вспомогательного акустического излучателя и измерении величин выходных сигналов с датчика для каждого подаваемого входного сигнала, с последующим определением передаточной функции калибруемого датчика, на калибруемый датчик последовательно воздействуют гармоническими входными акустическими сигналами постоянной величины, но различных частот, следующих через десятую часть его полосы пропускания, при этом суммируют полученные в пределах этой полосы десять величин выходных сигналов, а полученную сумму сравнивают с интегральным значением выходных сигналов в пределах полосы пропускания ДА, полученной ранее при градуировке датчика перед его эксплуатацией, а полученную в результате сравнения разность сравнивают с наперед заданными пороговым значением, при этом при значении полученной разности ниже порогового значения считают проведенную калибровку датчика состоявшейся, а при значении разности выше порогового значения проведенную калибровку считают несостоявшейся.

Все три технических решения связаны единым изобретательским замыслом, поскольку для практической реализации способа контроля с получением поставленного технического результата необходим высокочувствительный ДА с внутренней калибровкой (самокалибровкой), позволяющей проводить периодический контроль метрологических характеристик ДА непосредственно в процессе измерений в натурных условиях.

Изобретения поясняются чертежами. На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг.2 - схема ДА эмиссионного резонансного типа; на фиг.3 и фиг.4 - диаграммы, поясняющие существо способа контроля и способа самокалибровки.

Устройство для реализации способа (фиг.1) содержит прижатый к трубопроводу 1 прижимной ДА 2 эмиссионный резонансного типа с двумя или более резонансными полосами, разнесенными по частоте не менее чем на одну октаву.

Имеется также блок 3 обработки, включающий в себя последовательно соединенные входной усилитель 4, узкополосный фильтр 5 с низкочастотным детектором, АЦП 6, амплитудный дискриминатор и анализатор на основе микроконтроллера 7.

ДА для реализации способа содержит корпус 8 (фиг.2) и последовательно расположенные в нем цилиндрический приемник 9, электроизолирующую прокладку 10, пьезоэлемент 11 с электродами, выполненный, например, составным из двух пьезопластин, электроизолирующую прокладку 12, юстировочное устройство, выполненное в виде скользящей пары (плосковыпуклой металлической линзы 13 и конической втулки 14 со сферической боковой поверхностью) и пружину 15.

При этом приемник выполнен с выступом 16, расположенным на середине его цилиндрической поверхности. Наружная торцевая поверхность приемника 9 выполнена выпуклой, а внутренняя - плоской.

ДА также содержит крепежное устройство, выполненное в виде прижимных гаек 17, 18.

Между плоским основанием приемника 9 и электроизолирующей прокладкой 10 установлена прокладка 19 из фольги пластичного некорродирующего металла (например, золота).

Между пружиной 15 и прижимной гайкой 18 установлена регулировочная прокладка 20.

Между корпусом 8 и прижимной гайкой 18 установлена регулировочная прокладка 21.

В плосковыпуклой металлической линзе 13 выполнена полость (не оцифрована, см. вид А фиг.2), в которой установлен акустический излучатель в виде пьезоэлемента 22 с электродами. Частота резонансов пьезоэлемента 22 не менее чем в три раза превышает резонансные частоты приемного пьезоэлемента 11.

Имеется также электродная панель 23, установленная на торцевой поверхности прижимной гайки 18 и закрепленная на ней с помощью винтов 24. При этом электроды пьезоэлементов 11 и 22 выведены на электроды 25 электродной панели 23 с помощью изолированных проводников 26.

ДА также включает в себя экранирующий колпак 27, закрепленный на корпусе 8 с помощью резьбового соединения, и выводной кабель 28, контактирующий с электродами 25 на электродной панели.

Электроизолирующие прокладки 10, 12 выполнены из плавленного кварца.

Корпус 8 имеет выступ 29 и резьбу 30 для фиксации ДА на контролируемом объекте.

Способ контроля изменений уровней дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке в трубопроводе реализуется следующим образом.

Перед началом использования настраивают ДА на наибольшую чувствительность. Для этого путем изменения диаметра и (или) длины приемника 9 (фиг.2) добиваются совпадения резонансных радиальных и (или) продольных колебаний приемника 9 и пьезоэлемента 11.

Юстировка равномерности поджатия пьезоэлемента 11 по плоскости приемника 9 осуществляется автоматически в процессе сборки ДА юстировочным устройством в виде скользящей пары - плосковыпуклой металлической линзы 13 и конической втулки 14 со сферической боковой поверхностью, которая позволяет ей свободно вращаться в корпусе 8.

Сила поджатия пружиной 15 пьезоэлемента 11 к приемнику 9 регулируется прокладками 20 и 21.

Для удобства сборки ДА корпус 8 выполняют из двух частей, скрепляемых резьбовым соединением (на фиг.2 не оцифровано).

После изготовления и градуировки ДА с блоком 3 обработки ДА устанавливается на исследуемый трубопровод 1. Акустический фон стенки трубопровода 1 преобразуется пьезодатчиком 2 (фиг.1) в переменный электрический сигнал, поступающий на блок обработки 3, в котором усиливается усилителем 4 и передается на узкополосный фильтр 5. Последний из всего спектра акустического фона выделяет сигнал от ударов твердых включений и выбросов капельной влаги в полосе резонанса чувствительности пьезодатчика 2. При этом полоса пропускания фильтра 5, задающая полосу пропускания ДА, не должна превышать полуширины выбранной полосы резонанса чувствительности пьезодатчика 2 с целью отстройки от низкочастотного фона газового потока.

Отфильтрованный и продетектированный фильтром 5 сигнал в виде огибающей выходного сигнала с пьезодатчика 2 оцифровывается АЦП 6 и затем поступает в амплитудный дискриминатор с пороговым анализатором, выполненным на основе микроконтроллера 7.

Микроконтроллер 7 по заданным алгоритмам строит из оцифрованных выборок сигнала распределения числа точек по величине сигнала с заданным дискретным шагом, образующим уровни сигнала (фиг.3).

В построенных распределениях находят максимумы и вверх от них по величине сигнала определяют крутизну спадов, полученных кривых распределений, позволяющую определить наличие различных компонент газового потока.

Затем проводят сравнительный анализ крутизны спадов полученных кривых распределений с наперед заданными пороговыми значениями крутизны спадов для различных компонент контролируемого потока. И по результатам сравнения диагностируют (определяют) потоки твердых включений или капельной влаги в момент их выбросов. При этом величину дебита выброса определяют по положению максимума на шкале уровней сигнала, которое включается в расчетную эмпирическую формулу, привязанную к результатам градуировки ДА.

Так на фиг.3 в результате перечисленных операций кривые распределений (а) и (б) можно отнести к проявлению твердой фазы в потоке газа, а кривые (в) и (г) - к выбросам капельной влаги. Одновременный контроль распределений на двух или более кратных частотах позволяет отличить более упругие удары твердых частиц в потоке газа от менее упругих ударов внешних воздействий на трубопровод.

Количественные значения уровней дебита твердых включений и капельной влаги в газовом потоке получают по градуировочным зависимостям, прилагаемым к каждому ДА при его метрологической аттестации.

Поскольку ДА работает в тяжелых условиях эксплуатации газовой скважины, предусмотрена периодическая (например, через каждые десять измерений) самокалибровка аппаратуры на ее штатном месте.

Для этого микроконтроллер 7 по заданному алгоритму периодически включает на акустический излучатель, выполненный в виде пьезоэлемента 22, гармонические калибровочные сигналы заданной величины, последовательно изменяя частоту последних в пределах полосы пропускания ДА. Пьезоэлемент 11 откликается выходным сигналом на подаваемые на него калибровочные акустические сигналы. По уровням отклика определяют передаточную функцию калибруемого ДА (фиг.4) и сравнивают ее с передаточной функцией, полученной ранее при градуировке (на фиг.4 не показана).

Поскольку акустический излучатель выполнен в виде пьезоэлемента 22, частота резонансов которого не менее чем в три раза превышает резонансные частоты приемного пьезоэлемента 11, то калибровка ДА получается однозначной.

Особенностью проведенной самокалибровки является то, что она проводится в пределах резонансной полосы ДА, набранной многочисленными более узкими резонансными модами. В связи с чем калибровка проводится через десятую часть полосы пропускания испытуемого ДА при постоянном контроле интегральных характеристик датчика.

Для реализации способа калибровки на ДА последовательно воздействуют гармоническими входными акустическими сигналами постоянной амплитуды, но различных частот, следующих через десятую часть полосы пропускания датчика. Затем определяют выходные сигналы ДА, как отклики на подаваемые сигналы. После чего суммируют полученные в пределах полосы пропускания ДА десять величин зарегистрированных выходных сигналов (откликов) испытуемого датчика. Как показывает практика, разбиение полосы пропускания на десять интервалов достаточно для получения приемлемой точности калибровки.

Полученную сумму сравнивают с интегральным значением выходных сигналов в пределах полосы пропускания ДА, полученной ранее при градуировке датчика, проводимой перед его эксплуатацией.

Полученную в результате калибровки разность сравнивают с наперед заданным пороговым значением.

Величину порогового значения задают исходя из допустимой погрешности самокалибровки.

При значении полученной разности ниже порогового значения считают проведенную самокалибровку датчика состоявшейся.

При значении разности выше порогового значения проведенную самокалибровку считают несостоявшейся. При этом ДА выводится из эксплуатации и проходит дополнительные стендовые испытания.

После получения результатов состоявшейся самокалибровки ДА продолжает рабочие измерения.

Таким образом, все три объекта изобретения позволяют упростить техническую реализацию способа и снизить энергопотребление при практической реализации способа в натурных условиях эксплуатации газовых скважин и повысить устойчивость к воздействию внешних помех.

В способе контроля поставленный технический результат достигается за счет использования новых путей и принципов обработки выходных сигналов; в ДА - за счет повышения чувствительности измерительной аппаратуры и его надежности; в способе калибровки - за счет проведения периодической самокалибровки ДА в натурных условиях и оперативного контроля достоверности его показаний.