Методы и средства улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти Самигуллин Рустем Разяпович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Самигуллин Рустем Разяпович. Методы и средства улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13 Казань, 2005 180 с. РГБ ОД, 61:06-5/1711

Содержание к диссертации

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СЕПАРАЦИОННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ДАТЧИКИ ОБВОДНЕННОСТИ
НЕФТИ 24

1.1. Место микроволновых датчиков контроля обводненности сырой нефти в общей
классификации сепарационных измерительных приборов указанного класса 26

1.1.1. Сепарационные датчики контроля обводненности сырой нефти 26

1.2.1. Подсистема забора и подготовки проб 28

1.3.1. Подсистема сепарации 30

1,4,1. Подсистема количественного анализа 34

1.5.1. Преимущества и недостатки сепарационных микроволновых датчиков 36

1.2. Основные источники погрешностей измерений сепарационных микроволновых
датчиков обводненности СН 39

Погрешности забора проб 39
Погрешности микроволновой сепарации 41
Погрешности метода видеоизмерений 44
Комбинированные погрешности, вызванные особенностями 46

физико-химического состава компонент СН 46

1.2.5. Выводы по разделу 47

Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева для замкнутого объема , 48
Анализ особенностей формирования оптического канала видеоизмерений 53
Выводы по главе. Постановка задач исследований 58

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

МИКРОВОЛНОВОЙ СЕПАРАЦИИ СЫРОЙ НЕФТИ В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ 61

Математическое моделирование процесса сепарации сырой нефти в замкнутом контрольном объеме цилиндрической формы (трехмерная модель) 62
Математическое моделирование процесса сепарации сырой нефти в замкнутом контрольном объеме коаксиальной формы (трехмерная модель) 16
Метод контроля обводненности СН на базе микроволновой сепарации ее компонент и видеоизмерения их количественных соотношений 89
Физическое моделирование процесса сепарации СН в замкнутых коїггрольньїх резервуарах цилиндрической и коаксиальной форм 108
Обсуждение полученных результатов 109

2.6. Выводы по главе 111

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ВИДЕОИЗМЕРЕНИИ МЕТОДА
КОНТРОЛЯ СН НА БАЗЕ МИКРОВОЛНОВОЙ СЕПАРАЦИИ ЕЕ КОМПОНЕНТ И
ВИДЕОИЗМЕРЕНИЯ ИХ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ СООТНОШЕНИЙ 112

Анализ погрешностей метода видеоизмерений 113
Подсистема формирования видеоизображения датчиков обводненности сырой нефти. 120
Устройство сжатия и передачи данных видеоизмерений датчика микроволной сепарации 126
Компьютерное моделирование устройства сжатия и передачи данных видеоизмерений датчика микроволной сепарации 138
Выводы по главе 142

ГЛАВА 4. Сепарационные микроволновые датчики с замкнутым контрольным объемом
коаксиальной формы и распределенными осветителями 144

4.1. Датчик обводненности нефти ДОН-М-2450 145

Назначение и конструкция датчика ДОН-М-2450 145
Результаты внедрения датчика ДОН-М-2450 148
Выводы по разделу , 152

4.2. Датчик обводненности нефти ДОН-М-915 152

Назначение и конструкция датчика ДОН-М-915 152
Результаты внедрения датчика ДОН-М-915 155
Выводы по разделу 159

4.3. Выводы по главе 160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 163

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИИ И ОБОЗНАЧЕНИИ

АИА - автоматизированная измерительная аппаратура;

АСУ ТП - автоматизированная система управления технологаческим

процессом;

СН — сырая нефть;

ГЗУ - групповая замерная установка;

ДН - добыча нефти;

ДНС — дожимная насосная станция;

ДП — диспетчерский пункт;

ДФ - дисперсная фаза;

МВТ - микроволновые технологии;

НГДК - нефтегазодобывающая компания;

НГДУ — нефтегазодобывающее управление;

ПАВ - поверхностно-активные вещества;

СКВ -скважина;

УПСК - установка определения процентного соотношения компонент

СН;

ЦДНГ - цех добычи нефти и газа;

ЦППН - цех подготовки и перекачки нефти;

ЭМВ - электромагнитные волны;

ЭМП — электромагнитное поле;

СТЗ - система технического зрения.

Введение к работе

Актуальность. Исследование эмульсий органических соединений — наиболее часто встречающаяся задача органического анализа, так как подавляющее большинство объектов исследования в лабораторной практике — природные и биологические объекты, сырье и продукты химических производств — представляют собой эмульсии. Наиболее сложными (как по составу, так и по строению компонентов) являются эмульсии нефтяного происхождения, и, в частности, сырая нефть (СН).

Исторически сложившийся подход к исследованию компонентного состава СН предполагает использование прямых физических методов и разделение задачи на два этапа: сначала определяют число образующих эмульсию компонент и идентифицируют их, устанавливая качественный состав эмульсии; затем, исходя из некоторых характеристик идентифицированных в эмульсии компонент, рассчитывают количественные соотношения между ними. Для качественного анализа эмульсий предусматривается физическое разделение (сепарация) их на составляющие и доказательство индивидуальности полученных компонент. Для количественного анализа используют расчетные методики, полученные на основе или физического моделирования эмульсий из идентифицированных в эмульсии компонент, или математического моделирования с привлечением библиотечных данных и эмпирических закономерностей, обосновывающих правомерность использования такой модели. Расчетную методику можно рассматривать как некоторое решающее правило, согласно которому экспериментально наблюдаемая интенсивность аналитических признаков соотносится с концентрациями компонент в исследуемой эмульсии. При этом, как правило, принято рассматривать эмульсии, для которых интенсивность сигнала пропорциональна содержанию соответствующей компоненты, а взаимодействием между компонентами можно пренебречь.

По данным научно-технической литературы была определена высокая значимость использования сепарационных датчиков (СД) в системе мониторинга обводненности СН, применяемой в технологическом процессе добычи товарной нефти. Большой объем информации по данной проблеме содержится в трудах В.Л. Белякова, Г.Ф. Большакова, В.И. Логинова, C.S. Fang, W.J. Klaila, N.O. Wolf и др. Широко внедрены в практику лабораторных исследований СД на основе центрифуг и приборов Дина-Старка. На сегодняшний день приоритетным направлением развития СД является использование микроволновой сепарации СН на компоненты. Датчики, использующие микроволновую сепарацию, обладают высокой оперативностью (до 5-15 минут на сепарацию представительной пробы в 0,5-1 л), обеспечивают сепарацию проб различной обводненности (от 1 до 99%), а при использовании метода видеоизмерений уровня заполнения контрольного резервуара и количественного соотношения полученных компонент обеспечивают возможность 100%-й автоматизации процесса мониторинга обводненности СН.

Однако обеспечение высоких метрологических характеристик датчиков, построенных на основе микроволновой сепарации СН и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент, не всегда реализуемо, что объясняется рядом причин.

Среди них: сложный химический состав СН, наличие в СН окклюдированного газа, физические особенности образования сил поверхностного натяжения и межфазного взаимодействия жидкостей, входящих в состав СН, эффект смачиваемости стенок стеклянного сепарационного объема, особенности оптических характеристик СН и т.д. Указанные выше факторы приводят к снижению качества микроволновой сепарации, формированию сложных границ межфазного раздела, появлению бликов и зон «ложной» яркости на сформированном изображении разделенных компонент, что оказывает существенно негативное влияние на точность проводимых измерений используемых для этих целей датчиков контроля обводненности СН.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность разработки методов и средств повышения качества микроволновой сепарации и формирования видеоизображения полученных компонент для совершенствования метрологических характеристик СД контроля обводненности СН указанного класса.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой задачи. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы» и программы «Развитие приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001 — 2005 годы» фонда НИОКР Республики Татарстан, выполняемых научно-исследовательским центром прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ).

Цель работы состоит в решении важной научно-технической задачи улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент.

Основная задача научных исследований - разработка практических методов анализа и синтеза подсистем микроволновой сепарации сырой нефти, формирования видеоизображений полученных компонент и их обработки для улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти указанного класса.

Решаемые задачи:

Сравнительный анализ характеристик сепарационных датчиков контроля обводненности сырой нефти; выявление резервов для улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и вилеоизмеоения количественного соотношения ПОЛУЧЕН'... компонент: определение на этой основе направлений дальнейших научных исследований.

Анализ подсистемы микроволновой сепарации и разработка сепарационных объемов коаксиальной формы для ее усовершенствования; разработка математических моделей воздействия микроволнового поля на сырую нефть в замкнутом объеме с учетом ее случайного компонентного состава и сравнительный анализ эффективности использования сепарационных объемов цилиндрической и коаксиальной форм; определение оптимальных режимов обработки сырой нефти в сепарационном объеме коаксиальной формы по критерию максимума коэффициента сепарации компонент сырой нефти на нефть и воду и их экспериментальная верификация.

Анализ основных составляющих погрешностей видеоизмерений количественного соотношения полученных компонент сырой нефти; разработка методов и средств уменьшения погрешностей видеоизмерений на основе совершенствования структуры подсистемы формирования изображений и повышения эффективности обработки последних с учетом использования сепарационного объема коаксиальной формы.

Проектирование и создание на базе разработанных методов и средств, сепарационных датчиков контроля обводненности сырой нефти с улучшенными метрологическими характеристиками; внедрение усовершенствованных датчиков и отдельных программно-аппаратных средств, полученных при их разработке, для повышения эффективности мониторинга обводненности сырой нефти в целом.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

В процессе выполнения работы на различных ее этапах использовались эмпирические и теоретические методы исследований: математическое моделирование, математическая лингвистика, методы математической физики, вероятностные методы и статистическая обработка экспериментальных результатов.

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук; корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, результатами исследований других авторов, а также с результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями и полезными моделями, защищенными патентами РФ.

Научная новизна:

Проведен сравнительный анализ существующих и перспективных сепарационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефти; определены пути улучшения метрологических характеристик сепарационных датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерений количественного соотношения полученных компонент.

Проведен анализ подсистемы микроволновой сепарации датчиков контроля обводненности сырой нефти, для улучшения качества которой предложено использование сепарационного объема коаксиальной формы; разработаны математические модели воздействия микроволнового ЭМП на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» для ограниченных объемов цилиндрической и коаксиальной форм; экспериментально определены оптимальные режимы обработки сырой нефти по критерию максимума ее коэффициента сепарации на компоненты для сепарационного объема коаксиальной формы.

Проведен анализ основных погрешностей канала видеоизмерений датчиков контроля обводненности сырой нефти и предложены методы для их снижения на основе дополнительного анализа межфазного слоя, структурированного подсвета пробы сырой нефти внутри сепарационного объема коаксиальной формы, программно-градиентного кодирования и декодирования видеоизображений; получены теоретические соотношения для определения выигрыша по точности измерений, подтвержденные экспериментально.

На базе проведенных исследований разработаны датчики контроля обводненности сырой нефти, обеспечивающие более высокие точность и эффективность определения количественных соотношений ее компонент по сравнению с существующими; разработаны рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях иерархии нефтегазодобывающего управления (НГДУ).

Результаты сравнительного анализа существующих и перспективных сепарационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефти; рекомендации по выбору путей улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерении количественного соотношения полученных компонент.

Метод формирования сепарационного объема датчиков на основе коаксиальных цилиндров; математические модели воздействия микроволнового электромагнитного поля на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» в ограниченных объемах цилиндрической и коаксиальной форм; результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению оптимальных режимов обработки сырой нефти по критерию максимума ее коэффициента сепарации на компоненты для сепарационного объема коаксиальной формы.

Результаты анализа основных погрешностей канала видеоизмерений и методы для их снижения на основе дополнительного анализа межфазного слоя, структурированного подсвета объекта измерения внутри сепарационного объема коаксиальной формы; рекомендации по повышению точности и эффективности определения количественных соотношений сырой нефти, основанные на использовании программно-градиентного метода кодирования и декодирования видеоизображений;

Результаты внедрения датчиков контроля обводненности сырой нефти, обладающих более высокими точностью и эффективностью определения количественных соотношений компонент по сравнению с существующими и обеспечивающих повышение эффективности мониторинга обводненности сырой нефти в целом; рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях иерархии НГДУ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 103 наименования, и 2 приложений (приложение № 2 размещается на CD-ROM диске). Работа без приложений изложена на 173 страницах машинописного текста, включая 81 рисунок и 6 таблиц.

Практическая ценность работы. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, убедительно доказывает возможность модернизации и усовершенствования автоматизированной измерительной аппаратуры контроля обводненности сырой нефти на основе ее микроволновой сепарации и видеоизмерений количественного соотношения полученных компонент. Подтверждением этому являются разработанные стационарные модули ДОН-М-915 и ДОН-М-2450 и их модификации для мобильного использования. При этом достигается увеличение скорости микроволновой сепарации на 20%, качества микроволновой сепарации на 15%, точности определения границ сепарированной нефти на 30%, оперативности анализа на 25%. Основные положения, выносимые на защиту: Результаты сравнительного анализа существующих и перспективных сепарационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефти; рекомендации по выбору путей улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерении количественного соотношения полученных компонент.

Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки и техники Республики Татарстан, академику Татарстанского отделения Академии проблем качества РФ, директору Научно-исследовательского центра прикладной электродинамики КГТУ им, А. Н. Туполева (КАИ), профессору кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем КГТУ им. А. Н. Туполева (КАИ), д.т.н. Морозову Геннадию Александровичу за научные консультации и всестороннюю поддержку.

В первой главе рассмотрены общие вопросы мониторинга обводненности сырой нефти (СН) и характеристики сепарационных датчиков (СД), используемых для его реализации; определены причины, ограничивающие возможности СД, основанных на применении микроволновой сепарации СН и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент; проанализировано современное состояние работ по созданию методов и средств улучшения метрологических характеристик указанных датчиков и повышения эффективности мониторинга обводненности СН в целом.

К сепарационным методам контроля обводненности СН относятся методы, основанные на гравитационном отстаивании, центрифугировании, тепловой и холодовой обработках, микроволновой и ультразвуковой сепарации, сепарации под воздействием постоянного электрического поля и т.д. Для более подробного анализа были выбраны СД, реализующие три наиболее распространенных метода: азеотропной дистилляции (метод Дина-Старка), центрифугирования и микроволновой сепарации. Анализ проводился с учетом особенностей следующих подсистем их структуры: забора и подготовки проб, сепарации, количественного измерения компонент.

Как показал анализ, метод микроволновой сепарации обладает преимуществами перед остальными методами по всем трем подсистемам.

В первую очередь они определяются возможностью полностью автоматизировать процессы забора и подготовки проб, сепарации и количественного анализа. Полная автоматизация процессов в устройствах, реализующих методы Дина-Старка и центрифугирования, сопряжена со значительными трудностями, определенными их конструктивными особенностями.

Во вторую очередь преимущества заключаются в обеспечении короткого по длительности процесса сепарации, обеспечивающего с высокой вероятностью 100%-ое разделение СН на компоненты. Обеспечивающий близкие по данным показателям характеристики метод центрифугирования имеет существенный недостаток, связанный с трудностью разделения гетерогенных фаз (плотности воды и нефти близки) и требует их предварительного нагрева. С этой позиции можно отметить комбинированную центрифугу с микроволновым нагревом, которая, однако, сложна в техническом обслуживании и дорога.

В третью очередь преимущества метода микроволновой сепарации определяются возможностью использования высокоточной подсистемы количественного анализа, основанной на методе видеоизмерений. Данная подсистема обеспечивает как объективность измерений, так и оперативность получения данных, их высокую точность и простоту ввода в компьютер ДЛ. дальнейшего анализа и вычисления количественных соотношений компонент сырой нефти.

При анализе основных источников методологических и аппаратурных погрешностей было выявлено, что к недостаткам метода микроволновой сепарации, как развивающегося метода, следует отнести отсутствие полной проработки вопросов, связанных с обеспечением высокого качества процесса микроволновой сепарации СН в присутствии окклюдированного газа и вызванной им же неравномерностью границ раздела между компонентами после сепарации. Кроме того, открытым остается вопрос построения оптического канала, обеспечивающего минимальный уровень засветок и помех при считывании информации о количественном соотношении компонент. Указанные факторы приводят к снижению точности измерений.

Анализ современного состояния работ по созданию методов и средств улучшения метрологических характеристик СД позволил определить следующие пути решения указанных проблем: - качество микроволновой сепарации с учетом невозможности влияния на физико-химические характеристики СН может быть повышено только путем повышения эффективности взаимодействия ЭМП и СН, в частности, за счет применения новых структур сепарационных объемов, например, коаксиальной формы; - качество формирования изображений полученных компонент и их обработки с учетом применения новых структур сепарационных объемов может быть повышено путем адаптации к последним систем освещения проб СН и создания методов эффективной первичной обработки изображений, как при использовании одной, так и нескольких телевизионных камер.

Таким образом, в результате исследований, проведенных в первой главе, определены пути улучшения характеристик СД, основанных на использовании микроволновых технологий и технологий видеоизмерений. Сформулированы цель диссертационной работы и перечень основных задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Вторая глава посвящена исследованию воздействия микроволновых ЭМП на процесс сепарации эмульсий в ограниченных объемах классической цилиндрической и предложенной коаксиальной форм, содержит их математические модели, результаты математического и физического моделирования.

Гипотеза о повышении качества микроволновой сепарации при использовании сепарационного объема коаксиальной формы основана на возможности согласования его размеров с эффективной глубиной проникновения микроволнового ЭМП заданной частоты в объем пробы с учетом невозможности изменения в значительных пределах размеров рабочей микроволновой камеры и объема репрезентативной пробы СН.

В первом и втором разделах главы приведены результаты математического моделирования воздействия микроволновых ЭМП на диэлектрические структуры в замкнутых сепарационных объемах цилиндрической и коаксиальной форм. Целью математического моделирования явилось определение неравномерности теплового нагрева диэлектрика в радиальных сечениях сепарационного объема на разных его высотах при заданной динамике расслоения эмульсии. Знание указанной функции позволяет оценить качество микроволновой сепарации, которое для задач рассматриваемого типа может быть выражено минимальным отклонением температур в диэлектрике в установившемся режиме от заданного распределения температур ^(г) при заданной подводимой мощности Р_подв за время t\

Энергия электромагнитной волны за счет диэлектрических потерь в СН, представленной многослойным диэлектриком, преобразуется в тепловую энергию, которая определяется мощностью распределенных источников тепла в соответствии с функцией тепловых потерь Qit^r^^z). Для расчета указанной функции на ПЭВМ были смоделированы рабочие микроволновые камеры (рабочие частоты 2450 и 915 МГц) с расположенными внутри их замкнутыми сепарационньши объемами цилиндрической и коаксиальных форм. Для уменьшения вычислительных затрат компьютерное моделирование проводилось при ограничении, что стенки резонаторов, а также рупора и волноводного тракта выполнены идеально проводящими (сТэкр^⁰⁰)-

Температурное распределение в трехслоистой структуре диэлектрика (модель СН) получали путем решения системы нестационарных двухмерных уравнений теплопроводности методом конечных разностей по явной схеме в двухмерной области.

Для расчетов были использованы программные пакеты MathLab7 и CST Microwave Studio4.1. Электрофизические параметры нефти и воды задавались по усредненным параметрам, характерным для Ромашкинского месторождения, параметры водонефтяной эмульсии определялись по закону

Бруггемана. В результате математического моделирования были получены распределения температурного поля для сепарационных объемов цилиндрической и коаксиальной формы с учетом заданной динамики расслоения СН на компоненты и разного времени нагрева.

По результатам математического моделирования можно сделать вывод о более высокой равномерности нагрева диэлектрика, достигаемого в сепарационных объемах коаксиальной формы. При равных нагреваемых объемах, при одинаковой подводимой мощности и одинаковом времени нагрева разброс температур в радиальных сечениях коаксиального объема в 2— 2,5 раза меньше.

В третьем разделе главы представлены структурная схема и рекомендации по построению СД с коаксиальным сепарационным объемом, основанного на использовании микроволновой сепарации СН и видеоизмерения их количественных соотношений. Сепарационный объем коаксиальной формы, выполненный в виде объёма ограниченного двумя прямыми полыми цилиндрами разного диаметра, позволил более эффективно сепарировать пробы сырой нефти и увеличить скорость сепарации в 1,2-1,3 раза по сравнению с прототипом. Полученные данные были подтверждены результатами физического моделирования на экспериментальных стендах. Кроме того, эксперименты показали, что формирование сложных границ межфазного раздела из-за наличия в СН окклюдированного газа в случае применения сепарационного объема коаксиальной формы происходит в 2,5-3 раза меньше, чем при использовании объема цилиндрической формы. Для экспериментов использовались нефти Новошешминского месторождения с высокой концентрацией окклюдированного газа.

Таким образом, проведенные во второй главе диссертации теоретические j экспеоиментальные исследования позволили подтвердить возможность повышения качества микроволновой сепарации при использовании сепарационного объема коаксиальной формы.

В третьей главе на основе результатов, полученных в гл. 1 и 2, выделен и рассмотрен ряд основных погрешностей канала видеоизмерения СД контроля обводненности СН, основанных на применении микроволновой сепарации СН и видеоизмерения количественных соотношений полученных компонент.

В первой части главы проведен анализ основных погрешностей метода видеоизмерений при случаях идеальной и неидеальной сепарации. Так, при случае идеальной или близкой к идеальной сепарации можно определить два варианта считывания информации: по горизонтальным строкам (растр ПЗС-матрицы параллелен границам сепарации) и по вертикальным строкам (растр ПЗС-матрицы перпендикулярен границам сепарации).

Случай анализа по горизонтальным строкам. С методологической точки зрения погрешность измерений, если граница сепарации проходит по середине строки разложения ПЗС-матрицы, будет определяться одной строкой \fN,, где N, — общее число строк растра, приходящееся на і-ую компоненту (і=н, если эта компонента нефть, г=в, если это вода). С аппаратной точки зрения погрешность определяется характеристиками освещенности контрольного резервуара и фотоприемника. В случае равномерной освещенности резервуара распределение погрешности сравнения случайной освещенности с заданной величиной будет носить равномерный характер.

Наиболее существенной с точки зрения измерения количественного соотношения компонент воды и нефти является методологическая погрешность. В случае малой обводненности погрешность существенно возрастает в соответствии с зависимостью l/N_B . Тогда определение доли воды необходимо производить по количеству строк растра, соответствующего количеству нефти N„ (по негативному видеосигналу), погрешность определения которой составит 1/JV_H = 1 - l/N_B, причем (N„ + N_R)/N = 1.

Определим точность регистрации границы «вода-нефть» при требуемой погрешности 1%. Если сепарационный объем будет занимать на экране 400 строк, а граница «вода-нефть» одну строку, то регистрация последней в случае 50%-ой СН пройдет с погрешностью 0,5% (1/200). Для повышения точности необходимо выбрать камеру с большим числом строк разложения (в экспериментальном стенде использована камера с числом строк Z=600). Такое число строк практически в 1,5 раза увеличивает точность измерений.

Случай анализа по вертикальным строкам. В этом случае задача определения погрешности измерения сводится к задаче аналогичной задаче определения погрешности квантования временного интервала в цифровых измерительных устройствах.

Временной интервал t_x, соответствующей компоненте СН (нефти или воде) измеряется путем счета квантующих импульсов стабильной частоты /_п=ї/Т_п, прошедших в счетчик импульсов за время t_xi причем абсолютная погрешность измерения At = At_{ + At₂. Первая составляющая Д^, вызванная случайным расположением старт-импульса, всегда находится в пределах от О до Т_п и имеет равномерный дифференциальный закон распределения. Вторая составляющая At₂ — погрешность, вызванная случайным расположением стоп-импульса, дифференциальный закон распределения которой также равномерный в пределах от - Т_п до 0.

Результирующая предельная погрешность At_m - ±Т_п; относительная результирующая предельная погрешность Ъ_т = ±T_njt_x = ±1/7V_H .

Известны методы снижения результирующей погрешности и среднего квадратического отклонения результирующей погрешности путем синхронизации стартового и квантующих импульсов. В этом случае Д^ = 0, а пюелельные значения, соелнее квалоатическое отклонение и систематик:: составляющая результирующей погрешности соответственно равны At_m=±T_n/2, ajA/j=r„/2V3 и м[АІ\=0. При /„12 МГц, поскольку /_вс=6 МГц относительная результирующая погрешность измерения при 50%-ой СН и перекрытии одной строкой длительностью 60 мкс всего столба СН составит 0,2%. При увеличении частоты выборки в 2 раза — 0,1%.

При случае неидеальной сепарации для уменьшения погрешности следует дополнительно проанализировать зону видеосигнала, соответствующую межфазному слою.

По результатам испытаний было определено, что протяженность межфазного слоя зависит от его обводненности. Чем больше нефти в межфазном слое, тем продолжительнее и положе зона межфазного слоя. Чем меньше нефти в межфазном слое, тем зона межфазного слоя короче и круче. В общем случае обводненность межфазного слоя, зарегистрированная как функция изменения интенсивности света по высоте межфазного слоя, определяется по закону Бугера.

В зависимости от случайного характера проявления факторов влияющих на характер границ раздела сред возможны две критические ситуации, это случаи вогнутой и выпуклой поверхности границы сепарации. В случае вогнутой поверхности учет неплоского характера границы может быть сведен к случаю определения обводненности межфазного слоя по закону Бугера.

Для моделирования был выбран бензин с растворенной в нем нефтью, потому что указанная эмульсия более устойчива, чем эмульсия нефти с водой. При этом оптические свойства бензина и воды близки.

В случае выпуклой поверхности учет неплоского характера границы сепарации может быть произведен по матричному способу анализа пикселей и выполнения условий t/_Bcmin^t/_BCH<0,5t/_BCinaxH 0,5f/_BcmaxBCBBcmax, где /_вс — амплитуда видеосигнала. При этом могут быть использованы как одна, так и несколько телевизионных камер (объемный метод анализа).

Во второй части главы описаны разработанные структуры подсистем видеоизмерений для снижения указанных выше погрешностей. Особое внимание уделено адаптации систем освещения к коаксиальной форме сепарационного объема и обеспечению высокой равномерности освещенности.

Использование в СД первого поколения метода заднего света от точечных или распределенных источников, приводило к созданию на изображении компонент СН, полученных после сепарации, значительных бликов и зон «ложной» освещенности, что было обусловлено прохождением света через сложную оптическую систему. При этом значительная доля световой мощности источника терялась при прохождении собственно пробы. Расположение распределенного источника освещения видимого или ближнего ИК-диапазона на дне или вдоль полой части сепарационного объема позволило практически в 2 раза уменьшить потери света и значительно увеличить равномерность освещенности пробы.

Однако и в этом случае повышение точности обработки полутоновых изображений требует значительных вычислительных ресурсов, использование которых в структуре микропроцессорного блока управления СД, нецелесообразно. Необходима предварительная обработка видеоизображений, в качестве которой предложено и рассмотрено несколько вариантов сегментации изображений по функции яркости. В третьей части главы предложено использовать устройство сжатия данных видеоизмерений датчика микроволновой сепарации.

Суть работы устройства заключается в том, что в последовательности кадров, любой кадр можно сформировать, передать в канал связи и принять из него в виде комбинации базовых форматов, представляющих собой последовательность строк, и восстановить с помощью этой комбинации. Информация о состоянии точек строк воспроизводимого кадра, формируется, хранится и модифицируется независимо в приемном и передающем устройствах в виде записей. Текущее состояние каждой точки видеокадра могут быть заданы функцией изменения значений напряжений яркости из ограниченного набора. Тип функции выбирается для каждой точки экрана по нескольким значениям распределения яркости этой точки в последовательности нескольких кадров. Вид функции задается числом кадров, определяющим интервал действия функции, которая храниться по типам независимо в передающем и приемном устройствах в виде числовых зависимостей приращений первого и второго порядков. Значения приращений конкретной функции, выбранной для конкретной точки, используются для модификации текущих значений напряжений этой точки в интервале действия функции.

Моделирование устройства, проведенное на ЭВМ, подтверждает работоспособность и высокую степень сокращения избыточности видеоинформации (до 1000 раз), гибкость построения устройства и возможность его применения в СД для повышения скорости обработки информации в случае анализа сложных границ раздела и неидеальной микроволновой сепарации в сопроцессоре вычислений.

Анализ результатов, представленных в третьей главе, позволяет утверждать, что предложенные методы и устройства повышения однородности формирования освещенности сепарационного объема, а также методы предварительной обработки сложных монохромных и полутоновых изображений, позволяют повысить точность определения количественных соотношений компонент СН на 30% и увеличить оперативность обработки изображений на 25%.

Четвертая глава содержит описание модельного ряда разработанных, апробированных и внедренных модулей для контроля обводненности СН, построенных на основе использования микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты в контрольных резервуарах коаксиальной формы со структурированным подсветом объекта измерения в видимом и метода видеоизмерения количественных соотношений полученных компонент.

К разработанному модельному ряду относятся модули: «ДОН-М-2450», предназначенный для автоматизированного мониторинга обводненности СН типа «нефть в воде» в структуре СКВ, ГЗУ, лабораторного комплекса НГДУ и мобильных комплексов типа «УМИ-ОЗНА»; «ДОН-М-915», предназначенный для автоматизированного мониторинга обводненности СН типа «вода в нефти» в структуре СКВ, ГЗУ, лабораторного комплекса НГДУ и мобильных комплексов типа «УМИ-ОЗНА».

При внедрении модулей получены результаты, подтвердившие результаты теоретических исследований. При этом бьши обеспечены высокая степень автоматизации квазипоточного мониторинга обводненности сырой нефти, оперативность (до 10 минут) и точность (погрешность не хуже 1%) определения объемной доли ее компонент. Полученные результаты, позволяют обосновать замену существующего лабораторного парка приборов Дина-Старка для определения обводненности нефти на разработанные модули. Время анализа пробы объемом 0,5 л, обеспечивающим репрезентативность измерений, в разработанном приборе в 16 раз меньше, чем у прибора Дина-Старка при близких погрешностях измерений.

В приложении содержатся дополнительные материалы и документы, подтверждающие ряд положений диссертации и использование ее результатов. В Приложении 1 представлены акты внедрения и использования результатов диссертации. В Приложении 2 представлены подробные результаты математического моделирования воздействия микроволнового ЭМП на СН

Публикации, По материалам диссертации опубликованы 15 научных работ, в том числе 1 статья и 10 тезисов докладов. Получено 2 патента РФ на полезные модели и 2 положительных решения о выдаче патентов РФ на изобретение и полезную модель.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы, реализованные в виде модулей и лабораторных стендов, математических моделей, данных экспериментальных исследований, методик проектирования и рекомендаций, программно-аппаратных средств, использовались при выполнении хоздоговорных НИР и внедрены в ЗАО «Сенсор-груп», Казанское отделение Международной академии связи, в научно-исследовательском и учебном процессе КГТУ им. А.Н. Туполева и КГТУ (КХТИ). Результаты работы также использовались при выполнении госбюджетных НИР по Федеральной научно-технической программе Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2002 - 2006 годы» в 2002 - 2004 гг. и программе Фонда НИОКР Республики Татарстан «Развитие приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001 - 2005 годы» в 2001 - 2004 гг.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1-ой Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению, Калуга, 2001 г., 4-ой Всероссийской НК молодых ученых и аспирантов с международным участием «Новые информационные технологии, разработка и аспекты применения», Таганрог, 2001 г., 4-ой НІЖ молодых ученых и специалистов Республики Татарстан, Казань, 2001 г., 9-ой Международной НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2003 г., 13-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. КрыМиКо'2003», Севастополь, Крым, Украина, 2003 г., Международной НК, посвященной 95-летию академика В.А. Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова», Москва, 2003 г., НГЖ «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества», Казань, 2003 г., Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», Сочи, 2004 г., Международной молодежной НК «XII Туполевские чтения», Казань, 2004 г., IV Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», Нижний Новгород, 2005 г.

Методы и средства улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти Самигуллин Рустем Разяпович

Похожие диссертации на Методы и средства улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти