автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Многофункциональные датчики состава водогазонефтяной смеси для систем управления процессами промысловой подготовки нефти

л -ч ~

па правах рукописи

ФЕТИСОВ Владимир Станиславович

IVМНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ СОСТАВА ВОДОГАЗОНЕФТЯНОЙ СМЕСИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

Специальность 05.13.05 - элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 1998

Работа выполнена на кафедре "Информационно-измерительная техника" Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РБ В.Г.Гусев

Официальные оппонента - доктор технических наук, профессор

А.М.Косолапов, кандидат технических наук, доцент В.П.Токарев

Ведущее предприятие - ЗАО «Нефтспромавтоматика», г.Уфа

Защита состоится "2-Ь М^/^ь- 1998 г. в часов на заседании диссертационного совета Д-063.17.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. У фа-центр, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан" Уифик 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

У//\у Г-Н. Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение требований к качеству регулирования процессов подготовки сырой нефти и, вместе с тем, усложнение условий и способов ее добычи, сопровождающееся сильным разбросом параметров состава выкачиваемой из скважин водогазонефтяной смеси (ВГНС),приводят к необходимости улучшения качественных показателей соответствующих датчиков.

Особенно необходима точная информация о параметрах ВГНС на входе технологических установок промысловой подготовки нефти, на которых выполняется ее сепарация (дегазация), обезвоживание и обессоливание. Обязательному измерению при этом подлежат такие параметры состава ВГНС, как влажность (объемное содержание воды солесодержание (или

солесодержание водной фазы Б), содержание свободного газа Б и другие. Указанные параметры важны прежде бссго потому, что они определяют настройку технологического оборудования на тот или иней цикл обработки сырой нефти. Эти циклы могут отличаться временем обработки, энергозатратами, количеством проходов сырья через определенные стадии обработки, количеством применяемых реактивов и т.д. Таким образом, эффективность работы автоматизированных установок промысловой подготовки нефти существенным образом зависит от точности и оперативности измерения парамсгров

Средства измерения состава ВГНС, применяемые в настоящее время в системах управления процессами промысловой подготовки нефти, включают в себя различные датчики \У,8,0, каждый из которых разработчики, как правило, стремятся сделать максимально чувствительным к одному определенном)' параметру состава и инвариантным к другим параметрам, которые рассматриваются как помехи. Однако полной инвариантности к параметрам-помехам достичь практически невозможно Поэтому, с учетом дополнительных погрешностей от изменения этих параметров, точностные характеристики каждого такого отдельно взятого псевдоинвариантного датчика далеко не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям. А так как для однопараметрических датчиков любого из параметров W,S,G в большинстве случаев требуется коррекция результатов каждого по показаниям двух других, то целесообразно объединение (совмещение) их в едином средстве измерения.

Измерения '^УДБ, выполняемые отдельными измерительными устройствами, датчики которых разнесены друг от друга, не всегда корректны, так как, с учетом динамики потока, результаты измерений могут отражать разные состояния ВГНС на данный момент времени. Применение отдельных датчиков нерационально и с точки зрения эксплуатационных затрат (большое количество мест установки н линий связи, повышенное энергопотребление,

повышенные трудозатраты на ремонт и обслуживание). В алгоритмах работы многих измерительных устройств для измерения присутствует

обязательная стадия пробоотбора и пробоподготовки. Наличие этих операций сильно усложняет аппаратуру и замедляет процесс измерения, а представительность пробы обычно не соответствует потоку ВПНС.

Перспективным подходом к решению перечисленных проблем является создание неточных многофункциональных датчиков состава (МФДС) ВГНС, позволяющих в одном сечении потока без пробоотбора производить с требуемой точностью измерения W,S,G при любых их возможных изменениях Известны предложения по созданию таких датчиков на основе совмещения в единой конструкции нескольких чувствительных элементов (ЧЭ), осуществляющих прямые измерения некоторых физических величин (например, электрической емкости, электропроводности, оптической плотности и т.д.). Искомые параметры состава определяют путем подстановки измеренных значений в эмпирические формулы, связывающие измеренные величины с параметрами состава. Однако кроме отдельных идей и эскизных проектов в этой области не наблюдается заметного прогресса. В известных предложениях по созданию МФДС ВГНС нет четкого обоснования выбора измеряемых параметров. Не разработаны математические модели совмещенных датчиков и не изучены их характеристики. Отсутствуют обоснования и методики выбора их геометрических размеров и режимов работы. Не оценены погрешности определения W,S,G с помощью таких датчиков.

В связи с тем, что ответы на эти вопросы открывают возможность создания поточного многофункционального датчика состава ВГНС, отвечающего современным требованиям, тема исследования актуальна.

Актуальность работы подтверждается, в частности, присуждением гранта ПК РФ по высшему образованию 1995 г. для исследований в области автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики, кибернетики, метрологии, связи. Работа выполнялась в течение двух лег в соответствии с договором АП-ИТ-Об-96/97-ГУ на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета.

Цепью данной работы является создание поточных многофункциональных датчиков состава водогазонефтяной смеси, имеющих повышенную точность, при работе которых не требуется пробоотбора

Для достижения указанной цели решены следующие основные задачи:

1) проанализированы известные методы получеши измерительной информации о параметрах \У,5,0 сырой нефти; выявлены наиболее перспективные из них для построения МФДС ВГНС;

2) сформулированы основные принципы построения МФДС ВГНС;

3) обоснована целесообразность построения МФДС ВШС на основе комбинированного акустоэлекгрического датчика (КАЭД), совмещающего функции измерения комплексной электрической проводимости и скорости звука;

4) предложены различные варианты реализаций КАЭД; разработана классификация предложенных и известных технических решений;

5) разработана математическая модель для КАЭД основой конструкции которого является пара плоских противолежащих пьезоэлементов (ППЭ); .

6) проведен анализ зависимостей выходных параметров КАЭД от частот тестовых сигналов, по результатам которого выбраны рабочие частоты электрического и акустического каналов КАЭД;

7) исследованы основные характеристики КАЭД ППЭ и оценены его техрт1ческие возможности *

8) разработаны, изготовлены л исследованы экспериментальные образцы КАЭД

Методы исследования. В работе использовались отдельные положения классической теории электрических цепей и теории погрешностей, а также элементы матричной алгебры, дифференциального и интегрального исчисления, математической статистики и регрессионного анализа. Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде, имитирующем возможные состояния потока ВГНС. На всех этапах работы использовалась ЭВМ. Расчеты выполнялись с помощью пакета прикладных математических программ МАРЬЕ V (г. 4).

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1) Предложены комбинированные акустоэлекгрические датчики (КАЭД) - новый класс МФДС многофазных газожидкостных смесей (ВГНС в частности), основанных на совмещении в единой конструкции ЧЭ, предназначенных для измерения составляющих комплексной электрической проводимости, и ЧЭ для измерения скорости звука.

2) Разработаны оригинальные конструкции КАЭД и способы обработки их сигналов, защищенные охранными документами ( Патент РФ на изобретение № 2085934, Свидетельства на полезные модели №№ 2443, 4168, положительные решения Роспатента о выдаче патентов на изобретения по заявкам №№ 95121293, 96105041).

3) Разработана математическая модель КАЭД ППЭ, являющаяся основным расчетно-аналитическим инструментом для исследований датчиков данного типа и представляющая собой две системы нелинейных уравнений (для эмульсий типов «вода в нефти» и «нефть в воде»), выражающих измеряемые электрические и акустические параметры ВГНС через искомые параметры Получены решения этих систем в виде формул, вошедших в

программное обеспечение микроконтроллера МФДС, осуществляющего расчет параметров состава в режиме реального времени.

4) Предложены и обоснованы оригинальные методики выбора рабочих частот электрического и акустического каналов КАЭД ППЭ, а также предложена методика определения его геометрических параметров, оптимальных с точки зрения обеспечения максимальной точности вычисления W,S,G.

5) Рассчитаны значения составляющих погрешностей определения параметров состава ВГНС с помощью КАЭД ППЭ для различных областей факторного пространства (\У,8,0).

6) Проведены экспериментальные исследования КАЭД ППЭ, результаты которых подтвердили преимущества разработанного многофункционального датчика по сравнению с известными аналогами, предназначенными для измерения отдельных параметров состава ВГНС.

Практическую ценность имеют:

1) разработанные конструкции КАЭД, алгоритм его работы и соответствующее программное обеспечение; рекомендации по проектированию, изготовлению, выбору режимов работы и отладке;

2) методика оптимизации размеров элементов КАЭД ППЭ;

3) методики расчета погрешностей определения параметров У/Дв;

4) методика градуировки разработанного датчика.

Использование результатов работы. Материалы и результаты диссертационной работы используются научно-производственной фирмой «ИКА»(г.Уфа) в разработке блока качества для автоматизированных узлов учета нефти на промыслах.

На защиту выносстся:

1) Принципы построения МФДС ВГНС.

2) Оригинальные конструкции КАЭД

3) Математическая модель КАЭД ППЭ.

4) Результаты теоретических и экспериментальных исследований КАЭД

ППЭ.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на VII Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчик-95» (Гурзуф, 1995 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» (Уфа, УГАТУ, 1997 г.), а также на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы и их элементы» (Уфа, УГАТУ, 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, из них 1 статья в центральной печати, б статей в межвузовских сборниках научных

трудов, 1 патент РФ на изобретение, 2 свидетельства на полезные модели, 11 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 131 наименования и 5 приложений. Основная часть диссертации содержит 212 страниц машинописного текста и включает в себя 74 рисунка и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика содержания диссертационной работы и решаемых задач.

В первой главе дана характеристика ВГНС как объекта измерения, проведен анализ основных требований, предъявляемых к поточным датчикам для измерения параметров ВГНС "'ДС. Отмечено, в частности, что пределы основной приведенной погрешности пе должны превышать:

а) по влажности: 2 % в диапазоне возможных изменений \КГ= 0,01 .. 0,99 объемных долей;

б) по солесодержанию (солености водной фазы): 10% в диапазоне возможных изменений Б= 1 ..100 г/л;

в) по содержанию свободного газа: 2,5 % в диапазоне возможных изменений О- 0.. ОД объемных долей;

продолжительность одного цтпсла измерения ке должна превышать I мин.

Проведена работа по систематизации сведений по методам измерения Разработаны классификации этих методов, особенностью которых является подробное рассмотрение тех методов, которые могут явиться основой для построения поточных датчиков. На основе анализа собранной обзорной информации выявлены методы, наиболее предпочтительные для создания поточных датчиков параметров состава. Таковыми являются:

по - импедансометрические и амплитудные СВЧ- методы;

по 8 - конауктометрические методы;

по С - методы, основанные на измерении скорости звука.

Выявлено, что точность многих датчиков, предназначенных для измерения Ж, 8 или в, ограничена из-за недостаточной избирательности чувствительности измеряемого информационного параметра к определяемому параметру состава Поэтому при изменении Б или в в широких пределах результирующая погрешность определения параметра состава может оказаться выше допустимой. Уменьшение погрешностей определения \У,8,0 может быть достигнуто не за счет повышения избирательности чувствительности датчиков к отдельным параметрам состава (в чем практически достигнут предел), а путем реализации совместных измерений, в которых учитывается одновременное влияние на результаты прямых

измерений многих параметров состава. Предложено эти измерения производить посредством одного многофункционального датчика, в котором совмещены ЧЭ для измерения группы параметров ВГНС в одном сечении потока. На сегодняшний день таких датчиков в нефтяной промышленности нет.

Вторая глава посвящена принципам построения МФДС ВГНС и их технической реализации на основе комбинированных акусгоэлектрических датчиков.

Сформулированы следующие основные принципы построения многофункциональных датчиков для измерения параметров ВГНС W,S,G:

1) МФДС должен содержать, в общем случае, несколько ЧЭ, с помощью которых можно осуществлять совместные измерения, посредством которых устанавливаются зависимости между измеряемыми информационными параметрами и параметрами состава, описываемые системой уравнений:

- щ = ^(ЖЛО), , (1) щ^ЪОГЛО).

где щ..и3-измеряемые параметры, а соответсгаующиз фуикцшг;

2) как минимум два из трех измеряемых информационных параметров должны быть избирательно чувствительны к соответствующим параметрам состава (что необходимо для обеспечения хорошей обусловленности получаемых решений системы (1)).

3) все ЧЭ МФДС должны измерять информационные параметры в одном и том же сечении потока;

4)каждый 43 МФДС должен давать интегральную по сечению потока оценку измеряемого информационного параметра.

Исходя из принципов построения МФДС и анализа альтернативных методов измерения обоснована целесообразность реализации МФДС ВГНС в виде комбинированного акусгоэлекгрического датчика (КАЭД) на основе пары пьезоэлементов, совмещающего функции измерения составляющих комплексной проводимости (ЯеГ и 1т У) и скорости звука с.

Показано, что для такого датчика измеряемый параметр с обладает преимущественной чувствительностью к С, 1ш7- к \У, а КеУ равночувствителен к ЭД^ и Б , т.е. выполняется 2-й из сформулированных принципов построения МФДС ВГНС.

Предложены различные варианты реализаций КАЭД, построенных на базе комбинаций электрических и акустических ЧЭ и Предназначенных для измерений состава многофазных газожидкостных потоков.

Разработана классификация КАЭД, подразделяющая их по 10-ти различным критериям, таким как принцип действия ЧЭ, вид их контакта с исследуемой средой, форма и расположение ЧЭ и т.д. При анализе возможных комбинаций предложены новые конструкции КАЭД и способы обработки их сигналов, что позволяет решить проблему совмещения электрических и акустических ЧЭ в едином МФДС. На отдельные устройства получены охранные документы Роспатента

Выявлено, что наиболее простыми и, в то же время, перспективными для поточных измерений W,S,G являются КАЭД с плоскими противолежащими пъезоэлементами, совмещающими функции электродов измерительного конденсатора и излучателя (приемника) акустических колебаний.

КАЭД (рисунок 1) измеряет параметры из набора (1тп7,Ие7,с). Для этого е подцихяе работы электрического канала рассматриваемый КАЭД (представлЕкящщ собой в это время измерительный конденсатор) подключен к схеме измерения комплексной проводимости. Такой схемой может быть автоматически цифровой мост с уравновешиванием по двум параметрам или схема с фазочувствительными детекторами, выделяющая синфазную и квадратурную составляющие сигнала. В подцккле акустических измерений, когда обкладки пьезоэлементоз разомкнуты, производится подключение одного из них к генератору, а другого - к усилителю, после чего определяется задержка т пршштого сигнала относительно излученного, пропорциональная скорости звука в ВГНС.

Третья глава посвящена разработке математической модели КАЭД, исследованию его характеристик, оптимизации геометрических параметров, уточнению методов измерений и схем включения датчика

Математическая модель КАЭД разработана для случая , когда совмещенный акустоэлекгрический датчик имеет плоские противолежащие элементы. Модель в целом представляет собой две системы нелинейных уравнений (для двух типов эмульсий: «вода в нефти» и «нефть в воде»), каждая из которых имеет вид:

/т=Ъ(П

Последнее уравнение в системе (2) описывает характеристику преобразователя «температура-частота», введенного в состав МФДС для учета температурного фактора.

При выводе первых двух уравнений были сделаны следующие допущения:

- концентрация твердой фазы в эмульсии мала и не оказывает заметного влияния на результаты измерений;

- частицы дисперсной фазы имеют постоянную форму сферических глобул (пузырьков);

- поверхностные пленки частиц дисперсной фазы не оказывают заметного влияния на электрические свойства смеси;

При выводе выражений для составляющих комплексной проводимости датчика были использованы: известное уравнение Дебая для комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрика с потерями; известная из теории эмульсий формула для диэлектрической проницаемости двухкомпонентных смесей (т.н. формула смешения Винера-Вагнера). Было учтено влияние паразитных импедансов и температуры.

При выводе 3-го уравнения системы (2) (зависимость задержки акустического сигнала т от параметров состава) были сделаны следующие допущения:

Автоматический мост (измеритель ЯеК,1тГ)

Интерфейс

Измеритель задержки г

Интерфейс

МкгоРС

485

Рисунок 1 - Структура МФДС ВГНС

- турбулентные и слоистые нерегулярности плотности потока ВГНС не влияют на скорость звука;

- водонефтяную эмульсию можно считать однородной жидкостью с усредненными механическими параметрами (вязкостью, плотностью, сжимаемостью);

- влияние глобул дисперсной фазы ВНЭ на скорость звука в ВГНС пренбрежимо мало по сравнению с влиянием пузырьков свободного газа

При выводе выражения для г было использовано известное уравнение для скорости распространения акустических колебаний в пузырьковых средах. Его анализ показал, что при достаточно низкой частоте синусоидального акустического сигнала (< 1000 Гц) скорость его распространенпя не зависит от распределения пузырьков по размерам, а зависит преимущественно от интегрального содержания свободного газа G. При выводе окончательного выражения для г было учтено влияние реверберации и температуры.

Кроме теоретической модели, предназначенной для ко5итыстерного моделирования и анализа различных характеристик КАЭД, для конкретного экспериментального образца датчика была разработана приближенная (рабочая) модель, также представляющая собой две системы уравнений: Для эмульсий типа «вода в нефти»:

ImF = fl0 + +a2JV + a3G+aAT + a5WG-,

Rej = b0 + b, / S + b2 / S2 + bjW2 + bAW + + b5W2 /S2 + b6W2 / S + b7W/S2+bsW/S + i-b9GiS+blüG!S2 + bllGW2 +bnGW+ (3)

+ b-lb7 i S+'oi4T / S2 +biS7W2 +bi6TiV+ + &17G + bi8r+ö19Gr;

r = Ar0 ±k1<jG + k2T+k34G-T-,

fr — /Яд + mT.

Для эмульсий тппа «нефть в воде»:

ReY = bl,+ b{W+ b'2S + b^G-\-b'J + b'JVS + b'6ST + b'-jSG; (4)

J r = k'0 + k[4G + ЦТ + k^jG'T; [ Тт=щ+тТ,

где «у, а',,Ь^Ь1,кик1,гп0,т - коэффициента, определяемые при градуировке методом наименьших квадратов.

В связи с резким изменением вида зависимостей при обращении фаз эмульсии и неопределенностью момента обращения фаз (рисунок 2) предложено переход от одних градуировочных кривых к другим (от системы (3) к (4) или наоборот) делать при 1тГ = 1тУкр где 1тУкр - середина интервала неопределенности, обусловленного скачкообразным изменением 1т У при обращении фаз.

Получены решения систем (3),(4) - расчетные формулы для вычисления параметров W,S,G.

Анализ статических характеристик первичного измерительного преобразователя электрического канала датчика показал, что для создания широкодиапазонного МФДС ВГНС нельзя использовать покрытые электроды. Причина- очень низкая чувствительность 1тГ и ИеГ к ЭД^ при больших иги 8 ^>0,7, 8> 10г/л).

По результатам анализа характеристик ИеГ = для эмульсий типа «вода в нефти» (рисунок 3) установлено, что эти характеристики имеют максимумы, которые смещаются в сторону больших Б при повышении частоты. Для обеспечения однозначности измерений при сохранении достаточно большой крутизны характеристики преобразования необходимо, чтобы крайнее значение заданного диапазона солесодержания водной фазы Б=1 г/л соответствовало максимумам характеристик. Это выполняется на частоте 30 МГц.

u

f-150 МГц!

Диапазон возможных значений S

Рисунок 3 -Характеристики Re7 = F(S) для. эмульсий типа «вода в нефти».

(Максимум характеристик соответствует значению S~î г/л при f~30 МГц)

С помощью теоретической модели определены оптимальные геометрические размеры (радиус электродов R и межэлекгродный зазор d) элементов датчика, при которых обеспечивается максимальная точность вычисления искомых параметров состава ВШС. 3 качестве критерия оптимизации был выбрал показатель обусловленности матрицы частных чувствительпостей А, которая связывает вектор измеряемых параметров N=(Im7,Re7, г) с вектором искомых параметров X=(W,S,G) следующим образом: N=AX. Найдены оптимальные соотношения размеров элементов. Определены диапазоны возможных значений измеряемых параметров. На частоте 30 МГц при радиусе элеюродов R=30 мм и межэлектродном зазоре d=10 мм диапазоны изменений измеряемых параметров составляют:

для ïmY: 1.40 мСм; для Re7: 2-Ю~7..4 См; для г: 5..200мкс.

Четвертая глава посвящена анализу погрешностей определения искомых параметров W,S,G.

Так как погрешности определения параметров состава ВГНС сильно зависят от сочетания значений самих параметров W, S, G , то оценка погрешностей МФДС ВГНС выполнена в форме таблиц, ставящих б соответствие характерные точки координатного пространства (W,S,G,T) и

приведенные погрешности определения Б, & Разработанное программное обеспечение для МФДС ВГНС наряду с подпрограммами вычисления собственно Б, в содержит подпрограммы вычисления их погрешностей.

Погрешности определения W,S,G рассчитывались исходя из погрешностей измерения параметров 1ш7,ЯеГ,г,/г, которые, в свою очередь, складываются из погрешностей средств измерений (первичных и вторичных преобразователей) и погрешностей адекватности модели. В расчетах использовались вычисляемые для каждого текущего состояния (ЛУДв) значения частных чувствигельностей измеряемых параметров к параметрам определяемым.

Рассчитанные значения основной приведенной погрешности составили:

а)ддя 0,2..0,8 % для всех сочетаний АЛ^в;

б)для в: 0,13..0,53 % для всех сочетаний W,S,G;

б) для Б. °/о б болып2и Части факторксго пространства

При W<0,15 , Б>70 г/л; й>0П5 наблюдается аномально высокая погрешность определения 8, поэтому достоверные измерения солесодержакия при таком сочетании факторов невозможны.

Дополнительные погрешности определения и 5 от нестабильности диэлектрической проницаемости нефти при Аея - ±0,2 составляют: /V,, < 2 %; < Ю % (при ^^ > 0,15).

Приведенные динамические погрешности МФДС ВГНС, рассчитанные для предельных скоростей изменения параметров состава =0,01 с"1, У£=1(г/л>с',Уо=0,01 с'К составляют:

ГКд < 0,35 %; у^ < 2,5 % (при W> 0,15); Го„ < 2%.

Пятая глава посвящена описанию разработанных конструкций и выполненных экспериментов.

Описаны конструкция МФДС ВГНС с плоскими противолежащими элементами, схема вторичной обработки его сигналов, а также алгоритм и программное обеспечение для вычислительной части.

Для акустического измерительного канала экспериментально определен минимальный уровень синусоидального напряжения, прикладываемого к пьезоизлучателю , и соответствующие параметры схемы генератора, при которых погрешности, обусловленные шумовыми помехами, имеют допустимые значения. Также экспериментально определен минимальный временной интервал усреднения результата измерения акустической задержки г, при котором ошибки от помех различного вида имеют допустимые значения.

Длительность цикла измерения составила не более 300 мс.

Разработана методика градуировки МФДС ВГНС.

Изготовлен экспериментальный образец МФДС ВГНС. Проведены его испытания на специальном стенде. В качестве исследуемой жидкости использовалась смесь «вода-трансформаторное масло». По результатам градуировочных измерений определены коэффициенты уравнений регрессии, составляющих приближенную модель датчика. Определены дисперсии воспроизводимости опытов и дисперсии адекватности модели по каждому из измеряемых параметров. Из сравнения рассчитанного и табличного значений критерия Фишера сделаны выводы об адекватности модели.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Систематизирована информация по известным методам и средствам измерения влажности V/, солесодержания Б и содержания свободного газа в в ВГНС. Выявлено, что точность многих датчиков ограничена из-за недостаточной избирательности чувствительности измеряемого информационного параметра к определяемому параметру состава.

2. Предложено уменьшение погрешностей определения каждого из параметров IV,Б,О осуществлять не за счет повышения избирательности чувствительности датчиков к отдельным параметрам, а путем реализации совместных измерений, где учитывается одновременное влияние ЭД'.Б.О на измеряемые информационные параметры, с помощью одного многофункционального датчика

3.Сформулированы основные принципы построения многофункциональных датчиков для измереш!я \УДО.

4. Проведен анализ комбинаций ЧЭ, наиболее перспективных с точки зрения совмещения в МФДС ВГНС для поточных измерений. На основании результатов этого анализа предложен класс многофункциональных датчиков, назвашплх КА-^Д, в которых в различных вариантах созмсщсны '"1 > у, предназначенные для измерения комплексной электрической проводимости жидкой среды, и. акустические ЧЭ для измерения скорости звука.

5. Разработана классификация КАЭД. На основе анализа возможных конструкций и схем включения выявлен ряд оригинальных решений, на некоторые из которых получены охранные документы Роспатента (Патент РФ на изобретение № 2085934, Свидетельства на полезные модели №№ 2443, 4168, положительные решения Роспатента о выдаче патентов на изобретения по заявкам №№ 95121293, 96105041 ).

6. Выявлено, что наиболее простым в реализации является КАЭД с плоскими противолежащими элементами (11113), каждый из которых выполняет , в зависимости от текущего подцикла работы, функцию электрода измерительного конденсатора или пьезоэлектрического приемника-излучателя. КАЭД ППЭ выбран в качестве базовой конструкции для исследований.

7. Разработана математическая модель КАЭД 11113, представляющая собой две системы нелинейных уравнений (для эмульсий типов «вода в нефти» и «нефть в воде»).

8.Усгановлено, что в широкодиапазонном КАЭД, предназначенном дня работы в диапазонах \У=0..1 и 8=1..100 г/л принципиально невозможно использование электродов, покрытых диэлектрическим слоем.

9. Установлено, что для однозначного определения солесодержания водной фазы Б в диапазоне 1..100 г/л в эмульсиях типа «вода в нефти» необходимо задавать рабочую частоту электрического канала КАЭД ППЭ порядка 30 МГц.

10'. Установлено, что для обеспечения инвариантности измерений содержания свободного газа к размерам газовых пузырьков рабочая частота акустического канала должна составлять 200..250 Гц.

11. Оптимизированы геометрические параметры КАЭД ППЭ, а именно: радиус электродов Р. и зазор с/ между ними. Обоснован выбор в качестве крягерия оптимизации показателя, являющегося мерой обусловленности получаемых результатов вычислений Б, в . Выявлены оптимальные соотношения Л и минимизирующие этот показатель.

12. Проведен анализ погрешностей определения параметров состава

Б, в с помощью КАЭД ППЭ, который показал, что выигрыш по точности измерения V/ и О составляет 1,5-5 раз по сравнению с аналогичными однопарамеггрическими измерителями влажности и содержания свободного газа, не учитывающими одновременного влияния на сигналы ЧЭ параметров V/, Б, в, Т. Погрешность определения солесодержания Б приемлема в типичных для многих нефтепромыслов диапазонах изменения ЧУДО. Однако в области факторного пространства, где одновременно выполняются неравенства W<0,15; Б>70 г/л; С>0,05, высокие значения погрешностей определения Б делают измерения этого параметра практически невозможными.

13. Разработан и изготовлен экспериментальный образец МФДС ВГНС на основе КАЭД ППЭ. Разработано также программное обеспечение, предназначенное для расчета параметров V/, Б, О и их погрешностей.

14. Проведены градуировочные испытания МФДС ВГНС на специальном стенде для искусственной эмульсии «вода-трансформаторное масло», по результатам которых оценены дисперсии воспроизводимости опытов, дисперсии адекватности модели и сделаны выводы об адекватности модели. Установлено, что максимальные отклонения вычисляемых значений

от задаваемых в ходе эксперимента составили: по V/: 1,2%;

по Б: 10 % (при Б = 1..50 г/л); по в: 0,8%.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

¡.Фетисов B.C. Акусто-кондуктометрическая ячейка как датчик для анализаторов состава водонефтяных эмульсий // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Тез. докл. VII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. -Гурзуф, 1995. -т.1,с.247.

2.Нигмаджанов Т.Е., Фетисов B.C. Прецизионный датчик электрической проводимости жидких сред // Датчики п преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Тез. докл. VII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - Гурзуф, 1995. - т.1, с. 54.

3. Фетисов В.С., Дворцов ДВ. Комбинированные датчики для систем контроля влагосодержания нефти // Материалы 46-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Уфимского государственного нефтяного технического университета.- Уфа: УГНТУ, 1995.- с.199.

. Фетисов В. С. Повышение точности измерений влагосодержания нефти Н Диагностика, информатика, метрология - 95 : Тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. - С.-Петербург, 1995. - с.196.

5. Фетисов B.C. Программно-аппаратный комплекс для контроля параметров водонефтяной эмульсии // Электроника и информатика : Тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. с международным участием. - М.: МИЭТ, 1995. - с.256.

6. Фетисов B.C., Хисамутдпнов Р.В. Инфорлсационно-из мерительная система для контроля состояния и учета количества нефтепродуктов И Информационные и кибернетические системы и их элементы : Тез. докл. Всероссийской молодежной науч.-техн. конф. - Уфа: УГАТУ, 1995. - с.96.

7. Фетисов B.C., Соколов КИ. О комбинировании датчиков // Информационные и кибернетические системы и их элементы : Тез. докл. Всероссийской молодежной науч.-техн. конф. - Уфа: УГАТУ, 1995. - с. 183.

8. Фетисов B.C., Беляков В.Л. Акусто-диэлькометрический датчик для систем контроля влагосодержания нефти // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов : Сб. науч. трудов. - Уфа: ИГГГЭР, 1995. -с. 132-135.

9. Фетисов B.C. Акусто-диэлькометрический датчик для измерения влажности многокомпонентных жидкостей // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Тез. докл. VIII н.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - Гурзуф, 1996. - т. I, с. 165-166.

10. Фетисов B.C., Иванцов С.Ю. Программно-аппаратный комплекс «Oil Control - 95» /У Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Тез. докл. VIII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - Гурзуф, 1996. - т.2, с.371.

11. Фетисов B.C. Многофункциональные акусто-диэлькомегричеекие датчики для контроля параметров водонефтяной эмульсии // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Межвуз. науч. сб., вып.1. -Уфа- УГАТУ, 1996. - с. 11 -17.

12.Абдулаев А.А., Беляков B.JI, Фетисов B.C. Измерение акустических параметров гетерогенных жидких сред в трубопроводах малого диаметра // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Межвуз. науч. сб., вып.1. - Уфа: УГАТУ, 1996. - с.165-169.

13. Свидетельство Роспатента № 2443 на полезную модель; МПК G 01 N 27/02. Комбинированный автогенераторный анализатор состава жидкостей / Фетисов B.C. - Заявл. 2.02.95. Опубл. 16.07.96. Бюл. № 7,1996.

14. Фетисов B.C. Комбинированные измерительные преобразователи для систем контроля состава водонефтяных эмульсий // Датчики систем измерения, контроля и управления : Межвуз. сб. науч. трудов, был, 16. - Пенза: ПГТУ, 1996. - с.37-42. *

15. Фетисов B.C., Нишаджанов Т.Б., Гусев В.Г. Бесконтактные первичные преобразователи электрических параметров жидкостей // Приборы и системы управления. - № 6,1996. - с.46-49.

16. Фетисов B.C. Комбинирование датчиков в системах автоматического контроля параметров водонефтяных эмульсий // Теория и проектирование систем автоматического управления и их элементов : Межвуз. сб. назч. трудов. - Уфа: УГАТУ, 1996. - с.62-64.

17. Фетисов B.C. Комбинирование емкостных и акустических чувствительных элементов в датчиках для исследования жидких сред // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Сб. науч. статей. - Уфа: Гилем, 1996. - с.26-37.

18. Свидетельство Роспатента № 4168 на полезную модель; МПК G 01 N 27/22. Влагометрический датчик для жидкостей / Фетисов B.C. - Заявл. 3.01.96. Опубл. 16.05.97. Бюл. № 5,1997.

19. Патент РФ № 2085934, МПК G 01 N 29/02. Акусто-кондукгометрический анализатор состава жидкостей / Фетисов B.C., Нишаджанов Т.Б. // Опубл. 27.07.97, Бюл. №21.

20. Фетисов B.C. Современное состояние и тенденции разработок датчиков состава водонефтяных эмульсий // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления : Тез. докл. IX науч,-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - Гурзуф, 1997. - с. 17-19.

21. Фетисов B.C., Колегаев Ю.Б. О выборе варианта совокупных измерений // Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации : Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. -Уфа: УГАТУ, 1997. - с.95-96.