CN114137041A - 井口泡排采气泡沫自动检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气资源开采领域,涉及一种井口泡排采气泡沫自动检测装置,包括自动检测前端、检测系统部分、机械结构部分。自动检测前端包括电容检测前端和红外检测前端,检测系统以MCU作为核心控制器,实现检测结果的采集、处理和传输,机械结构部分包括密封透镜、红外线安装头、红外传感器外壳、光学腔体、处理系统上外壳、处理系统下外壳、检测前端上外壳、检测前端下外壳、检测电容、电容传感器外壳、电容安装头、装置外壳。本发明能够对井口泡沫进行实时检测,采用电容和红外线双检测前端,提高了检测的准确度和实时性,利用微控制系统,分析处理采集到的数据,将结果自动传输给移动端,完成自动化控制。
Description
技术领域
本发明属于油气资源开采领域,具体涉及一种井口泡排采气泡沫自动检测装置。
背景技术
泡排采气是采气过程中排水的主要手段之一,因其成本低、效果好在我国各大气田广泛应用。其原理是向积液气井底注入起泡剂,井底的积液与起泡剂接触以后,借助井底天然气流的搅动,产生大量低密度含水泡沫,含水泡沫随气流从井底将积液携带到地面,从而达到排出井底积液的目的。但是如果采气管道上游部分井站消泡不彻底,部分单井不具有消泡剂加注设备,以及分离过滤不彻底会引起集气管道或其他设备内泡排剂二次起泡。在工程实践中的泡沫排水采气,消泡剂通常是间歇式注入,以观察分离器的出水中不积泡为消泡标准。目前国内虽有一些其他的泡沫检测措施,但准确度、实时性与工程实际的差距,不利于气田自动化检测和消泡剂量的科学管理。
因此,针对泡排采气中难以准确掌握同步消泡情况和无法准确评价消泡剂消泡效果的实际问题,提高消泡效果、减少泡排剂对下游天然气增压、脱水设备的影响具有重要的工程实际意义。因此,本发明提出一种井口泡排采气泡沫自动检测装置,具有检测精度高、可靠性高、生产成本低的特点。
发明内容
本发明提供一种井口泡排采气泡沫自动检测装置,通过电容检测和红外检测,实现对气井管道中的泡沫含量检测,装置采用电容和红外线双检测前端,提高了检测的准确度和实时性,利用微控制系统,分析处理采集到的数据,将结果自动传输给移动端,完成自动化控制。
本发明的技术方案是:一种井口泡排采气泡沫自动检测装置,包括自动检测前端、检测系统部分、机械结构部分;其中泡沫自动检测前端部分包括红外检测前端和电容检测前端;其中检测部分包括MCU核心主控制模块、触摸显示模块、ADC信号采集模块、CAN通信模块、无线通信模块、报警模块、PWM调制信号模块、按键控制模块以及供电电源模块;其中机械结构部分包括密封透镜、红外线安装头、红外传感器外壳、光学腔体、处理系统上外壳、处理系统下外壳、检测前端上外壳、检测前端下外壳、检测电容、电容传感器外壳、电容安装头、装置外壳。
所述的红外检测前端利用射线的衰减规律时物质引起的衰减原理,通过检测光电探测器的信号强弱来判断泡沫的含量,具体包括光路系统和电路系统,光路系统包括光电检测器、光学腔体、光源,电路系统包括光源驱动和调制电路、前置I/V转换电路、四阶带通滤波电路和精密半波整流电路。
所述的电容检测前端利用电容和电介质之间的关系,通过检测电容中电压的微小变化来判断泡沫含量,具体包括运算放大电路、电容极板、检测空间;
所述的MCU核心主控制模块采用MCU核心控制器,MCU核心控制器是整个检测系统的控制核心,其内部包含了处理器以及多个片上组件,其他功能模块受MCU核心控制器控制。核心控制器采用STM32F103VET6芯片,实现装置所既定的功能需要进行核心控制模块的电路设计,具体包括:RTC时钟电路、系统启动电路、系统复位电路、程序导入电路和后备电源电路。
所述的触摸显示模块显示检测系统的运行状态和采集到的数据,同时具有一定的操纵控制功能,其驱动控制由MCU核心控制器集成片上的FSMC担任。
所述的ADC信号采集模块负责采集红外线检测前端和电容检测前端的输出电压信号与峰值检测,其功能实现依靠MCU核心控制器集成片上的ADC。
所述的CAN通信模块同DI接口相互配合,实现DI通信连接。
所述的无线通信模块与移动端相匹配,用于向移动端传递检测数据,或者接收移动端传递的控制指令。
所述的报警模块由工作指示灯和蜂鸣器组成,用于检测前端工作状况。
所述的PWM调制信号模块由MCU核心控制器输出PWM信号,用于调制红外线检测前端的光源频率,以及电容检测前端的检测指令,具有特定频率和占空比。
所述的按键控制模块用于人机交互,实现现场操作指令输出。
所述的供电电源模块为泡沫自动检测系统和泡沫检测前端提供电源。
本发明的有益效果是:(1)实现泡沫的自动检测,提高泡沫检测质量的精确性、实时性和稳定性,检测管道中泡沫含量的实时数据,减小误差因素。(2)通过红外检测和电容检测方法,增加了检测结果的可靠性。(3)优化现有泡沫自动检测装置,结合电容传感器和红外线传感器的优势,提高处理测量数据的准确性,优化检测装置与排气管道结构设计。
附图说明
图1是本发明总体结构图;
图2是本发明检测系统总体设计框图;
图3是红外检测光路系统示意图;
图4是红外检测系统电路图;
图5是电容检测系统示意图;
图6是运算放大电路图;
图7是核心控制模块电路图;
图8是CAN隔离收发模块电路图;
图9是触摸显示模块接口电路图;
图10是报警模块和按键模块电路图;
图11是供电电源模块电路图;
图12是核心控制模块PCB板。
图中标记及对应零部件名称:1-装置外壳,2-检测电容,3-电容传感器外壳,4-电容安装头,5-检测前端下外壳,6.-检测前端上外壳,7-处理系统上外壳,8-处理系统下外壳,9-红外传感器外壳,10-光学腔体,11-红外线安装头,12-密封透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:
参见图1,机械结构部分包括密封透镜12、红外线安装头11、光学腔体10红外传感器外壳9、处理系统上外壳7、处理系统下外壳8、检测前端上外壳6、检测前端下外壳5、电容传感器外壳3、检测电容2、电容安装头4、装置外壳1。电容传感器外壳3通过外螺纹与装置外壳1连接、电容安装头4通过螺纹与电容传感器外壳3的内螺纹连接、检测前端下外壳5通过螺纹与电容传感器外壳3连接、检测前端上外壳6通过螺纹与检测前端下外壳5连接、检测电容2安装于电容安装头4的通孔中,以上所述部分构成电容检测前端,并沿周向180°分布有两个电容检测前端。红外传感器外壳9通过外螺纹与装置外壳连接1、红外线安装头11通过螺纹与红外传感器外壳9的内螺纹连接、检测前端下外壳5通过螺纹与红外传感器外壳9连接、光学腔体10安装于红外线安装头11与检测前端下外壳5之间、检测前端上外壳6通过螺纹与检测前端下外壳5连接,以上所述部分构成红外检测前端,并沿周向90°分布有四个红外检测前端。处理系统下外壳8设计有两个通孔,两个通孔分别与装置外壳1上安装电容检测前端和红外检测前端的伸出端配合安装、处理系统上外壳7通过扣状结构与处理系统下外壳8连接。
参见图2、3、4,红外线检测前端的主要分为光路系统和电路系统,其中光路系统的组成包括光源、检测空间和光电探测器,电路系统包括光源驱动和调制电路、前置I/V转换电路、电压信号的四阶带通滤波电路和信号输出时的精密半波整流电路。光源是检测前端的核心元件,为检测提供红外光源。光源驱动与调制电路对光源进行驱动和调制,减少其他因素对光源频率和强度的影响,提高检测前端的检测精度。光源驱动与调制电路使用频率为4Hz,占空比为50%的调制脉冲信号。光电探测器是对直射光进行光电转换,决定了检测精度和稳定性。由于光线透过气体的衰减微小,因此反应在光电探测器探测感应后转化的输出电流信号微弱,直接采集不方便,所以本发明通过转换电路、滤波电路和整流电路三个电路将一系列的信号进行调理后进行采集。光学腔体是用于检测的空间,是光路系统中涉及到一系列光学反应过程的结构,把光源整形成光束,并对光束进行聚焦接收。红外线检测前端光路系统的硬件组成包括:光源、出射光阑组、出射光瞳、光敏区、入射光瞳、入射光阑组和光电探测器。光路系统的检测流程为:出射光阑组和出射光瞳将光源发出的红外光整形为一束平行光,平行光束经过光敏区的气流时,如果气流中含有泡沫,那么平行光束会有一部分光被泡沫散射和吸收,透射过的光束会衰减,最后入射光瞳和入射光阑组再将透射光线聚焦到光电探测器上的接收区域,探测器上的光电反应元件将接收到的光通量转换成对应的电信号。
参见图2、5、6,电容检测前端的电路系统包括运算放大电路,电容系统包括电容极板和检测空间两个部分。运算放大电路根据被测电容间充电和放电所产生的三角波振荡周期变化,从而测得电容量大小,传递检测信号。电容系统的工作流程为:管道中的气流经过电容极板之间时,气体介质中泡沫含量的变化会引起相应气体的密度和性质发生改变,导致混合物的介电常数发生变化,从而影响检测电容极板上的电压,将物理混合的变化转换为电流信号输出,电容系统通过电容极板负责反应相应变化。电容检测前端会接触管道气流中的泡沫,需要有一定的防腐蚀性,同时因为泡沫混合导致介电常数变化非常微小,所以要求检测的电容极板灵敏度高,本发明采用镍铁合金镀金的极板。考虑管道的高压和结构安全,在保证管道强度条件的前提下,本发明选择最大的间距以提高电容检测的灵敏度。根据装置外壳1的管道内径尺寸38mm,以及电容安装头的尺寸24mm,极板长度在有足够的强度和不干扰对面电容检测前端的情况下长度取15mm,两极板间的间距为6mm,宽度为6mm。
参见图7,核心控制器采用STM32F103VET6芯片,具体包括:RTC时钟电路、系统启动电路、系统复位电路、程序导入电路和后备电源电路。RTC时钟电路包括外部高速时钟电路和外部低速时钟电路,电路中的电容C20和C21大小为22Pf增加震荡频率的输出稳定性,电阻R14的大小为1MΩ,通过减小阻抗,降低晶振起振的阈值。系统启动电路通过BOOT两个引脚的电平状态改变启动模式。系统复位电路采用RC复位电路,按下RESET按键时,电容C24充电,引脚NRST不会立刻变为高电平,当电容C24充电完成后才变为高电平,实现复位。程序导入电路采用SWD接口调试,同时采用双向数据线,占用引脚更少。电源电路用于应对突发情况下控制芯片的供电。
参见图8,ADC信号采集模块负责采集红外线检测前端和电容检测前端的输出电压信号与峰值,其功能实现依靠于MCU核心控制器集成片上的ADC。CAN通信模块包括通信接口电路和无线传输模块,通信接口采用TD501DCAN芯片组成电路,该芯片集成了电源隔离、电气隔离、CAN总线和总线保护器于一体的CAN接口隔离收发模块,电磁抗干扰性能高,同时方便嵌入用户设备。无线传输模块采用V4.0蓝牙模块,型号为MLT-BT05,功耗低、通信距离远、支持USART接口、响应速度快。
参见图9,触摸显示模块包括液晶显示电路和触摸控制器电路,实现实时查看现场检测系统的运行状况和检测信息,同时方便操作。触摸显示模块采用理光3.2寸触摸液晶显示屏,驱动IC为ILI9325,输入电压为2.8V。液晶屏采用STM32的FSMC总线接口,可实现直接驱动。触摸屏和液晶屏是一体,所以需要外加触摸控制器,型号为ADS7843。
参见图10,报警模块由工作指示灯电路和报警蜂鸣器电路组成,工作指示灯电路由两个LED和一个PWR发光二极管组成,当检测结果表明泡沫含量超标或检测装置故障时,LED被导通进行发光报警,PWR发光二极管时用于指示系统正常工作状态。为增加报警系统的可靠性,增加了报警蜂鸣器实现声音提示,按键电路可避免触摸屏失效无法操作的情况。
参见图11,供电电源模块包括交流220V转5V电路、直流12V~24V转直流5V电路、5V转3.3V电路和负压转换电路。交流电主要以220V为主,工业用三相380V交流电,因此需要对其进行整流和降压,使其成为系统能用的低压5V直流电源输出。工业用蓄电池大多在12V~24V之间,且蓄电池基本输出为直流电,因此无需整流,只需降压成5V电压即可,采用MP2359芯片作为降压电路的核心。泡沫自动检测前端部分的电路大多采用3.3V电压供电,因此需要将转换成的5V电压再次降压为3.3V,采用AMS1117-3.3芯片作为降压模块,其转换精度高,直流电压输出稳定。根据检测部分所涉及的运算放大电路需要±3.3V双源供电,采用负压转换器生成-3.3V电压,选取MAX660负压转换芯片作为转换电路的核心,其输入电压为1.5V~5.5V,该芯片电压转换效率高,负载电流极限大。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明专利的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:包括自动检测前端部分、检测系统部分、机械结构部分;
所述自动检测前端部分包括红外检测前端和电容检测前端;
所述检测系统部分包括MCU核心主控制模块、触摸显示模块、ADC信号采集模块、CAN通信模块、无线通信模块、报警模块、PWM调制信号模块、按键控制模块和供电电源模块;
所述机械结构部分包括:装置外壳(1),检测电容(2),电容传感器外壳(3),电容安装头(4),检测前端下外壳(5),检测前端上外壳(6),处理系统上外壳(7),处理系统下外壳(8),红外传感器外壳(9),光学腔体(10),红外线安装头(11),密封透镜(12)。
2.根据权利要求1所述的井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:所述的红外检测前端包括光路系统和电路系统。
3.根据权利要求2所述的井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:所述的光路系统包括光电检测器、光学腔体、光源,电路系统包括光源驱动与调制电路、转换电路、滤波电路和整流电路;红外线检测前端光路系统的硬件组成包括:出射光阑组、出射光瞳、光敏区、入射光瞳、入射光阑组。
4.根据权利要求1所述的井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:所述的电容检测前端包括运算放大电路、电容极板、检测空间。
5.根据权利要求1所述的井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:所述机械结构部分包括密封透镜(12)、红外线安装头(11)、光学腔体(10)、红外传感器外壳(9)、处理系统上外壳(7)、处理系统下外壳(8)、检测前端上外壳(6)、检测前端下外壳(5)、电容传感器外壳(3)、检测电容(2)、电容安装头(4)、装置外壳(1)。
6.根据权利要求1所述的井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:所述的电容传感器外壳(3)与装置外壳(1)螺纹连接、电容安装头(4)与电容传感器外壳(3)螺纹连接、检测前端下外壳(5)与电容传感器外壳(3)螺纹连接、检测前端上外壳(6)与检测前端下外壳(5)螺纹连接、检测电容(2)位于电容安装头(4)的通孔中,沿装置外壳(1)周向180°分布两个电容检测前端。
7.根据权利要求1所述的井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:所述的红外传感器外壳(9)与装置外壳(1)螺纹连接、红外线安装头(11)与红外传感器外壳(9)螺纹连接、检测前端下外壳(5)与红外传感器外壳(9)螺纹连接、光学腔体(10)位于红外线安装头(11)与检测前端下外壳(5)之间、检测前端上外壳(6)与检测前端下外壳(5)螺纹连接,沿装置外壳(1)周向90°分布四个红外检测前端。
8.根据权利要求1所述的井口泡排采气泡沫自动检测装置,其特征在于:所述的处理系统电路板卡槽下外壳(8)设计有两个通孔,两个通孔分别与电容检测前端和红外检测前端的伸出端配合,处理系统上外壳(7)与处理系统下外壳(8)连接。
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