RU2112220C1

RU2112220C1 - Ultrasonic level gauge

Info

Publication number: RU2112220C1
Application number: RU97104083A
Authority: RU
Inventors: А.А. Болотов; Г.В. Лошкин
Original assignee: Тюменский научно-исследовательский и проектный институт природного газа и газовых технологий
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1998-05-27

Abstract

FIELD: petroleum refining and chemical industries. SUBSTANCE: high-pressure vessel accommodates piston-separator, upper surface of which carries two piezo electric elements. Lower part of vessel is filled with liquid. Piston-separator is provided with rod positioned in induction coil of level gauge application. EFFECT: enhanced reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для непрерывного контроля положения границы раздела несмешивающихся сред. Оно может быть использовано для прецизионного контроля объемов жидкости и газа при их совместной фильтрации через пористую среду и тем самым найти применение при подготовке проектов разработки нефтяных и газоконденсатных месторождений. Кроме того, оно найдет широкое применение в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. The invention relates to the field of measurement technology and is intended for continuous monitoring of the position of the interface of immiscible media. It can be used for precision control of liquid and gas volumes during their joint filtration through a porous medium, and thereby find application in the preparation of projects for the development of oil and gas condensate fields. In addition, it will find wide application in the oil refining and chemical industries.

Для всех практически важных случаев совместная фильтрация через пористые материалы двух несжимаемых несмешивающихся сред удовлетворительно описывается уравнением Бакли-Леверетта [1]. При вытеснении пластовых жидкостей газом определение относительной проницаемости движущихся сред осложняется конечной сжимаемостью и особым характером движения газа. Это вызывает необходимость выполнения экспериментальных исследований по определению объемов совместно движущихся сред при различных температурах и давлениях. For all practically important cases, joint filtration through porous materials of two incompressible immiscible media is satisfactorily described by the Buckley-Leverett equation [1]. During the displacement of formation fluids by gas, the determination of the relative permeability of moving media is complicated by the final compressibility and the special nature of the gas movement. This makes it necessary to carry out experimental studies to determine the volumes of jointly moving media at various temperatures and pressures.

В измерительной технике широко известны устройства, предназначенные для контроля объемов контактирующих сред путем определения положения границы раздела сред, в частности границы "жидкость-газ". Значительное место среди них занимают ультразвуковые уровнемеры [2]. Основным требованием для большинства таких уровнемеров является знание скорости распространения ультразвуковых волн в одной из контактирующих сред при данных температурах и давлениях. Технически это требование чаще всего реализуется с помощью калиброванных каналов, длина которых фиксируется. Devices designed to control the volumes of contacting media by determining the position of the interface between media, in particular the liquid-gas boundary, are widely known in the measurement technique. A significant place among them is occupied by ultrasonic level gauges [2]. The main requirement for most of these level gauges is the knowledge of the speed of propagation of ultrasonic waves in one of the contacting media at given temperatures and pressures. Technically, this requirement is most often implemented using calibrated channels, the length of which is fixed.

Известен, например, акустический уровнемер [3], содержащий измерительный и эталонный датчики, измерительную и эталонную трубу, размещенную в направляющей трубе, сообщающейся с контролируемой жидкостью. Устройство обладает недостаточной точностью вследствие использования для излучения и приема колебаний одного и того же датчика и сложностью производства измерений. Known, for example, an acoustic level gauge [3], containing a measuring and reference sensors, a measuring and reference pipe, placed in a guide pipe in communication with the controlled fluid. The device has insufficient accuracy due to the use of the same sensor for radiation and receiving oscillations and the complexity of the measurement.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее уровнемерную трубку, заполненную эталонной жидкостью и выполненную из материала, акустическое сопротивление которого близко к акустическому сопротивлению контролируемой жидкости, две пары пьезоэлементов, размещенных на противоположных концах этой трубки, и рефлектор, установленный в трубке под углом 45^o к оси трубки, перемещение которого производится тросом [4].The closest in technical essence is a device containing a level gauge tube filled with a reference fluid and made of a material whose acoustic impedance is close to the acoustic impedance of the controlled fluid, two pairs of piezoelectric elements placed at opposite ends of this tube, and a reflector mounted in the tube at an angle of 45 ^o to the axis of the tube, the movement of which is carried out by a cable [4].

Данное устройство обладает недостаточной точностью вследствие расхождения ультразвукового луча при распространении в эталонной жидкости и 3-х кратном отражении его на всем пути от излучателя к приемнику ультразвуковых колебаний. Оно может быть использовано в узком диапазоне термобарических параметров в связи с необходимостью соблюдения акустической "прозрачности" уровнемерной трубки по отношению к контролируемой жидкости. This device has insufficient accuracy due to the divergence of the ultrasonic beam when propagating in the reference liquid and 3 times reflecting it all the way from the emitter to the receiver of ultrasonic vibrations. It can be used in a narrow range of thermobaric parameters due to the need to comply with the acoustic "transparency" of the level tube in relation to the controlled fluid.

Задачей изобретения является повышение точности определения положения уровня и расширении диапазона применения уровнемера для различных сред и термобарических параметров. The objective of the invention is to increase the accuracy of determining the position of the level and expand the range of application of the level gauge for various environments and thermobaric parameters.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в измерении скорости распространения ультразвуковых волн в одной из контактирующих сред при различных термобарических параметрах. The technical result to which the invention is directed is to measure the propagation velocity of ultrasonic waves in one of the contacting media at various thermobaric parameters.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что ультразвуковой уровнемер, содержащий два пьезоэлемента и электронную схему, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сосуд высокого давления, с размещенным в нем поршнем-разделителем, жидкость, заполняющую нижнюю часть сосуда, и индукционную катушку, причем пьезоэлементы установлены на верхней поверхности поршня-разделителя, а поршень-разделитель снабжен штоком, размещенным в полости индукционной катушки. The task and the technical result are achieved in that the ultrasonic level gauge containing two piezoelectric elements and an electronic circuit, characterized in that it further comprises a pressure vessel with a piston separator placed therein, a liquid filling the lower part of the vessel, and an induction coil, moreover piezoelectric elements are mounted on the upper surface of the piston-separator, and the piston-separator is equipped with a rod located in the cavity of the induction coil.

Таким образом, изобретение отвечает критерию "новизна". Thus, the invention meets the criterion of "novelty."

Использование изобретения позволит достичь результата, удовлетворяющего потребность. Таким образом, изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень". Using the invention will achieve a result that meets the need. Thus, the invention meets the criterion of "inventive step".

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер схематично представлен на чертеже. The proposed ultrasonic level gauge is schematically represented in the drawing.

Уровнемер содержит сосуд высокого давления 1, внутри которого размещен поршень-разделитель 2. Поршень снабжен штоком 3, на верхней поверхности поршня размещены пьезоэлементы 4 и 5, являющиеся излучателем и приемником ультразвуковых колебаний, соответственно. Нижняя часть сосуда 1 заполнена буферной жидкостью, например, силиконовым маслом. В состав уровнемера входит индукционная катушка 7, в полости которой находится шток 3 поршня-разделителя. Уровнемер снабжен измерительным электронным блоком 8, включающем генератор синхроимпульсов, генератор видеоимпульсов, усилитель, частотомер, осциллограф, а также мостовую схему, в одно плечо которой включена индукционная катушка. The level gauge contains a pressure vessel 1, inside of which a piston-separator 2 is placed. The piston is equipped with a rod 3, piezoelectric elements 4 and 5 are placed on the upper surface of the piston, which are the emitter and receiver of ultrasonic vibrations, respectively. The lower part of the vessel 1 is filled with a buffer liquid, for example, silicone oil. The level gauge includes an induction coil 7, in the cavity of which there is a rod 3 of the piston-separator. The level gauge is equipped with a measuring electronic unit 8, including a clock generator, a video pulse generator, an amplifier, a frequency meter, an oscilloscope, and also a bridge circuit, in one arm of which an induction coil is connected.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Перед началом фильтрации сред поршень-разделитель 2 с помощью буферной жидкости 6 переводится в верхнюю часть сосуда высокого давления до упора. Совместная фильтрация при определенном давлении, контролируемом манометром 12, жидкости 9, например, нефти и газа 10, например метана, через насыщенную жидкостью пористую среду 11 буферной жидкостью. При этом поршень движется вниз. Его перемещение фиксируется мостовой схемой измерительного блока 8. В вытесняемой жидкости, вошедшей в сосуд вслед за поршнем, определяется время распространения ультразвукового сигнала. С этой целью генератором синхроимпульсов запускается частотомер и временная развертка осциллографа, одновременно подается сигнал на видеогенератор, с которого видеоимпульс подается на излучающий пьезоэлемент 4. Пьезоэлемент 4 преобразует электромагнитный импульс в ультразвуковой сигнал, который распространяется в жидкости и отражаясь от плоской верхней части сосуда 1 попадает на приемный пьезоэлемент 5, выполненный в виде кольца. Пьезоэлемент 5 преобразует ультразвуковой сигнал в электрический импульс, который после усиления поступает на осциллограф и частотомер, останавливая временную развертку осциллографа и счет частотомера. На экране осциллографа отображается амплитуда прошедшего импульса, на цифровом табло частотомера - время распространения ультразвукового сигнала от поршня до крышки сосуда и обратно. Высота слоя жидкости в данном случае равна длине хода поршня, определяемой с помощью мостовой схемы измерительного блока 8. Поэтому, зная длину хода поршня и время распространения ультразвукового сигнала, находят скорость звука в жидкости при данном давлении и температуре фильтрации по формуле :
c = 2l/τ,
где
l - длина хода поршня; τ - время на цифровом табло частотомера.Before starting the filtration of the media, the piston-separator 2 with the help of a buffer liquid 6 is transferred to the upper part of the pressure vessel until it stops. Co-filtration at a certain pressure, controlled by a pressure gauge 12, of a liquid 9, for example, oil and gas 10, for example methane, through a fluid-saturated porous medium 11 with a buffer liquid. In this case, the piston moves down. Its movement is recorded by the bridge circuit of the measuring unit 8. In the displaced liquid, which entered the vessel after the piston, the propagation time of the ultrasonic signal is determined. To this end, the clock and frequency oscilloscope are started by the clock generator, and the signal is simultaneously transmitted to the video generator, from which the video pulse is supplied to the emitting piezoelectric element 4. Piezoelectric element 4 converts the electromagnetic pulse into an ultrasonic signal, which propagates in the liquid and is reflected from the flat upper part of the vessel 1 gets onto receiving piezoelectric element 5, made in the form of a ring. The piezoelectric element 5 converts the ultrasonic signal into an electrical pulse, which, after amplification, enters the oscilloscope and the frequency meter, stopping the time base of the oscilloscope and the frequency counter counting. The amplitude of the transmitted pulse is displayed on the oscilloscope screen, and the propagation time of the ultrasonic signal from the piston to the vessel cover and vice versa is displayed on the digital display of the frequency meter. The height of the liquid layer in this case is equal to the piston stroke length, determined using the bridge circuit of the measuring unit 8. Therefore, knowing the piston stroke length and the propagation time of the ultrasonic signal, the speed of sound in the liquid is found at a given pressure and filtration temperature by the formula:
c = 2l / τ,
Where
l is the piston stroke length; τ is the time on the digital display of the frequency meter.

Вследствие различия проницаемости жидкости и газа при фильтрации через образец пористой среды поршнеобразного вытеснения жидкости газом не происходит. Поэтому через некоторое время после начала фильтрации в верхней части сосуда появляется газ и возникает граница раздела "жидкость-газ". Возникновение этой границы четко фиксируется ростом амплитуды ультразвукового сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа. Это объясняется тем, что коэффициент отражения ультразвуковых волн на границе "жидкость-газ" практически равен 1 вследствие того, что волновое сопротивление жидкости на несколько порядков больше волнового сопротивления газа при температурах и давлениях, далеких от критических. В то время как на границе "твердое тело-жидкость" коэффициент отражения составляет 0,6-0,7. Due to the difference in the permeability of liquid and gas during filtration through a sample of a porous medium, piston-like displacement of liquid by gas does not occur. Therefore, some time after the start of filtration, gas appears in the upper part of the vessel and a liquid-gas interface appears. The occurrence of this boundary is clearly recorded by the increase in the amplitude of the ultrasonic signal observed on the oscilloscope screen. This is because the reflection coefficient of ultrasonic waves at the liquid-gas interface is practically equal to 1 due to the fact that the wave resistance of a liquid is several orders of magnitude greater than the wave resistance of a gas at temperatures and pressures that are far from critical. While at the "solid-liquid" boundary, the reflection coefficient is 0.6-0.7.

При дальнейшей фильтрации наблюдается увеличение объема газовой и жидкой фаз. Значение объема газовой фазы определяется как разность полного объема над поршнем по известной длине хода поршня и объема жидкой фазы по известной скорости звука и измеренному в данный момент времени распространения ультразвукового сигнала при данной температуре и давлении фильтрации. With further filtration, an increase in the volume of the gas and liquid phases is observed. The value of the volume of the gas phase is determined as the difference between the total volume above the piston according to the known length of the piston stroke and the volume of the liquid phase according to the known speed of sound and the current measured propagation time of the ultrasonic signal at a given temperature and filtration pressure.

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер, в отличие от прототипа, обладает большей точностью в определении положения уровня жидкости, обусловленной относительно малым расхождением луча, а также измерением общей высоты контактирующих фаз и скорости звука в одной из них. Он может быть использован, в отличие от прототипа, в широком диапазоне температур и давлений. The proposed ultrasonic level meter, in contrast to the prototype, has greater accuracy in determining the position of the liquid level, due to the relatively small divergence of the beam, as well as measuring the total height of the contacting phases and the speed of sound in one of them. It can be used, unlike the prototype, in a wide range of temperatures and pressures.

Внедрение предлагаемого ультразвукового уровнемера в целях контроля фазовой проницаемости пород-коллекторов углеводородного сырья позволит повысить надежность и обоснованность проектов разработки месторождений. The introduction of the proposed ultrasonic level gauge in order to control the phase permeability of reservoir rocks of hydrocarbon raw materials will improve the reliability and validity of field development projects.

Источники информации
1. Коллинз Р. Течение жидкостей через пористые материалы. -М.: Мир, 1964, с. 189 - 201.Sources of information
1. Collins R. The flow of fluids through porous materials. -M .: Mir, 1964, p. 189 - 201.

2. Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. -М.: Энергия, 1971, с. 30 - 50. 2. Babikov O. I. Level control using ultrasound. -M .: Energy, 1971, p. 30 - 50.

3. Авт. св. СССР N 436241 кл. G 01 F 23/28 БИ, N 26, 15.07.1974. 3. Auth. St. USSR N 436241 cells G 01 F 23/28 BI, N 26, 07/15/1974.

4. Авт. св. СССР N 512380, G 01 F 23/28, БИ N 16, 30.04.1976. (прототип) 4. Auth. St. USSR N 512380, G 01 F 23/28, BI N 16, 04/30/1976. (prototype)

Claims

An ultrasonic level gauge containing two piezoelectric elements and an electronic measuring circuit, characterized in that it further comprises a pressure vessel with a piston separator located therein, a liquid filling the lower part of the vessel, and an induction coil, wherein the piezoelectric elements are mounted on the upper surface of the separator piston, and the piston-separator is equipped with a rod placed in the cavity of the induction coil.