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NUEVO DISPOSITIVO BASADO EN ULTRASONIDO PARA LA MEDIDA PRECISA DE NIVELES DE ACEITE, EMULSION Y AGUA EN TANQUES DE PETRO

Presentación que muestra el funcionamiento del dispositivo.
by

Julián Infante

on 29 November 2010

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Transcript of NUEVO DISPOSITIVO BASADO EN ULTRASONIDO PARA LA MEDIDA PRECISA DE NIVELES DE ACEITE, EMULSION Y AGUA EN TANQUES DE PETRO

NUEVO DISPOSITIVO BASADO
EN ULTRASONIDO
PARA LA MEDIDA PRECISA
DE NIVELES DE ACEITE,
EMULSION Y AGUA EN
TANQUES DE PETROLEO 1. INTRODUCCIÓN 2.ARQUITECTURA DEL HARDWARE PARA EL SENSOR DE DETECCIÓN DE MULTI-NIVEL. 2.1 Concepto 2.2 El Transmisor 2.3 El Receptor 3 FACTORES DE CONDUCCIÓN PARA EL DISEÑO DE EL TANQUE 3.1 Distancia que se encuentra entre las dos verticales 3.2 Propiedad del material de los soportes verticales 4 RESULTADOS PRELIMINARES 4.1Primer paso de los experimentos: Factores de conducción para el diseño de los soportes verticales en el tanque 4.2 La segunda serie de experimentos 4.3 Tercer Paso de experimentos:
Los resultados preliminares en el tanque
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Julián Dario Infante
Yudelman Eloy Carrillo 1. INTRODUCCION las instituciones productoras de petróleo en muchas partes del mundo todavía se enfrentan con el problema de la producción de agua y gas junto con el aceite en sus campos de su petróleo. La separación de estos tres componentes es por sí una necesidad. Esta separación por lo general se lleva a cabo en etapas. En una de estas etapas de separación de mezcla de aceite y agua se deja reposar en grandes tanques durante un periodo corto de tiempo.
Este proceso provoca la separación de la mezcla de aceite y agua 2.ARQUITECTURA DEL HARDWARE PARA EL SENSOR DE DETECCIÓN DE MULTI-NIVEL. 2.1 Concepto La idea básica deL dispositivo es que la cantidad de ondas de ultrasonido recibido y su velocidad, dependen de la densidad del líquido. En un estudio se muestra que la impedancia acústica del agua y el aceite (1,4 y 1,07, respectivamente) son diferentes. la medición de la respuesta de la señal en diferentes posiciones verticales en el depósito, en los dos niveles de la interfaz se puede medir La ventaja de este diseño es que los resultados son independientes de las propiedades geométricas y químicas de las paredes del tanque 2.2 El Transmisor

El circuito transmisor real consiste en un oscilador, un inversor, un puente amplificador, y un sensor de ultrasonido. Fue diseñado de tal manera que puede transmitir hacia el receptor de ultrasonido unos pulsos programables con una frecuencia fija, f_0 (que puede ser igual a 23, 40, o 150 KHz, respectivamente), la cual puede ser modulada con otra señal portadora, e_2 (t), de un período T_1=1/f_1 =30ms Esta técnica de modulación fue diseñada con el fin de calcular correctamente la componente de retraso de la señal recibida 2.3 El Receptor

La forma de ondas detectadas por ultrasonido se convierte en una tensión en el receptor piezoeléctrico RX, y es alimentado en un sistema de procesamiento de la señal analógica, que consiste en la amplificación de la señal con sistemas de amplificadores operacionales de alta ganancia y velocidad. La señal amplificada entonces alimenta a un filtro de segundo orden La señal acondicionada se convierte en una señal de onda digital de alta velocidad, en un A/D de 12 bits con muestreo de 2,5Megamuestras por segundo (MSPS) El post-procesamiento consiste en determinar los componentes de frecuencia de la forma de onda mediante un algoritmo de la transformada rápida de Fourier (FFT) El análisis de la señal recibida en el dominio de la frecuencia tiene la ventaja de proporcionar resultados precisos, independientemente de la cantidad de ruido que rodea al dispositivo. La otra salida del amplificador se alimenta a un comparador (detector de retraso en la Figura 2), que detecta las porciones de la señal recibida con amplitud significativa. Esto permite un inmediato cálculo del tiempo transcurrido entre la transmisión y recepción de los pulsos en el dominio del tiempo. 3 FACTORES DE CONDUCCIÓN PARA EL DISEÑO DE EL TANQUE 3.1 Distancia que se encuentra entre las dos verticales

Se ha demostrado que el pulso ultrasónico llega al receptor después de un retraso de:



Cuando Z_T y Z_F son las profundidades de los tubos y la distancia que separa los dos soportes verticales respectivamente, mientras que TV y FV son la velocidad del sonido en el soporte vertical y el líquido, respectivamente. Se ha demostrado que el aceite y el agua tienen una diferencia significativa de la velocidad de las ondas de ultrasonido. Por lo tanto, para tener una diferencia significativa de retraso, la distancia
que separa los dos soportes verticales debe ser alta (Por ejemplo, por lo menos más de 1 cm). Sin embargo, esto puede generar una amortiguación adicional de las ondas ultrasónicas.Por lo tanto, el diseño del tanque se
realizada de tal manera que la distancia de los dos soportes pueden ser fácilmente modificados (por ejemplo, a partir del 1 cm a 25 cm). 3.2 Propiedad del material de los soportes verticales Otro de los factores principales que influyen en la atenuación es la impedancia acústica o módulo de compresibilidad. En un límite entre dos objetos (por ejemplo, de líquido vertical de pie) con diferentes impedancias de ultrasonidos, es un reflejo. El coeficiente de reflexión está directamente relacionado con la diferencia de impedancia entre los dos medios Esto nos llevó a utilizar el cristal por su propiedad simultáneamente cerca del agua y el aceite. 4 RESULTADOS PRELIMINARES
4.1Primer paso de los experimentos: Factores de conducción para el diseño de los soportes verticales en el tanque

Al principio, varias pruebas se realizaron en dos pequeños recipientes de tamaño similar (2 cm x 5 cm x 10 cm), que contiene el aceite (aceite de motor) y el otro el agua. El objetivo de estos experimentos es conocer la naturaleza de la recepción de las ondas ultrasónicas cuando se utilizan estos dos fluidos, al igual que la fiabilidad de los sensores analógicos. Estos sensores se colocaron en el mismo eje horizontal para que una potencia máxima pueda ser recibida.

Las tablas 1 y 2 muestran los resultados Todos los experimentos se han realizado en el aceite y el agua con tres frecuencias diferentes: 23 KHz, 40 KHz y 150 KHz. En la Figura 4 se muestra los diferentes parámetros que se mide De las tablas, se puede deducir que la velocidad de las ondas ultrasónicas en el agua son más rápidas que en el aceite. Además, la capacidad de repetición, tanto para el retraso y la amortiguación es buena. La mejor precisión podría obtenerse con la frecuencia f0 = 40 KHz. Con esta frecuencia, los resultados de la demora (en ms) fueron 4,3222 ± 0,35 y 5,07 ± 0,25 para el agua y el aceite, respectivamente. Esto es suficiente para distinguir entre el aceite y el agua. Nuestra conclusión es entonces centrarse en sensores de 40 KHz para el conjunto final de experimentos. Una de las principales observaciones fue que los sensores del transmisor y el receptor deben tocar la superficie del envase. De lo contrario, la señal de transmisión será fuertemente amortiguada Este resultado es la lógica de acuerdo con la ecuación (1) desde la introducción de una nueva capa (por ejemplo, aire) con una impedancia acústica diferente, generará un reflejo más fuerte que las de las ondas de ultrasonido. La Figura 5 ilustra el diseño del tanque. Tanto el transmisor ultrasónico y los dispositivos receptores se colocan separados de tal manera que la distancia que separa los dispositivos a la pared de la base es igual a la altura del sensor ultrasónico De esta manera, las ondas ultrasónicas pueden propagarse sólo a través de dos medios (por ejemplo, el líquido y el material de vidrio de la base). El segundo grupo de experimentos se realizó en los dos contenedores, ya se ha descrito en la sección 3. Los dos recipientes contienen el aceite y el agua, respectivamente. Al contrario que los experimentos realizados durante el primer paso, el transmisor del actual experimento fue diseñado de tal manera que
envía un estallido de ondas ultrasónicas como se muestra en Figura 6. Además, la Figura 6 también muestra los diferentes parámetros que se mide.
Estos parámetros son el tiempo transcurrido entre los dos trenes de pulsos (td) y la relación entre la atenuación recibida y la señal del transmisor A_r/A_t La figura 7 muestra los resultados de las ondas ultrasónicas recibidas para el agua y el aceite, respectivamente. Pudimos observar que la señal recibida es modulada en amplitud y que los dos parámetros y A_r/A_t son muy sensibles a la posición de los sensores de ultrasónicos en el tanque. Sin embargo, para los dos líquidos, la repetitividad de las mediciones fue de ±2% y ±1,5% para el agua y aceite, respectivamente. Esta segunda serie de experimentos confirman la viabilidad del concepto, ya que el retraso (td) y la relación de atenuación (A_r/A_t ) fueron significativamente diferentes en todos los casos, además que el estudio teórico muestra que la propagación de las ondas ultrasónicas en el aceite son mas rápidas en el agua. Además, se realizan los análisis de los resultados en el dominio de la frecuencia. La figura 8 muestra la información típica transformada de Fourier, en relación a la amplitud de la señal del espectro de frecuencias de la señal para el agua y aceite respectivamente. Además de la relación de demora y los parámetros de amplitud ya descritos en la sección 3, también se considera la frecuencia del primer y segundo armónico de la señal recibida (F1 y F2) y la raíz cuadrada media (RMS), definida como: Donde v es el promedio de la señal v. El parámetro RMS es una indicación de la fluctuación de la amplitud de la señal, en relación a su promedio en el dominio del tiempo. Una diferencia clara de todos estos parámetros entre el aceite y el agua es observada. 4.2 La segunda serie de experimentos

4.3 Tercer Paso de experimentos:
Los resultados preliminares en el tanque

La última serie de experimentos se llevó a cabo en el diseño del tanque. El tanque contenía sólo agua y la distancia entre las gradas se estableció a 1.5 cm. La señal de amplitud modulada recibida podría ser claramente identificada, así como los armónicos fundamentales y armónicos de la FFT. En la próxima fase de los experimentos se deberán incluir el aceite y un profundo análisis de las señales recibidas para detectar la posición de la capa de emulsión en el tanque. 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los resultados sugieren que la detección de interfaz de aceite y agua utilizando ultrasonido no es sólo razonable desde un punto de vista físico, sino que también forman parte de un punto de vista desde un sistema integrado de electrónica. Las ventajas de nuestra nueva técnica propuesta se pueden resumir de la siguiente manera: 1)Alta exactitud, seguridad, y puede ser utilizado en de múltiples capas de nivel de detección (por ejemplo, más de un capa de emulsión se puede medir).
2)No hay contacto físico con el líquido debido a que los transductores están montados dentro de un stand.
3)No hay posibilidad de fuga o contaminación.

4)La medida es independiente de la presión, densidades de Líquido, presencia de vapor y espuma en la superficie del líquido.

5)Fácil reconversión a los recipientes existentes, sin soldadura.
Las ondas de ultrasonido recibidas deben ser continuamente digitalizadas a un bajo costo y en tiempo real del hardware del sistema. Este sistema transfiere a continuación, los datos recogidos a una Computadora personal en el que se usa un algoritmo de Procesamiento Digital de Señales. ¿Preguntas? Gracias¡¡¡ Este estudio fue realizado por MAHMOUD MERIBOUT,
MOHAMED HABLI,
AHMED AL-NAAMANY &
KHAMIS AL-BUSAIDI
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