基于互相关算法的双相流流量检测单元的研究与设计

发布时间：2018-04-06 01:03

本文选题：互相关运算　切入点：螺旋式极板电容传感器　出处：《吉林大学》2017年硕士论文

【摘要】：石油与天然气是海洋矿产资源中最为重要的资源之一。海底石油储量占全球石油储量将近一半的比例,然而由于当前相关技术尚不成熟,还有很多亟待解决的技术性难题,海洋矿产资源并没有被合理地开采与充分的利用。近些年各国不断投入大量人力物力用以开采海洋石油资源,以期减小燃料紧缺的压力。在进行海底资源开发的过程中,为了对各油井的油量与开采速度实现更好的控制与规划,通常需要对运输管道中的油气流量与流速等流动参数进行实时监测。油井中的资源输出流通常为多相流,对于多相流体的测量,难点主要在于实现测量流体中各个组分的流量与流体速度的实时性。首先,为了测量流体中各个组分的流动参数,考虑到开采成本,尽量采用“不分离”式组分测量方法,那么就要求选择合适结构与尺寸的传感器,使得传感器在精度要求范围内能够对流体产生的场有相对均匀的感应。其次,为了实现流体流速测量的实时性,需要优化测量算法,并相应的选取高性能硬件,用以提高系统运算速度。针对多相流流量的测量需求,本文建立了一种双螺旋极板式电容传感器模型,对螺旋式电容传感器的工作原理与特点进行了阐述与分析,详细分析并确定了传感器结构参数。螺旋式电容传感器的误差不超过2.5%。对于所测量的流体流速通常在20m/s至200m/s之间。工艺状态通常在10m3/d到200m3/d的范围内,压力在0.7Mpa到2.0Mpa之间,温度在25~80 0C之间。针对流速测量的实时性,讨论了几种快速互相关算法,主要包括串并行算法、粗略搜索和精确搜索相间隔的快速相关算法与利用快速傅里叶变换实现互相关计算算法的讨论,对比了几种算法的时间复杂度,最终选用快速傅里叶变换算法计算互相关函数。同时对互相关函数值的峰值搜索的算法进行了优化,提高了搜索效率。并对算法进行了正确性验证与性能测试。装置设计中采用德国AMG公司开发的CAV424电容式信号检测集成电路实现对传感器的信号检测,并通过STM32微处理器对采集得到的信号进行采样与互相关计算,从而得出双相流流速以及流量,最终将计算结果通过串口显示。本文对流体的基本流型进行了概括性阐述,并对互相关函数与互谱密度的理论基础做了相关论述。讨论了互相关测速系统的精度与误差,并对主要的误差影响因素分别做了具体分析。最后利用MATLAB对典型仿真信号将互相关算法进行了可行性验证,并对基于快速相关算法的测速装置与互相关计算效率进行了测试。本文的创新点主要有以下:一、将双螺旋极板式电容器应用在深海采油传感器中,既可以保证与带有腐蚀性流体的不接触测量,方便外嵌在运输管道外壁,又能保证传感器具有均匀的灵敏度,当流体流经传感器时能够产生相对均匀的场,在一定程度上简化了对信号的处理与计算;二、用优化的快速互相关算法与双螺旋极板式电容器相结合,是测速系统达到可不接触测量,并使测量系统达到实时效果。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH814;O359

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