Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения уровня воды в скважине

Изобретение относится к области измерения уровня жидких сред и предназначено для измерения уровня воды в скважине.

Известен барботажной уровнемер (АС №1203372 опубл. 07.01.1986), содержащий пневмометрическую трубку, установленную в контролируемом сосуде и соединенную через дроссель с источником сжатого воздуха, делитель давления, выполненный в виде регулируемого и нерегулируемого дросселей, трехмембранный элемент сравнения с выходом на вторичный прибор, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения и повышения эксплуатационной надежности, в него введен задатчик, стабилизатор расхода воздуха с отсечным клапаном и повторитель, при этом стабилизатор расхода воздуха включен между дросселем и пневмометрической трубкой и через повторитель соединен с делителем давления, средняя точка которого соединена с нижней управляющей камерой трехмембранного элемента сравнения, верхняя управляющая камера которого связана с делителем и с газовым пространством контролируемого сосуда, а задатчик соединен с нижней камерой трехмембранного элемента сравнения, выполненной заглушенной.

Существенным недостатком данного уровнемера является сложная конструкция, за счет чего снижаются эксплуатационная надежность, быстродействие и точность измерения.

Наиболее близким по технической сути (прототип) является способ измерения уровня воды или жидкости (варианты) и барботажный уровнемер (патент №2124702 опубл. 20.02.1996), содержащий источник сжатого воздуха со стабилизированным выходным давлением, первый и второй вентили, датчик давления, первую и вторую барботажные трубки, а также вычислительно-управляющий блок, содержит буферную емкость с объемом, составляющим примерно пять внутренних объемов третьей барботажной трубки, соединенной своим входом с третьим вентилем, вход которого соединен с источником сжатого воздуха, а выход буферной емкости соединен через первый и второй вентили соответственно с первой и второй барботажными трубками, нижние концы которых находятся на различных глубинах, причем Δh=h1/2=h2/3, первая и вторая барботажные трубки образуют один модуль измерения глубины и уровня воды или жидкости, а на буферной емкости установлены датчик давления и датчик температуры газа в ней, входы которых соединены со входом вычислительно-управляющего блока.

Недостатками прототипа являются - сложность процесса измерений, так как для измерения уровня воды требуется визуальное наблюдение процесса, предварительное измерение плотности воды, что приводит к увеличению длительности измерения уровня, и затрудняет применение в цифровых автоматизированных измерительных системах, связанных с контролем уровня жидкости в скважине.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности, упрощение процесса измерений и сокращение времени измерения уровня воды, а также расширения функциональных возможностей для применения в цифровых системах АСУТП.

В реальных технологиях контроля уровня жидкости в скважине плотность воды является практически мало изменяемым параметром во времени и непрерывно контролируется отдельным мониторингом качества воды. Оперативный контроль уровня должен выполняться по возможности быстро, так как от этого зависит безаварийность работы погружного оборудования.

Поставленную задачу изобретения решает заявляемый способ измерения уровня воды в скважине, реализуемый с помощью заявляемого варианта устройства, который, как и прототип, включает барботажную трубку, погруженную в скважину на заданную глубину, первый и второй управляемые вентили, датчик давления, а также вычислительно-управляющий блок. В отличие от прототипа, в заявляемом варианте устройства используется одна барботажная трубка 6, к входу которой последовательно подключены компрессор 1, стабилизатор давления 2, дроссель 3 и первый управляемый клапан 4 нагнетания давления в барботажной трубке. При этом выходное давление стабилизатора давления 2, выходной диаметр дросселя и быстродействие вычислительного блока выбираются из условия оптимальности динамической погрешности измерения при нарастании давления. Кроме того ко входу барботажной трубки 6 последовательно подключены цифровой датчик избыточного давления 7 и второй управляемый клапан 5 выравнивания давления в барботажной трубке, выход которого направлен в атмосферу, а выход цифрового датчика избыточного давления 7 подключен к вычислительному блоку 8, осуществляющему по командам от блока управления 9 измерение избыточного давления на входе барботажной трубки 6.

Схема устройства реализующего способ измерения изображена на чертеже (фиг. 1) где 1 - источник давления (компрессор), 2 - стабилизатор давления, 3 - дроссель, 4 - первый управляемый клапан, 5 - второй управляемый клапан, 6 - барботажная трубка, 7 - цифровой датчик избыточного давления, 8 - вычислительный блок, 9 - блок управления клапанами.

Измерение уровня воды в скважине производят следующим образом. В начале цикла измерения, время Т₀, первый клапан 4 открыт, второй клапан 5 закрыт,

Производят нагнетание давления воздуха в барботажную трубку 6 и измерение давления с интервалом времени цикла ΔT. С целью снижения искажения результатов измерения за счет динамической погрешности время измерения выбирают из условия ее оптимальности, к примеру, время измерения устанавливают равным 0,1 времени цикла. При этом вычисляют оценку первой производной результатов измерения давления по формуле:

При достижении значения разности [А_(i+1)-A_i] равной некоторому установленному пороговому значению ΔА_порог. или близкой к 0 - признак процесса барботации не выполняется, поэтому при следующем значении ΔTi продолжают нагнетать давление в барботажную трубку.

При достижении значения разности [A_(i+1)-A_i] больше некоторого установленного порогового значения ΔА_порог. - признак начала процесса барботации выполняется, поэтому останавливают цикл измерения, для чего перекрывают первый клапан и через время переходного процесса и стабилизации давления в трубке (Т₃) вычисляют высоту водного столба по известной формуле:

где:

P_yст. - измеренное давление в точке измерения Т₃.

- произведение плотности жидкости на ускорение свободного падения. Для повышения достоверности полученного результата о начале процесса барботации сравнивают оценку производной А₅ с оценкой производной A₃, оценку производной А₆ с оценкой производной А₃ и когда оценка производных А₅ и А₆ устойчиво превышает установленное значение ΔА_порог. процесс нагнетания давления останавливают.

Через установленное время, для возврата процесса измерения - в исходное состояние, открывают второй клапан 5 и устанавливают давление воздуха в барботажной трубке 6 равное атмосферному, после чего цикл измерения повторяется. Для исключения влияния атмосферного давления (Р_атм.) на результат измерения - определения высоты водного столба (h) - применяют цифровой датчик избыточного давления 7. Причем цифровой датчик избыточного давления 7 устанавливается на одном уровне со входом барботажной трубки для обеспечения точности измерения. Устанавливают количество циклов N для повышения достоверности и точности результата измерения, который определяют как среднее.

На графике (Фиг. 2) приведено пояснение процесса измерения, где T₁ - время измерения до начала барботации, Т₁-Т₂ - этап барботации, Т₁-Т₃ - время окончания барботации и стабилизации давления в трубке, Т₃, Т₄, Т₅ - время измерения установившихся значений давления в барботажной трубке, Т₅-Т₆ - время открытия клапана 2, и Т₆ - время закрывания клапана 2 и начало нового цикла измерения.

Таким образом, совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого способа определения уровня воды в скважине обеспечивает достижение требуемого технического результата, позволяет повысить точность измерений и расширить функциональные возможности для применения в цифровых системах АСУТП.