Коррекция с помощью нейронных сетей ошибки измерений кориолисового расходомера в двухфазной среде

(1)

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»

Высшая школа электроники и компьютерных наук

Кафедра вычислительной математики и высокопроизводительных вычислений

РАБОТА ПРОВЕРЕНА Рецензент,

___________________ФИО

«____»_____________2019 г.

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

Заведующий кафедрой, к.ф.-м.н., доцент

_______________Н.М. Япарова

«____»_____________2019 г.

Коррекция с помощью нейронных сетей ошибки измерений кориолисового расходомера в двухфазной среде

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ ЮУрГУ–090401.2019.505.ПЗ ВКР

Руководитель работы, доцент __________/О.Л. Ибряева

«____»_____________2019 г.

Автор работы

Студент группы КЭ-230

_____________/В.В. Барабанов

«____»_____________2019 г.

Нормоконтролер, доцент

_____________/С.У. Турлакова

«____»_____________2019 г.

Челябинск 2019

(2)

АННОТАЦИЯ

Барабанов В.В. Коррекция с помощью нейронных сетей ошибки измерений кориолисового расходомера в двухфазной среде.– Челябинск: ЮУрГУ, КЭ-230, 123 с., 2 ил., библиогр. список – 45 наим.

Работа посвящена разработке нейронной сети, позволяющей корректировать ошибки измерения расхода и плотности жидкости кориолисовым расходомером, существенно возрастающие при его работе в двухфазной среде. Описаны экспериментальная установка, полученные данные в лабораториях Оксфорда и ЮУрГУ и их предварительная обработка. Для проектирования нейронных сетей использованы среда разработки Matlab и Keras с бекендом TensorFlow. Применены современные методы регуляризации, оптимизации и функции активации. Производительность полученных моделей оценена с помощью метода К-кроссвалидации. Выбраны наилучшие архитектуры для решения поставленной задачи и корректирующие ошибки измерения расхода и плотности жидкости с точностью до 1%.

(3)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ... 5

1 Обзор литературы ... 8

1.1 Основные типы расходомеров ... 8

1.2 Принцип действия кориолисового расходомера ... 13

1.3 Основные типы кориолисовых расходомеров ... 18

1.4 Потеря точности при появлении второй фазы ... 21

1.5 Применение нейронных сетей для коррекции ошибки измерений ... 24

1.6 Выводы по главе ... 27

2 Описание экспериментальной установки и метода матричных пучков ... 28

2.1 Общее описание установки ... 28

2.2 Техническое описание установки ... 30

2.3 Описание метода матричных пучков ... 33

2.3.1 Метод матричных пучков ... 33

2.3.2 Метод матричных пучков для векторных процессов ... 37

3 Обучение нейронных сетей в Matlab ... 41

3.1 Предобработка экспериментальных данных ... 41

3.2 Уравнение расхода с учетом линейной модели ... 48

3.3 Уравнение плотности ... 50

3.4 Подготовка данных обучающей выборки ... 51

3.5 Построение и обучение нейронных сетей ... 56

4 Обучение нейронных сетей в Keras ... 64

4.1 Предобработка нового набора экспериментальных данных ... 64

4.2 Оценка качества работы сети при малом объеме выборки ... 68

4.3 Функция потерь и современные средства регуляризации сети ... 70

4.4 Функции активации в нейронной сети ... 72

4.4.1 Линейная функция активации (linear) ... 72

(4)

4.4.2 Сигмоидальная функция активации ... 73

4.4.3 Функция активации ReLU ... 74

4.5 Определение оптимальной архитектуры сети ... 76

4.6 Эксперименты с двойной сетью ... 80

5 Заключение ... 83

Библиографический список ... 84

Приложение 1 ... 90

(5)

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время все возрастающие требования к качеству измерения расхода вызывают необходимость замены ряда устаревших измерителей расхода на более современные. Они должны соответствовать ряду качественных критериев: измерение массового расхода, измерение плотности, измерение температуры, наличие компьютерного интерфейса, удобство монтажа и эксплуатации. Широкое распространение в нефтегазовой промышленности получили кориолисовы расходомеры, которые являются достаточно дешевыми и надежными измерителями, имеют высокую точность измерений, могут учитывать множество факторов и измерять расход жидкостей разной плотности.

В нефтегазовой промышленности кориолисов расходомер измеряет расход и плотность потока нефти, поднимающегося из скважины и проходящего через него. Помимо нефти в смеси присутствуют вода, газ и другие вещества.

Кориолисовы расходомеры позволяют довольно точно измерить количество вещества при однофазном потоке, при наличии же такой многофазной среды их точность измерений сильно падает. Одним из способов коррекции ошибок измерений кориолисового расходомера в многофазной среде являются нейронные сети [1-3].

Данная работа посвящена актуальной проблеме корректировки ошибок измерений кориолисового расходомера в многофазной среде. Задачей работы является разработка нейронной сети, позволяющей корректировать ошибки измерения расхода и плотности жидкости в двухфазной среде. Для обучения нейронных сетей в работе используются как данные серии экспериментов, снятых с установки в лаборатории Оксфорда (в главе 3), так и данные, полученные в лаборатории ЮУрГУ, их обработке посвящена глава 4. В обоих случаях данные были сняты для кориолисового расходомера Челябинского изготовителя Элметро.

(6)

С правой и левой катушек данного расходомера были записаны сигналы при различном уровне воздуха в проходящей через него жидкости. Частота и время задержки сигналов позволяют оценить расход и плотность этой жидкости. Поскольку реальный расход жидкости и процент присутствующего в ней воздуха нам также известен, мы можем скорректировать полученные значения, т.е. использовать обучение с учителем при разработке нейронной сети.

Для определения времени задержки и частоты колебаний по данным экспериментальным сигналам мы в этой работе используем один из параметрических методов обработки сигналов – метод матричных пучков.

Отметим, что сама идея корректировки ошибок измерений расходомера с помощью нейронных сетей не нова, но использование метода матричных пучков в этой задаче является абсолютно новым и впервые предложено в настоящей работе.

Для создания модели нейронной сети в данной работе использовался как пакет Neural Network Toolbox в Matlab (в главе 3), так и пакет Keras с фреймворком TensorFlow языка программирования Python (в главе 4). Это вызвано нашим желанием попробовать и выбрать наиболее удобную среду разработки. Основные эксперименты проводились все же в Keras с большим набором данных, полученных в лаборатории ЮУрГУ, т.к. набор данных Оксфорда содержал всего 33 сигнала, что, разумеется, очень мало для качественного обучения нейронной сети.

При проектировании нейронных сетей использовались такие современные разработки в этой области, как метод регуляризации дропаут, оптимизатор Adam, функции активации ReLU, SeLU и т.д. Оценка производительности полученных моделей проводилась с помощью метода К-кроссвалидации, наиболее подходящего для этой цели в условиях малого объема обучающей выборки.

(7)

Работа устроена следующим образом. Вначале мы приводим обзор литературы, описываем принцип действия и типы кориолисовых расходомеров, и проблему потери точности при появлении второй фазы. Во второй главе содержится описание экспериментальной установки, на которой происходил сбор данных, и метода матричных пучков для определения параметров полученных в эксперименте сигналов. Вся дальнейшая часть работы содержит личные результаты автора.

В главе 3 мы описываем как с помощью метода матричных пучков можно по отсчетам сигналов с катушек расходомера найти их частоту и разность фаз и приводим соответствующий код программы. Затем мы описываем процедуры преобразования найденных значений в значения расхода и плотности жидкости, проходящей через расходомер. Эти данные далее используются для построения нейронной сети, корректирующей ошибку измерений кориолисового расходомера. В главе 3 этот этап выполняется в среде Matlab.

В главе 4 мы предварительно обрабатываем больший набор данных, полученных в лаборатории ЮУрГУ. Для построения нейронных сетей используются самые современные методы, также описанные в этой главе, и библиотека Keras. Приведено описание метода К-кроссвалидации, использующегося для оценки точности работы нейронных сетей. Проведено большое количество экспериментов с различными архитектурами сетей и выбраны оптимальные, корректирующие ошибку измерений расходомера с точностью до 1%.

Результаты работы апробированы на 72-й студенческой научной конференции и 71-й научной конференции профессорско-преподавательского состава ЮУрГУ. Принята к печати статья в сборник трудов "Наука ЮУрГУ":

материалы 71 научной конференции. Работа заняла первое место в конкурсе грантов предприятия "Метран".

(8)

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Основные типы расходомеров

Расходомер — прибор, который используется для измерения массы или объема жидкости или газов, проходящих через сечение трубопровода.

Приведем основные требования к расходомеру.

1) Высокая точность измерения. Очень часто необходимо измерять расход с очень маленькой погрешностью 0.2 - 0.5 %. Такую погрешность могут обеспечить очень немногие приборы учета расхода (кориолисовые, ультразвуковые, электромагнитные расходомеры).

2) Высокая надежность. Время, в течении которого прибор может измерять расход с заданной точностью должно быть как можно больше и вероятность поломки механических частей в этот период должна быть минимальна.

Надежность также зависит от условий эксплуатации расходомера.

3) Малая зависимость результата измерений от изменения плотности вещества. Лучше всего этому требованию удовлетворяют скоростные расходомеры – расходомеры, у которых статические характеристики не зависят от плотности.

4) Быстродействие расходомера. Этот параметр очень важен при использовании расходомеров в динамически изменяющихся системах и производствах, когда от показаний расходомера зависит параметры системы .

5) Широкий диапазон расходов, подлежащих измерению. Применяется очень широкий диапазон расходов, измеряемых в реальных условиях.

Жидкости измеряются с расходом от 1 до108 кг/ч (для трубопроводов), а газы в пределах от 10 до 106 кг/ч.

6) Учет большого количества влияющих факторов. Показания расходомера зависят от множества факторов такие как вязкость и плотность, температура и наличие дисперсионной фазы и ряд других параметров.

(9)

8) Стоимость. Очень важный параметр, который влияет на выбор

измерительного прибора в реальных условиях производства и стоит в одном ряду с точностью измеряй.

Отметим, что ни один из известных типов расходомера не удовлетворяет совместно всем этим требованиям. На рисунке 1.1 представлена зависимость, применяемых в реальных производствах расходомеров исходя из их принципа действия [10].

Рисунок 1.1 – Объем используемых расходомеров, в зависимости от принципа действия

Широкое распространение получили кориолисовы расходомеры за счет таких достоинств, как:

1) высокие точности измерений параметров расхода и плотности;

2) расходомеры не зависят от направления потока;

3) нет потребности в прямолинейных участках трубопровода;

4) простота ремонта и обслуживания оборудования из-за отсутствия движимых частей в расходомере;

(10)

5) не требуется тонкая настройка каждого расходомера;

6) время службы расходомера оценивается десятками лет;

6) не нужно постоянно настраивать и перекалибровывать расходомер;

7) могут использоваться разные внешние источники питания, так как электроника имеет автоматически переключающийся блок;

8) измеряют расход сред с высокой вязкостью;

9) могут использоваться во все отраслях производства (фармацевтическая, пищевая и другие отрасли);

Кориолисовый расходомер имеет ряд недостатков:

1) достаточно высокая цена приборов;

2) также это большие габариты устройства и большая масса;

3) показания расходомера зависят от внешних механических вибраций

4) основная проблема, для нашей работы, это резкий рост ошибки измерений при наличии многофазного потока.

Кориолисовые массовые расходомеры могут напрямую измерять расход и плотность очень вязких сред и могли бы значительно облегчить учет сырой нефти на скважине трубопровода. Однако в реальных условия решение не получается столь просты, измерение многофазных сред создает дополнительные проблемы и резко возрастающие ошибки.

Измерение расхода двухфазного потока при помощи кориолисового (массового) расходомера актуальная задача, особенно для нефтегазовой отросли промышленности в связи с требованием стандарта РФ ГОСТ Р 8.615–

2005 [11].

Исследователи данного вопроса разделились на скептиков и оптимистов.

Скептики в качестве аргументов приводят результаты [12], интерпретируя не в пользу применения массовых расходомеров в составе автоматических групповых измерительных (замерных) установок (АГЗУ). Приведенные в этой

(11)

статье результаты совершенно четко показывают, что при измерении расхода многофазных сред кориолисовыми расходомерами погрешность измерения может достигать 200%. При этом на появление ошибок измерения расходомера и на их повторяемость влияет целый ряд факторов, основными из которых являются:

– наличие второй среды в расходомере (размеры частиц твердых субстанций, пузырьки воздуха и др.);

– плотность среды и ее процентное соотношение со второй средой;

– вязкость среды, этот параметр коррелируется с плотностью, но выделяется как отдельный;

– сила поверхностного натяжения среды;

– давление в рабочей части расходомера;

– степень турбулентности;

– скорость расхода среды проходящей через расходомер;

– резонансная частота колебания трубок расходомера;

– конструкция и размер измерительного оборудования (сенсоров);

– неидеальность профиля скорости;

– несимметричное расположение устройств возбуждения и детекторов.

Еще одной из больших проблем является то, что при достижении в среде определенного порога аэрации расходомер теряет свою резонансную частоту и перестает показывать адекватные измерения, в которых можно скорректировать ошибку. Данный порог аэрации также зависит от рада параметров, таких как форма, температура и ряда параметров указанных выше.

Это все вскрывает огромную проблему измерения кориолисовыми расходомерами многофазных сред – чрезвычайно узкую применимость экспериментальных результатов и получаемых метрологических характеристик, поскольку вариации каждого из указанных выше факторов

(12)

должны обязательно учитываться. В условиях, когда показатель обеспеченности жидкости (обводненность) и наличия газа (газовый фактор) добываемой из скважины нефти изменяется от скважины к скважине, точность метрологических характеристик должна определятся для каждой скважины в отдельности и для каждой модели расходомера в частности.

Из вышесказанного становится понятно, что разработать универсальный расходомер для измерения многофазных сред, на данный момент, задача не реализуемая. В свете нового национального стандарта наиболее целесообразным становится разработка мобильного поверочного комплекса для анализа и подтверждения метрологических характеристик для каждой скважины.

Оптимисты ссылаются на утверждения ряда производителей о том, что встроенное в прибор специализированное программное обеспечение позволяет компенсировать влияние свободного газа. Как бы то ни было, кориолисовые расходомеры активно применяют в составе АГЗУ, в то время как вопрос о влиянии свободного газа на точность этих приборов остается открытым.

Основными производителями кориолисовых расходомеров являются следующие компании:

 MicrоMоtion;

 Yokogаwа;

 Endress+Hаuser;

 Siemens;

 Foxboro;

 Invеnsys;

 Schnеidеr Electric;

 Krohnе;

 Elmetro.

(13)

1.2 Принцип действия кориолисового расходомера

Принцип действия кориолисового расходомера основан на колебательном движение трубок, по которым движется среда. При этом движении в трубках возникают дополнительные силы инерции – сила кориолиса.

Трубки бывают различных форм (изогнутые и прямые) и размеров.

Некоторые конструкции могут быть самозаполняющимися, когда установлены вертикально (рисунок 1.2).

Существуют варианты расходомеров с одной и двумя трубками. В расходомере с двумя трубками поток жидкости разделяется на входе в расходомер и соединяется при выходе из расходомера. В расходомерах с одной трубкой или состоящих из последовательно соединенных трубок поток не разделяется совсем [4].

На расходомере также присутствуют два сенсора (обычно это электромагнитные катушки) и электронный преобразователь сигналов с сенсоров. Датчик преобразует параметры колебания трубок в электронные сигналы, а электронный преобразователь конвертирует эти сигналы в цифровой

Рисунок 1.2 – Форма трубок

(14)

формат и рассчитывает нужные параметры (расход и плотность жидкости, температура и др.).

Рисунок 1.3 - К устройству расходомера

Среда проходит через трубки расходомера, которые колеблются с определенной частотой. На рисунке 1.4 показана форма, которую принимает трубка при прохождении через нее среды. Колебание трубок возбуждается сенсором, который стоит по центру расходомера и представляет собой электромагнитную катушку.

Рисунок 1.4 – Колебания трубки датчика

(15)

Привод состоит из катушки, которая крепится к одной из трубкой, и из магнита, который крепится к противоположной трубке. На катушку подается переменный ток, который создает магнитное поле и заставляет магнит, находящийся в катушке, периодически то притягиваться, то отталкиваться.

Колебания трубки расходомера можно сравнить с колебаниями камертона.

У измеряемой среды, проходящей через трубки расходомера, появляется вертикальная составляющая движения трубки. При движении вверх, во время первой части колебательного движения, жидкость, протекающая через трубку, создает сопротивление движению вверх, создавая обратное сопротивление и давит на трубку вниз (данная фаза колебательного движения представлена на рисунке 1.5). Поглотив вертикальный импульс при движении вокруг изгиба трубки, жидкость, вытекающая из трубки, сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения, толкая трубку вверх. Это приводит к закручиванию трубки (рисунок 1.6). Когда трубка движется вниз во время второй половины цикла колебания, она закручивается в противоположную сторону. Это закручивание называется эффектом Кориолиса.

Рисунок 1.5 – Силы, действующие на трубку при движении вверх

Если взять в расчет второй закон Ньютона, то угол поворота трубки прямо пропорционален расходу жидкости проходящей через трубку в единицу времени. Электромагнитные катушки-детекторы, находящиеся с каждой стороны трубки, снимают сигнал, соответствующий колебаниям трубки.

(16)

Массовый расход рассчитывается путем определения времени задержки сигнала с двух датчиков.

Рисунок 1.6 – Трубка датчика и пара сил, приводящая ее к закручиванию Датчик может определить положение, скорость или ускорение трубок.

Если используются электромагнитные датчики, магнит и катушка в датчике меняют свое положение друг относительно друга, во время того, как трубки вибрируют, вызывая изменение в магнитном поле катушки. Поэтому синусоидальное напряжение на катушке представляет собой движение трубок.

На правой и левой катушке расходомера возникает явление электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении индукционного тока, при движении катушки в постоянном магнитном поле или движении магнита (сердечника) внутри неподвижной катушки.

Когда поток отсутствует (в расходомере с двумя трубками) и происходит вибрация, различия в показаниях двух датчиков в точках B1 (левый) и B2 (правый) отсутствуют. Если есть поток жидкости и привод создает вибрацию трубок, то силы кориолиса создают вторичную изгибающую вибрацию, которая проявляется в небольшой разнице фаз относительных движений трубок (Рисунок 1.7). Это обнаруживается датчиками в двух точках. Отклонение

(17)

трубок, вызываемое силой кориолиса, имеет место только в том случае, когда одновременно присутствует поток жидкости и вибрация трубок.

Рисунок 1.3 - Вибрация трубок

При одновременном снятии сигналов происходит их смещение по фазе на . Это относительное запаздывание прямо пропорционально массовому расходу (рисунок 1.8).

Рисунок 1.4 - Фазы вибрации трубок

(18)

Собственная частота колебаний сенсорных трубок зависит от их геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей:

массы самих трубок и массы измеряемой среды в трубках. Для конкретного типоразмера сенсора масса трубок постоянна.

Так как масса жидкости есть ее плотность, умноженная на объем (который также постоянен), частота вибрации может быть обусловлена плотностью протекающей жидкости. Следовательно, плотность жидкости может быть определена путем измерения резонансной частоты колебаний трубок.

1.3 Основные типы кориолисовых расходомеров

Кориолисовы расходомеры существуют разных конструкций и размеров исходя из необходимых требований для решения конкретной задачи на производстве, а также их стоимости и сложности реализации расходомера.

Фирмы выпускающие расходомеры, используют следующие конструкции кориолисовых расходомеров:

а) Прямоточный (рисунок 1.9):

Рисунок 1.5 – Прямоточный кориолисовый расходомер (US patent 4831885 [13])

Особенности:

– очень высокая частота собственных колебаний (>1кГц).

Преимущества:

(19)

– большой диаметр трубки (следовательно высокая пропускная способность за единицу времени);

– отсутствие изгибов трубки расходомера (минимальное сопротивление потоку).

Недостатки:

– очень маленькая точность расходомера;

– необходимо много энергии на поддержание колебаний, так как качество колебаний трудно удержать.

б) С большим радиусом изгиба (рисунок 1.10):

Рисунок 1.6 – кориолисовый расходомер с большим радиусом изгиба (US patent 5796011 [14])

– средняя частота собственных колебаний (300-600 Гц).

– достаточно высокая пропускная способность.

– малая точность при маленьком расходе;

(20)

– также требует дополнительных затрат на электроэнергию для поддержания нормальной дробности колебаний.

в) U–образные (рисунок 1.11):

Рисунок 1.7 – U-образный кориолисовый расходомер (US patent 6286373 [15]) Особенности:

– частота собственных колебаний чуть ниже средней (100-300 Гц).

– очень высокая точность измерений;

– высокая добротность колебаний.

– высокая сложность изготовления расходомера из-за изгиба трубок.

д) В виде треугольника (рисунок 1.12):

– низкая частота собственных колебаний (40-150 Гц).

– высокая точность измерений;

(21)

– высокая добротность колебаний.

– высокая сложность изготовления расходомера из-за изгиба трубок.

Рисунок 1.8 – Кориолисовый расходомер в виде треугольника(US patent 5497666 [16])

В нашей работе рассматривается кориолисов расходомер Челябинского производителя Элметро, относящийся к последнему из представленных типов.

1.4 Потеря точности при появлении второй фазы

Измерение расхода двухфазного потока при помощи кориолисового расходомера актуальная задача, особенно для нефтегазовой отрасли промышленности в связи с требованием стандарта РФ ГОСТ Р 8.615–2005 [11].

Исследователи данного вопроса разделились на скептиков и оптимистов.

Скептики в качестве аргументов приводят результаты [12], интерпретируя не в пользу применения массовых расходомеров в составе автоматических групповых измерительных (замерных) установок (АГЗУ). Приведенные в этой статье результаты показывают нам что приземлений кориолисовыми расходомерами двухфазных сред ошибка возрастает до 200%. На ошибку при

(22)

измерение двухфазных сред влияет множество факторов, часть из которых приведена ниже:

– включенность второй фазы в среду (размер частиц или пузырьков);

– плотность второй фазы и процентное содержание ее в первой фазе;

– вязкость среды;

– сила поверхностного натяжения;

– давление с которым среда подается в расходомер;

– степень турбулентности;

– скорость прохождения потока через расходомер (расход);

– резонансная частота колебания трубок расходомера;

– конструкция и размеры измерителей установленных в расходомер;

– неидеальность профиля скорости;

– несимметричное расположение устройств возбуждения и детекторов.

В дополнение к этому накладывается еще и то, что при достижении определенного порога аэрации кориолисовые расходомеры вообще сбиваются с резонансной частоты и перестают работать. Причем, указанный порог также варьируется в зависимости от перечисленных выше параметров.

Это все обнажает кардинальную проблему в измерении расхода многофазных сред кориолисовыми расходомерами – чрезвычайно узкую применимость экспериментальных результатов и получаемых метрологических характеристик, поскольку вариации каждого из указанных выше факторов должны обязательно учитываться.

Массовые кориолисовые расходомеры способны измерять массовые расходы и плотности однородных жидкостей и газов с очень высокой точностью (до 0,05% по расходу и до 0,0002 г/см³ по плотности). Однако точность измерений быстро теряется уже при небольших объемных содержаниях газа (5-10%).

(23)

Принцип действия массовых кориолисовых расходомеров основан на наблюдениях за движениями чувствительного элемента – изогнутого участка трубопровода, подвергнутого вынужденным колебаниям в направлении, перпендикулярном потоку.

В присутствии движущейся среды такие колебания приводят к возникновению распределенных вдоль трубы осциллирующих сил инерции (кориолисовых сил) с суммарным моментом, возбуждающим изгибные колебания чувствительного элемента (измерительной трубы). Непосредственно измеряемой величиной является обычно сдвиг по фазе между колебаниями краев измерительной трубы

(1.1) где – период изгибных (кориолисовых) колебаний измерительной трубы;

– запаздывание по времени между фазами колебаний ее краев, чаще всего - отрезок времени между прохождениями краями плоскости механического равновесия.

Если предположить, что частицы текучей среды (флюида) испытывают в процессе измерений те же поперечные смещения, что и стенки трубы, тогда наблюдаемый сдвиг (формула 1.1) удается однозначно связать с массовым расходом флюида. Это предположение вполне оправдывается, если жидкость однородна, несжимаема и целиком заполняет объем трубы, то есть, если изучается однофазный поток несжимаемой жидкости.

При наличии нескольких фаз или компонентов разной плотности это предположение несправедливо и приводит к ошибкам, уровень которых намного превосходит таковой для однородных текучих сред и неприемлем для многих приложений, в том числе для таких критически важных, как учет ископаемых углеводородных энергоносителей в технологических цепочках добыча-транспортировка-переработка-продажа.

(24)

Уменьшению уровня ошибок кориолисовых расходомеров, вызванных многофазностью потока, посвящено множество работ. В последние годы ведущие производители расходомеров (например, Micro Motion) установили высокий приоритет исследованиям по повышению точности измерений параметров многофазных потоков. Были разработаны экспериментальные установки для изучения влияния газа на работу расходомеров различных конструкций и получены огромные объемы данных, большая часть которых не имеет особого смысла до тех пор, пока не изучены физические механизмы, вызывающие ошибки измерений. Благодаря осмыслению опытных данных были внесены изменения в электронные системы управления расходомером, позволившие оперативно обрабатывать переходные явления, вызванные, например, прохождением через измерительную трубу крупных пузырей газа при возбуждении снарядного режима течения.

Хотя эти исследования и позволили значительно улучшить характеристики расходомеров, однако вскоре стало ясно, что существенная часть ошибки обусловлена эффектом расцепления фаз, и что, «к сожалению, никакие конструктивные изменения не могут отменить законы Ньютона» [17,18].

1.5 Применение нейронных сетей для коррекции ошибки измерений Одним из перспективных направлений исследования работы по созданию многофазных расходомеров является попытка использования нейронных сетей для компенсации ошибок, вызванных многофазной средой. Достоинством такого подхода является отсутствие необходимости строить сложные модели устройства для получения алгоритмов обработки. Однако это, в свою очередь, влечет за собой отсутствие гарантий, что расходомер, настроенный на какую-то определенную среду, продемонстрирует похожие результаты в других условиях.

В статье [19] используются следующие типы нейронных сетей:

многослойный персептрон и сети радиальных базисных функций. Веса нейронов сети многослойного персептрона находятся в процессе обучения с

(25)

учителем, когда нейронной сети многократно предъявляются образцы обучающей выборки – входы и соответствующие им выходы. В статье используется сеть с одним скрытым слоем.

Структура сети радиальных базисных функций состоит из двух слоев, первый содержит радиальные нейроны с параметрами выбранных радиальных базисных функций, второй – линейные нейроны, осуществляющие простую линейную суперпозицию базисных функций. Обучение такой сети проводится быстрее.

Основным недостатком РБФ сетей является то, что для каждого образца обучающей выборки требуется свой нейрон. Поэтому в нашей задаче число радиальных нейронов составляет нескольких сотен, что существенно больше 20 нейронов скрытого слоя персептронной сети. Таким образом, РБФ сети менее пригодны для онлайн реализации, но используются для быстрой оценки новых данных и выбора «внутренних» параметров расходомера, влияющих на точность его измерений.

Далее, в статье [19] описываются входные параметры, выбранные для предсказания ошибки измерения расхода в условиях двухфазной среды:

а) доля газа в единице объема;

б) коэффициент затухания (резко возрастает в двухфазной среде);

в) баланс датчиков (отношение амплитуд колебаний на разных датчиках, в нормальных условиях равно 1);

д) значение фазы сигнала с датчика.

е) уровень расхода и температура.

Качество обучения нейронной сети зависит от качества обучающей выборки. Для сбора этой выборки была проведена серия экспериментов в двухфазной среде, в ходе которых измерялись вышеприведенные параметры (входной сигнал в обучающей выборке) и ошибка измерений (выходной сигнал).

(26)

Далее с помощью РБФ сети была проведена быстрая оценка, какие из выбранных ранее параметров являются существенными для работы сети, а какие вносят вклад на уровне шума. После этой оценки были выбраны 4 наиболее важных параметра:

1) температура,

2) коэффициент затухания, 3) доля газа

4) уровень расхода.

Далее от РБФ сети, которая хоть и легко обучается, но непригодна для онлайн реализации из-за больших вычислительных требований, авторы переходят к персептронной сети. Сравнение этих двух типов сетей на одном наборе данных показало, что они выдают похожие результаты, поэтому выбранные РБФ сетью 4 существенных "внутренних" параметра естественно считать "выбранными" и персептронной сетью.

Обучение персептронной сети проводилось с помощью пакета Neural Network в Matlab, был использован метод сопряженных градиентов. Наилучшей структурой сети была признана структура 4-9-1.

Далее эта сеть была реализована в цифровом приемопередатчике для работы в реальном времени. В результате ошибка измерений с уровня 20%

была уменьшена до уровня около 2% (рисунок 1.13).

Данное значение соответствует концепции SEVA по качеству онлайн измерений. Таким образом, нейронные сети хорошо проявили себя в решении задачи уменьшения погрешности измерений.

(27)

Рисунок 1.9 – Ошибка измерений расходомера после коррекции

1.6 Выводы по главе

В данном разделе приведен принцип работы кориолисовых расходомеров, их основные типы и технические характеристики. Описана проблема создания кориолисового расходомера для работы в многофазной среде.

Приведен обзор литературы по решению проблемы потери точности расходомера в многофазной среде с помощью нейронных сетей. Показано, что использование нейронных сетей для компенсации ошибок расходомера является перспективным и рассматривается далее в работе.

(28)

2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА МАТРИЧНЫХ ПУЧКОВ

2.1 Общее описание установки

Модуль состоит из следующих основных частей:

- блок основного хранения жидкости, 1шт.;

- блок подачи и смешения воздуха с жидкостью, 1 шт. (рис.1);

- блок автономной гидропроливки расходомеров малого проходного диаметра, 1 шт. (рис.2).

Блок основного хранения жидкости (рисунок 2.1) предназначен для хранения большого объема жидкости (2 бака по 500 литров) и подачи ее в два контура стенда гидропроливок. Система трубопроводов, соединяющих баки и стенд, позволяет организовать циркуляцию жидкости через электронагреватели с целью ее подогрева до заданной температуры и дальнейшую подачу жидкости на насосы стенда гидропроливок. Баки снабжены внешней теплоизоляцией для максимального сохранения тепла накопленной жидкости, а также сливными вентилями для полного слива жидкости с целью ее замены.

Рисунок 2.1– Внешний вид блока подачи и смешения воздуха с жидкостью (слева блок индикации, справа смеситель)

Блок подачи и смешения воздуха с жидкостью (рисунок 2.2) предназначен для регулируемой подачи сжатого воздуха в трубопровод стенда

(29)

гидропроливок и измерения объемного расхода воздуха. Блок состоит из водо- воздушного смесителя и шкафа регулирования и измерения подачи воздуха.

Водо-воздушный смеситель представляет собой специальный тройник, стыкуемый с трубопроводом стенда гидропроливок, в который вмонтирован узел подачи воздуха в жидкость. Смеситель позволяет наблюдать смешение воздуха с жидкостью при помощи стеклянной трубки.

Шкаф регулирования и измерения подачи воздуха содержит систему подачи и регулирования сжатого воздуха от внешнего источника, расходомеры сжатого воздуха для измерения в заданных диапазонах, индикатор расхода сжатого воздуха, блок питания расходомеров. Линия подачи сжатого воздуха состоит из регулятора давления, двух параллельно соединенных расходомеров и регулировочных дросселей для точной подачи воздуха, в зависимости от диапазона значений объемного расхода. Цифровой индикатор показывает значение расхода жидкости, измеряемое каждым расходомером в отдельности.

Рисунок 2.2 – Внешний вид блока автономной гидропроливки расходомеров малого проходного диаметра

(с установленным модулем смешения с воздухом)

(30)

Блок автономной гидропроливки расходомеров малого проходного диаметра предназначен для гидропроливки отдельно устанавливаемого расходомера с условным проходным сечением до 15 мм. Блок представляет собой отдельную от других блоков конструкцию на алюминиевой раме, на которой расположены электрический насос, пластиковый бак и система трубопроводов с вентилями. Жидкость забирается из нижней части бака, подается в насос и далее в испытываемый расходомер, из которого жидкость вытекает обратно в бак. Для более точного и стабильного регулирования расхода жидкости имеется система регулировочных вентилей с байпасным перетоком жидкости помимо расходомера обратно в бак. Таким образом, расход жидкости может регулироваться в широком диапазоне практически от нуля до максимума расхода насоса. Испытываемый расходомер может устанавливаться на раме блока, также дополнительно могут устанавливаться другие дополнительные элементы гидросистемы.

2.2 Техническое описание установки Назначение

Модуль подачи и смешения воздуха с жидкостью МПС-2 (далее модуль) предназначен для подачи и смешения воздуха с жидкостью в элементах трубопроводов.

Основные технические параметры

Таблица 2.1 Основные технические параметры модуля

Максимальный измеряемый объемный расход воздуха

10 нл/мин Максимальное давление подачи воздуха на входе в

модуль

0,9 МПа (изб.) Диапазон допустимых температур окружающей

среды при

эксплуатации

от +10⁰С до +35⁰С

Напряжение питания модуля 220 В 50 Гц

(31)

Потребляемая электрическая мощность, не более 0,3 кВт Габаритные размеры модуля, мм:

-длина -ширина -высота

550 220 450

Масса модуля, не более 9 кг

Комплект поставки

Комплект поставки оборудования включает изделия и детали в соответствии с табл. 2.2.

Таблица 2.2 Основные изделия комплекта поставки модуля

Наименование составной части комплекта Кол-во, шт.

Ручной регулятор давления воздуха с манометром и фильтром-влагоотделителем

1

Электроклапан для подачи воздуха 1

Смеситель для смешивания подаваемого воздуха и жидкости в

трубопроводе проливочного стенда

1

Расходомер для измерения объемного расхода сжатого воздуха в заданном диапазоне

1

Сверхкритический стабилизатор расхода воздуха 1 Цифровой индикатор объемного расхода сжатого воздуха 1 Трубопроводы пластиковые для соединений 1

(32)

Комплект соединительных фитингов 1 Вентиль для подключения расходомеров и регулятора 2

Источник электропитания расходомеров 1

Металлический ящик управления для размещения индикатора с

выключателями клапана и электропитания расходомеров

1

Техническое описание и инструкция по эксплуатации 1

Устройство и назначение оборудования

Модуль состоит из следующих основных частей:

- шкаф управления и индикации, 1шт. (рисунок 2.3);

- узел подачи и смешения воздуха с жидкостью, 1 шт. (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Внешний вид блока основного хранения жидкости

(33)

Шкаф управления и индикации предназначен для регулируемой подачи сжатого воздуха в рабочий трубопровод и измерения объемного расхода воздуха.

Шкаф регулирования и измерения подачи воздуха содержит систему подачи и регулирования сжатого воздуха от внешнего источника, расходомер сжатого воздуха для измерения в заданном диапазоне, индикатор расхода сжатого воздуха, блок питания расходомера и клапана. Линия подачи сжатого воздуха состоит из регулятора давления и регулировочного дросселя для точной подачи воздуха. Цифровой индикатор показывает значение расхода, измеряемое расходомером.

Рисунок 2.4 – Внешний вид блока подачи и смешения воздуха с жидкостью Водо-воздушный смеситель представляет собой специальный тройник, стыкуемый с рабочим трубопроводом, в который вмонтирован узел подачи воздуха в жидкость.

2.3 Описание метода матричных пучков 2.3.1 Метод матричных пучков

«ММП предназначен для нахождения параметров R_k, z_k сигнала вида:





 ^M

k n k k

n R z

x

1

, (2.1) где R_k  A_keⁱ^^k — комплексные амплитуды, z_k e^^^k^ⁱ²^^f^k^^T — комплексные экспоненты (полюсы сигнала), T — период дискретизации сигнала,

1 , , 1 ,

0 

 N

n  , N — число отсчетов сигнала» [20].