CN101324186B - 一种油气水三相流相含率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于多相流动测量领域，主要涉及多相流相含率的测量领域，尤其公开了一种油气水三相流相含率测量装置，它基于双螺旋电容传感器，能够对油气水三相流相含率进行精确测量。它包括：至少一个双螺旋电容传感器，信号处理电路，分别与信号处理电路连接的微弱电容测量电路和含水率测量电路；所述双螺旋电容传感器选择性地连接微弱电容测量电路或含水率测量电路；当管道中为油气时，所述双螺旋电容传感器与微弱电容测量电路连接，信号处理电路输出油的相含率，当管道中含水时，所述双螺旋电容传感器与含水率测量电路连接，信号处理处理电路输出水的相含率。

Description

一种油气水三相流相含率测量装置

技术领域

本发明属于多相流动测量领域，主要涉及多相流相含率的测量领域，尤其是一种油气水三相流相含率测量装置，它基于双螺旋电容传感器，能够对油气水三相流相含率进行精确测量。

技术背景

在石油、化工、能源、动力等工业过程中，多相流动状态检测、各相流量的计量，是在许多工艺过程中所共同面临的难题，其直接影响甚至决定了工艺过程、过程装备等的安全性与效率。例如，油水、油气两相和油气水多相流量的在线连续计量技术，严重制约着油气田经济与高效开发模式的发展，影响油气开发、集输与处理等的运行成本，自动化安全生产水平难以提高。

多相流量的计量需要用到以下的参数：各相在管道截面上的平均相含率和平均密度；管道截面上的平均流速；流体的温度、压力。由于流型的多值性与相界面的随机性，多相计量与单相计量相比有其自身的复杂性：各相并非混合均匀，其流型的分布具有时间与空间不均匀性的特点；特征参数比单相流系统多，它取决于各相之间的相对速度、流体特性、管路结构及流动方向等；各相之间存在着界面效应和相对速度，相含率在时间和空间上变化较大；相与相之间相互作用复杂。

目前测量多相流相含率的方法主要有电学法，快关阀门法，射线吸收法，射线散射法，光学测量法，核磁共振法，热学法和微波法等。这些方法存在不能实时测量，造价昂贵，干扰流场，易受污染，易损坏，只能测量局部相含率，受流型干扰很严重等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油气水三相流相含率测量装置，它结构简单，动态响应快，能够实时在线对管道内的相含率进行测量。

为了达到上述目的，本发明的采用以下技术方案予以实现：一种油气水三相流相含率测量装置，其特征在于，包括：至少一个双螺旋电容传感器，信号处理电路，分别与信号处理电路连接的微弱电容测量电路和含水率测量电路；所述双螺旋电容传感器选择性地连接微弱电容测量电路或含水率测量电路；当管道中为油气时，所述双螺旋电容传感器与微弱电容测量电路连接，信号处理电路输出油的相含率，当管道中含水时，所述双螺旋电容传感器与含水率测量电路连接，信号处理处理电路输出水的相含率。

本发明的进一步特点在于：所述双螺旋电容传感器，包括：有机玻璃圆管，同向螺旋粘贴在有机玻璃圆管上的两片铜电极板，设置在铜电极板外侧的屏蔽外壳，铜电极板和屏蔽外壳之间填充有绝缘介质，两片铜电极板的几何中心分别引出导线。

所述铜电极板的展开图为平行四边形，其短边与有机玻璃圆管轴向平行，长边螺旋粘贴；所述平行四边形的高度等于有机玻璃圆管的周长，短边等于有机玻璃圆管的1/3周长

所述两片铜电极板轴向间距等于有机玻璃圆管的1/6周长。

所述导线带有屏蔽网，屏蔽网与所述屏蔽外壳电连接。

由于本发明采用双螺旋结构的电容传感器，均匀化了管道内的电场，减小了流型对测量结果产生的误差，同时该种结构的传感器分布在管道外壁，相比其他的测量方法具有明显的优点，如测量系统结构简单、精度高，非接触式测量、不干扰流场，动态响应速度快等；针对油气两相流条件下微弱电容的测量设计了高精度测量电路，设计了用于油水两相及油气水三相流动条件下含水率测量电路，为实时在线精确测量多相流相参数提供了一种先进的解决方案，具有十分重要的工程应用价值。

附图说明

图1是双螺旋电容传感器的结构示意图；

图2是图1的径向剖视图；

图3是双螺旋电容传感器的表面结构展开图；

图4是微弱电容测量电路图；

图5是含水率测量电路图；

图6信号处理电路框图；

图7油气两相流标定曲线；

图8油水两相流标定曲线；

图9油气水三相流标定曲线。

具体实施方式

参照图1、图2、图3制作双螺旋电容传感器。在一段有机玻璃圆管5外同向螺旋粘贴两片铜电极板3。如图3所示，铜电极板3的展开图为平行四边形，其高度为πd(πd表示圆周周长，d表示有机玻璃圆管的外径)，铜电极板高度不能过短，否则会造成边缘处的电场不够均匀，影响测量精度；平行四边形短边长1/3πd，短边与有机玻璃圆管5轴向平行，长边螺旋粘贴。铜电极板厚度2cm。两片铜电极板轴向间距为1/6πd。在两片铜电极板的几何中心处共引出两根带屏蔽网的导线1、2，然后在铜电极板外面敷上一层大约2mm厚的绝缘材料，可选用不导电的塑料；最后套上铁质屏蔽筒4，以防止外界的电磁干扰对测量结果的影响。将导线1、2的屏蔽层和铁质屏蔽筒4焊接在一起，然后将铁质屏蔽筒4外层接地，这样就可以做到屏蔽外界的电磁干扰，以及导线的电容串扰。做好的双螺旋电容传感器，通过法兰串接在石油管道中。

双螺旋电容传感器的测量原理如下：带电体的电容C为带电体所带电荷电量Q与电势U之比，也即

$C=\frac{Q}{U}$

金属表面电荷密度ρ与周围的电场强度E的关系式

ρ＝ε₀ε_rE

$\mathrm{d\ρ}=\mathrm{\ϵ}(x,y,z)\stackrel{\→}{E}\mathrm{d\Ω}$

双螺旋电容传感器包含的空间里对空间的积分与电势的比值，如下式：

其中：

U——外加在电容传感器两电极之间的电势；

S——极板面积；

Ω——为双螺旋电容传感器包含的空间；

dΩ——空间积分微元；

ε(x，y，z)——介电常数关于空间坐标的分布函数；

——电场强度；

ε₀——真空介电常数；

ε_r——相对介电常数。

由上式可以看出，双螺旋电容传感器的电容只和管道内的介质分布有关。而对于被测管道内某一相介质所占全部被测管道空间的总和就是某一相的体积相含率，因此传感器的电容信号输出与相含率是一个对应关系。由于管道内的流动是十分复杂的，因此决定了电容C关于管道内介质分布的关系也是十分复杂的。为了得到它们的关系还需要进行标定实验。

参照图4，微弱电容测量电路，是针对油气两相流时双螺旋电容传感器电容很小，专门设计的高精度测量电路。油气两相流条件下的双螺旋电容传感器输出电容变化范围只有3-5pF。本实施例，采用美国Analog Device公司推出的AD7746芯片，芯片AD7746的1，2，16管脚分别接信号处理电路的I²C通信接口SCL、nRDY、SDA；7、8管脚，9、10管脚为两路双螺旋电容传感器输出电容的输入接口。本实施里选用7、8做为双螺旋电容传感器输出电容的输入接口，具体接口JP2，接口JP2的EXCA端子悬空。输入的电容信号经过AD7746芯片转化为数字信号，数字信号通过1，2，16管脚经由I²C总线传输输出，具体为接口JP1。JP1接口的5个端子分别为VCC，nRDY，SDA，SCL，GND，其中VCC和GND为电源的正负极，为芯片供电，供电电压不得超过5.25V；SCL(串行时钟I²C时钟输入和输出)，SDA(串行数据I²C时钟输入和输出)和nRDY(I²C总线就绪信号)为I²C总线的通信信号线。

参照图5，为含水率测量电路，含水率测量电路针对多相流动中含有水的情况下而设计。本实施例采用CAV424芯片，其管脚1、2、3、5、6分别与电阻RCOSC、电阻RCX1、电阻RCX2、电阻RL1、电阻RL2连接；管脚4、12、13、14、15、16分别接电容器C2、电容器C_OSC、电容器CL2、可变电容CX2、电容器CL1。电容器CX1。其中CX2是双螺旋电容传感器的输入电容，即连接为管脚10、14；输出接口JP3接在管脚5、6上。通过接口JP4连接管脚10、11来供电。

芯片CAV424是一款将输入电容转换为电压输出的集成电路，它的特点是：具有对电容检测的高灵敏度并可以克服寄生电容和环境变化的影响，电路简单可靠。电路的测量范围为10pf-2nf。其中CX2为电容输入，接螺旋电容传感器的两个输出线，接口JP3为电压输出，输出转化后的与电容一一对应的电压值。JP4为电源供电，输入电压为5V。

芯片CAV424测量电容的原理为通过芯片内部自带的晶振产生一定的频率f_osc加在参考电容CX1和输入电容CX2上，产生电压V_x1和V_x2，则输出的转换电压V_DIFF与V_x1、V_x2满足如下关系：

$V_{\mathrm{DIFF}}=\frac{3}{8}(1+\frac{\mathrm{RL}1}{\mathrm{RL}2})\×(V_{X1}-V_{X2})$

参照图6，为信号处理电路框图。信号处理电路采用ZLG EasyARM2200开发板设计。EASYARM2200开发板是一款功能强大的32位ARM处理器开发板，采用了Philips公司的ARM7TDMI-S内核、总线开放的芯片LPC2210，具有JTAG调试功能，开发板提供各种接口如键盘输入、LCD液晶接口、RS232串口、IDE硬盘接口、CF存储卡接口、以太网接口和MODEM接口等，具有零等待128K/256K字节的片内flash，16K字节的sram，可简化系统设计，提高性能和可靠性。

以芯片LPC2210为中心，微弱电容测量电路的输出接口JP1的数字信号通过I²C总线输入，含水率测量电路的输出接口JP3的电压信号通过AD采样电路输入，经芯片LPC2210处理后，输出到液晶显示模块，也可以输入到PC机。芯片LPC2210由稳压电源供电，操作输入设备为2×8键盘。

图7、图8、图9分别给出油气两相流、油水两相流、油气水三相流下的标定曲线，给出相含率与输出电容信号在静态下的一一对应关系。图7中电容信号C通过AD7746芯片转化，得到的数字值0x000000-0xFFFFFF之间，再除以0xFFFFFF得到测量数据。由于油气两相的介电常数比较接近，电容值比较小，因此采用微弱电容测量电路。图7中是通过CAV424芯片将电容信号转化为电压信号。由于油气和水的介电常数相差比较悬殊，信号值变化范围也比较大，因此选用精度相对稍低的含水率测量电路。

为了方便将拟合标定曲线的公式输入测量仪器中，采用多项式拟合的方法，拟合公式一般形式为：

β＝a+bC^*+cC^*2+dC^*3+eC^*4

其中：

β——管道截面某相的平均相含率；

C^*——通过测量电路得到的电容测量值(相对应于图7中的电容C；图8和图9中的电压V)；

a、b、c、d、e——为多项式系数。

信号处理电路根据上述拟合曲线，修正测量数据；当管道中为油气时，所述双螺旋电容传感器与微弱电容测量电路连接，信号处理电路输出油的相含率，计算出气的相含率；当管道中含水时，所述双螺旋电容传感器与含水率测量电路连接，信号处理处理电路输出水的相含率，计算出油或油气的相含率。

本发明中的双螺旋电容传感器可以采用一个，在微弱电容测量电路和含水率测量电路之间，根据管道中的介质种类进行切换；也可采用两个，分别与微弱电容测量电路、含水率测量电路连接。

Claims (6)

1.一种油气水三相流相含率测量装置，其特征在于，包括：至少一个双螺旋电容传感器，信号处理电路，分别与信号处理电路连接的微弱电容测量电路和含水率测量电路；所述双螺旋电容传感器选择性地连接微弱电容测量电路或含水率测量电路；当管道中为油气时，所述双螺旋电容传感器与微弱电容测量电路连接，信号处理电路输出油的相含率，当管道中含水时，所述双螺旋电容传感器与含水率测量电路连接，信号处理电路输出水的相含率。

2.根据权利要求1所述的一种油气水三相流相含率测量装置，其特征在于，所述双螺旋电容传感器，包括：有机玻璃圆管，同向螺旋粘贴在有机玻璃圆管上的两片铜电极板，设置在铜电极板外侧的屏蔽外壳，铜电极板和屏蔽外壳之间填充有绝缘介质，两片铜电极板的几何中心分别引出导线。

3.根据权利要求2所述的一种油气水三相流相含率测量装置，其特征在于，所述铜电极板的展开图为平行四边形，其短边与有机玻璃圆管轴向平行，长边螺旋粘贴。

4.根据权利要求3所述的一种油气水三相流相含率测量装置，其特征在于，所述平行四边形的高度等于有机玻璃圆管的周长，短边等于有机玻璃圆管的1/3周长。

5.根据权利要求2所述的一种油气水三相流相含率测量装置，其特征在于，所述两片铜电极板轴向间距等于有机玻璃圆管的1/6周长。

6.根据权利要求2所述的一种油气水三相流相含率测量装置，其特征在于，所述导线带有屏蔽网，屏蔽网与所述屏蔽外壳电连接。 

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