CN102279316B - 多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，包括传感器本体、聚焦电极、主电极、回流电极、交流电压变送器、交流电流变送器、航空插头、导线，传感器本体设计为圆柱体，在下部的外周从下向上逐序嵌有回流电极B、聚焦电极B、主电极、聚焦电极A和回流电极A，在上端面中心设有一个航空插头，航空插头的三根导线的中间一根导线与主电极相连，下边一根导线与聚焦电极A和聚焦电极B相连接，上边一根导线与回流电极A和回流电极B连接；通过航空插头外围联接有交流电压变送器，交流电流变送器和交流信号激励电源。本传感器采用一体化设计，结构合理紧凑，可消除测量电流的分流现象，抗干扰能力强，测量精度高。

Description

多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器

技术领域

本发明涉及一种测量多孔介质中天然气水合物电阻率的传感器，具体地说是一种在测量电阻率过程中测量电流无分流，电极之间电势差为零的，抗干扰、测量精度高的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器。

背景技术

能够准确测得多孔介质中天然气水合物的电阻率值具有非常重要的意义。天然气水合物生成过程中其电阻率值会发生明显变化，根据这种变化可以判断水合物的生成情况，并且通过其电阻率值可以反演出天然气水合物的饱和度。

目前的多孔介质中天然气水合物模拟实验，其电阻率的测量主要采用一种三电极传感器。该三电极传感器通过供电电极在被测介质中建立电流场，测量流过该电流场的电流和测量电极与其中一个供电电极的电位差，通过公式就可计算得出该小区域内的电阻率。

上述天然气水合物电阻率测量三电极传感器存在一些问题。首先，测量传感器置于多孔介质中，与多孔介质产生相对较大的空隙，同时空隙中会填满电解质溶液，其电阻率较低，导致测量电流沿固定电极的绝缘杆轴向分流严重，从而影响测量电流更多地进入待测多孔介质，降低了测量的准确性；其次，对于多孔介质中天然气水合物的生成、开采二维平板实验模型，它是一金属的密闭容器，由于实验模型上下壁之间的距离较小，当传感器处于狭小的模型空间时，外层的两供电电极会与实验模型上下壁距离很近，此时由于两供电电极之间存在电势差，极容易沿实验模型壁形成电流回路，降低了测量精度，同时还容易引入外界干扰。

因此，需要设计一种能够准确测量多孔介质中天然气水合物电阻率的传感器，该传感器亟需解决两个问题：第一，尽量消除测量电流过多地沿测量传感器与待测介质之间缝隙的分流现象，也就是说，最大程度地使测量电流流入待测多孔介质中；第二，使测量传感器最外层的两个电极之间的电势差为零，消除沿实验模型壁形成电流回路的发生条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，克服上述已有技术存在的由于结构不合理造成传感器测量精度低的问题。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：

本发明包括传感器本体、聚焦电极、主电极、回流电极、交流电压变送器、交流电流变送器、航空插头、导线，其特征在于传感器本体设计为圆柱体，上端部尺寸大于上部直径，上部直径大于下部直径，在下部直径变径处的上边设有环形卡口槽，在下部的外周从下向上逐序嵌有回流电极B、聚焦电极B、主电极、聚焦电极A和回流电极A，在传感器本体上端面中心设有一个航空插头，航空插头的三根导线的中间一根导线与主电极相连，下边一根导线与聚焦电极A和聚焦电极B连接，上边一根导线与回流电极A和回流电极B连接；通过航空插头外围联接有交流电压变送器，交流电流变送器和交流信号激励电源，交流电压变送器联接在主电极和回流电极A之间，交流电流变送器联接在主电极和聚焦电极A之间，交流信号激励电源联接在聚焦电极A和回流电极A之间。

传感器本体是由ABS塑料或非金属材料制作，航空插头、聚焦电极A、聚焦电极B、主电极、回流电极A和回流电极B均与传感器本体模压一体。

聚焦电极A和聚焦电极B对称设置在主电极的两边，回流电极A和回流电极B对称设置在主电极的两边。

本发明的原理是通过固定在绝缘杆上的环状电极在待测多孔介质中建立电流场，然后测得流经待测区域的电流以及形成该电流的电势差，最后通过计算得出其电阻率值。为了防止测量电流从电极流出后会大量沿绝缘杆轴向直接流回回流电极，而不是流经待测多孔介质然后流回回流电极，所以，考虑在测量中若能同时形成两个同性电流场，一个为流入待测多孔介质的电流场，为测量提供有用信息，另一个为聚焦电流场，能够将主电流场挤压进待测多孔介质，这样即可减少测量电流沿绝缘杆与待测介质之间缝隙的分流。另外，如果绝缘杆上起相同作用的电极成对称结构排列，并将起相同作用的电极内部用导线短路，就可以保证最外层两个起回流作用的电极之间电势差为零，有效避免沿实验模型内壁形成电流回路。

基于上述发明思想建立的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器数学模型，作如下分析：

给绝缘杆上的两个环状电极供电，在电极间距不大的情况下可以形成球形电场。同时，聚焦电流场必须位于主电流场内部才能够起到将主电流挤压进待测介质的目的，换言之，主电流场必须绕过聚焦电流场才能够消除沿绝缘杆与待测介质之间缝隙的分流现象。根据电磁场理论，可对电阻率进行计算，为了减少计算复杂性，做如下假设。

假设1：聚焦电流场为一个实心球体，主电流场为聚焦电流场实心球体外的空心球体；

假设2：假设1中的聚焦电流场实心球体和主电流场空心球体的直径不变；

假设3：假设1中的聚焦电流场实心球体和主电流场空心球体为同心球体。

如果绝缘杆上的电极环按照上下对称结构排列，让聚焦电流场分布在主电流场内，这样聚焦电流场和主电流场也两两成对称分布，整个电流场应为上下排列的两个上述同心球体电流场。

因为对称关系，只取上半部电流场进行分析。设流经整个电流场的主电流为I，形成整个电流场的电位差为U，流经上半部分主电流场的主电流为I的一半，而电位差依然是U，聚焦电流场实心球体直径为a，主电流场空心球体直径为b，该上半部分主电流场的平均电流密度为j，则

$j=\frac{I/2}{\mathrm{\π}{\left(\frac{a}{2}\right)}^2-\mathrm{\π}{\left(\frac{b}{2}\right)}^2}---\left(1\right)$

该上半部分主电流场可看作由无数的球面累积而成，就其中一个球面而言，这个球面上的平均场强大小满足下式。

$E=\frac{U}{\frac{\mathrm{\π}}{2}\mathrm{\φ}}---\left(2\right)$

其中，φ为对应球面的直径。

整个上半部分主电流场的平均电场强度

为

$\stackrel{\‾}{E}=\frac{\frac{1}{2}\underset{b}{\overset{a}{\∫}}E4\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2\mathrm{d\φ}}{\frac{4}{3}\mathrm{\π}{\left(\frac{a}{2}\right)}^3-\frac{4}{3}\mathrm{\π}{\left(\frac{b}{2}\right)}^3}---\left(3\right)$

根据欧姆定律的微分形式，可以得到

$\stackrel{\‾}{E}=\mathrm{j\ρ}---\left(4\right)$

其中，ρ为电阻率。

将(1)、(3)带入(4)中得

$\mathrm{\ρ}=\frac{U}{I}\frac{3(a-b){(a+b)}^2}{2(a^2+b^2+\mathrm{ab})}---\left(5\right)$

设k为电阻率测量传感器系数，让

$k=\frac{3(a-b){(a+b)}^2}{2(a^2+b^2+\mathrm{ab})}---\left(6\right)$

则有

$\mathrm{\ρ}=k\×\frac{U}{I}---\left(7\right)$

上述各式中，a、b的单位为mm，k的单位为mm，I的单位为mA，U的单位为V。

上述分析说明，基于电磁场理论提出的多孔介质中天然气水合物的电阻率测量方法以及基于这种方法的电阻率测量传感器，待测介质电阻率ρ与U/I值之间满足一定的比例关系，而且该比例系数由形成的两种电流场的直径大小确定。

基于上述发明思想建立的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器数学模型，作为传感器设计和测量电阻率计算的理论依据。

本发明采用的技术方案是所设计的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，该传感器有五个电极，包括一个主电极、一对聚焦电极和一对回流电极。主电极位于中间位置，两聚焦电极对称地排列在主电极两侧，两回流电极对称地排列在最外边。两聚焦电极和两回流电极分别通过导线短路。通过给聚焦电极和回流电极供电在被测介质内部建立电流场，形成聚焦电流场。通过电流计将主电极与聚焦电极连接，主电极和聚焦电极可看做短路，则主电极亦有电流流向回流电极，形成主电流场。由于主电极与聚焦电极之间没有电位差，则主电极流出的电流不会向聚焦电极方向流动，而是绕过聚焦电极流回回流电极。如此以来，可以消除主电流沿绝缘杆与待测介质之间缝隙的分流，同时由于最外层的两回流电极短路，其电位相同，不能导致外层电极和实验模型上下壁之间形成电流回路，从而消除了实验模型上下壁对测量的干扰。

实际测量时，用电流计检出主电极流出的主电流I，用电位差计检出主电极与回流电极之间的电位差U，电阻率测量传感器系数k通过实验前的标定可以得到，用公式(7)就可以计算得出传感器探测区域内被测介质的电阻率。

由于测量传感器尺寸很小，制作过程中的差别会导致系数k变化，所以在实际应用中需对每支测量传感器进行实验标定，通过实验标定的手段确定其系数k。标定方法为，在足够大的容器中倒入纯净水，根据盐水溶液浓度与其电阻率值的对应关系表配置不同浓度的盐水溶液，将测量传感器放于容器中间，测量出对应不同浓度时的U/I值，通过线性回归的方法建立测量传感器测得U/I值与溶液电阻率之间的关系，画出回归曲线图，回归曲线的斜率即为该测量传感器系数k。

本发明的有益效果是不仅可以消除测量传感器与多孔介质接触造成的测量电流分流现象，而且可以有效消除沿实验模型壁形成电流场的发生条件，克服狭小空间中容器上下壁对测量的干扰，从而提高电阻率测量精度。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器电流场分布示意图。

图2是多孔介质中天然气水合物电阻率测量原理图。

图3是多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器结构图。

在图1、图2和图3中，1-聚焦电极A，2-聚焦电极B，3-主电极，4-回流电极A，5-回流电极B，6-传感器本体，7-聚焦电流场，8-主电流场，9-交流电压变送器，10-交流电流变送器，11-交流信号激励源，12-航空插头，13-导线。

图1所示的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器电流场分布，描述了聚焦电流场7和主电流场8在测量传感器6周围的分布的情况以及与各个电极环的相对关系。

图2所示的多孔介质中天然气水合物电阻率测量原理，描述了交流电压变送器9、交流电流变送器10、交流信号激励源11与各个电极环的连接。

图3所示的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器结构，描述了各个电极环是如何通过导线13与航空插头12连接线路。

具体实施方式

本发明包括传感器本体6、聚焦电极A和B、主电极3、回流电极A和B、交流电压变送器9、交流电流变送器10、航空插头12、导线13，其特征在于传感器本体6设计为圆柱体，上端部尺寸大于上部直径，上部直径大于下部直径，在下部直径变径处的上边设有环形卡口槽，在下部的外周从下向上逐序嵌有回流电极B、聚焦电极B、主电极3、聚焦电极A和回流电极A，在传感器本体上端面中心设有一个航空插头12，航空插头的三根导线13的中间一根导线与主电极相连接，下边一根导线与聚焦电极A和聚焦电极B连接，上边一根导线与回流电极A和回流电极B连接；通过航空插头外围联接有交流电压变送器9，交流电流变送器10和交流信号激励电源11，交流电压变送器联接在主电极和回流电极A之间，交流电流变送器联接在主电极和聚焦电极A之间，交流信号激励电源联接在聚焦电极A和回流电极A之间。

在图3所示结构图中，聚焦电极A1通过导线13与聚焦电极B2连接，然后与航空插头12一引脚连接。主电极3通过导线13与航空插头12一引脚连接。回流电极A4通过导线13与回流电极B5连接，然后与航空插头12一引脚连接。用ABS塑料将各个电极与航空插头12浇铸成一个整体，导线13包裹在ABS塑料之中。

如图2测量原理图所示，交流信号激励源11一端与聚焦电极A1、聚焦电极B2引出的导线相连接，另一端与回流电极A4、回流电极B5引出的导线相连接，可在待测介质中产生一定频率的聚焦电流场7。交流电流变送器10一端与聚焦电极A1、聚焦电极B2引出的导线相连接，另一端与主电极3引出的导线相连接，则主电极3可看作与聚焦电极A1、聚焦电极B2短路，故主电极3与回流电极A4、回流电极B5之间亦有电流场产生，即主电流场8。同时，交流电流变送器10检测出主电极3发出的电流值I。交流电压变送器9一端与主电极3引出导线相连接，另一端与回流电极A4、回流电极B5引出导线相连接，检测出主电极3与回流电极A4、回流电极B5之间的电位差U。

在图3中，聚焦电极A1和聚焦电极B2长度相同，回流电极A4和回流电极B5长度相同。c与d长度相同，e与f长度相同，以保证各个电极为对称结构排列。

多孔介质中天然气水合物电阻率测量前，通过前述的标定方法对传感器进行标定，得出传感器系数k。

多孔介质中天然气水合物电阻率测量时，将传感器置于待测介质中，通过交流信号激励源11给传感器供电，然后通过交流电流变送器10测出主电极3流出的电流值I，交流电压变送器9测出主电极3与回流电极A4(回流电极A4与回流电极B5是短路的。)之间的电位差U，所测的电阻率值通过公式(7)计算得出。

Claims (3)

1.一种多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，包括传感器本体、聚焦电极、主电极、回流电极、交流电压变送器、交流电流变送器、航空插头、导线，其特征在于传感器本体设计为圆柱体，上端部尺寸大于上部直径，上部直径大于下部直径，在下部直径变径处的上边设有环形卡口槽，在下部的外周从下向上逐序嵌有回流电极B、聚焦电极B、主电极、聚焦电极A和回流电极A，在传感器本体上端面中心设有一个航空插头，航空插头的三根导线的中间一根导线与主电极相连，左边一根导线与聚焦电极A和聚焦电极B连接，右边一根导线与回流电极A和回流电极B连接；通过航空插头外围联接有交流电压变送器，交流电流变送器和交流信号激励电源，交流电压变送器联接在主电极和回流电极A之间，交流电流变送器联接在主电极和聚焦电极A之间，交流信号激励电源联接在聚焦电极A和回流电极A之间。

2.根据权利要求1所述的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，其特征在于传感器本体是由非金属材料制作，航空插头、聚焦电极A、聚焦电极B、主电极、回流电极A和回流电极B均与传感器本体模压一体。

3.根据权利要求1所述的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，其特征在于聚焦电极A和聚焦电极B对称设置在主电极的两边，回流电极A和回流电极B对称设置在主电极的两边。

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