CN102877825B - 阻抗式流量含水仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测量技术领域，涉及一种井下原油含水率测量仪器，该阻抗式流量含水仪包括测量骨架、信号采集单元、信号发生单元以及电源单元；电源单元通过信号采集单元与信号发生单元相连；电源单元、信号采集单元以及信号发生单元自上而下的依次设置在测量骨架上。本发明提供了一种可工作于高温环境、采用单芯电缆供电传输信号、阻抗传感器激励信号可自动调节、适用不同矿化度的流体中、对测量结果进行归一化处理以及保证测量结果一致性的阻抗式流量含水仪。

Description

阻抗式流量含水仪
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及一种井下原油含水率测量仪器，尤其涉及一种通过涡轮测量油水流量的阻抗式流量含水仪。
背景技术
在过环空产液剖面测井中，测量井下原油含水率，通常采用电容法和阻抗法。电容式含水仪，比较适合使用在低含水的情况下，而阻抗法适用于高含水。目前油田正处于高含水开发期，阻抗法含水仪，可以更准确、可靠地测量井下原油的含水率。阻抗式含水仪，通过测量混合流体的电阻率来确定含水率，该仪器采用集流的测量方式，可以进行定点随时间连续测量，测量结果不受温度与矿化度影响，电极的粘污导致误差小，受流态的影响小。目前存在的阻抗式含水仪，在大庆油田得到大量的应用，在近几年的应用中发现存在如下问题：仪器供电采用三芯电缆，供电繁琐，仪器工作温度范围有限，无法适用于高温环境的井中；由于阻抗传感器的激励信号受井中流体矿化度的影响，在不同的环境中需要人为调节激励信号，因此含水率测量结果受人为影响较大，导致测量结果不准确，使用不方便；阻抗式含水仪测量的是相对值，激励信号不同每支仪器测量值都不相同，无法保证测量的一致性。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可工作于高温环境、采用单芯电缆供电传输信号、阻抗传感器激励信号可自动调节、适用不同矿化度的流体中、对测量结果进行归一化处理以及保证测量结果一致性的阻抗式流量含水仪。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种阻抗式流量含水仪，其特殊之处在于：所述阻抗式流量含水仪包括测量骨架、信号采集单元、信号发生单元以及电源单元；所述电源单元通过信号采集单元与信号发生单元相连；所述电源单元、信号采集单元以及信号发生单元自上而下的依次设置在测量骨架上。
上述信号发生单元包括集流伞、集流伞开收装置、进液管以及进液口；所述集流伞的一端固定在测量骨架上，另一端通过集流伞开收装置实现集流伞的开启或收起；所述进液管设置在沿测量骨架的轴向方向上；所述进液口设置在集流伞的伞布上并与进液管相贯通。
上述集流伞开收装置包括电机控制电路、减速电机以及滚珠丝杠；所述滚珠丝杠、减速电机以及电机控制电路自上而下的依次设置在测量骨架上；所述电机控制电路与减速电机电性相连并给减速电机工作信号；所述减速电机通过滚珠丝杠推动集流伞开启或收起。
上述信号采集单元包括阻抗含水传感器、采样管、涡轮、霍尔元件以及信号采集电路；所述采样管设置在测量骨架内部并与进液管相贯通；所述霍尔元件、涡轮以及阻抗含水传感器自上而下依次设置在采样管内部；所述信号采集电路分别与阻抗含水传感器以及霍尔元件相连。
上述涡轮的转轴上镶嵌有导磁块；所述霍尔元件设置在与导磁块相对应的位置上。
上述阻抗含水传感器包括第一电极环接地端、电极环激励端、电极环接收端正极、电极环接收端负极以及第二电极环接地端；所述第一电极环接地端、电极环激励端、电极环接收端正极、电极环接收端负极以及第二电极环接地端自上而下设置在依次设置。
上述第一电极环接地端、电极环激励端、电极环接收端正极、电极环接收端负极以及第二电极环接地端中的电极环均采用不锈钢材料制成。
上述信号采集电路包括阻抗传感器激励信号电路；所述阻抗传感器激励信号电路包括模拟开关、高速低阻抗八通道模拟开关、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及信号采集输出端；所述第一运算放大器包括第一运算放大器正向输入端、第一运算放大器负向输入端以及第一运算放大器输出端；所述第二运算放大器包括第二运算放大器正向输入端、第二运算放大器负向输入端以及第二运算放大器输出端；所述第三运算放大器包括第三运算放大器正向输入端、第三运算放大器负向输入端以及第三运算放大器输出端；所述模拟开关接入第一运算放大器正向输入端；所述第一运算放大器输出端通过高速低阻抗八通道模拟开关接入第一运算放大器负向输入端；所述第一运算放大器输出端分别接入第二运算放大器正向输入端以及第三运算放大器输出端；所述第二运算放大器输出端分别接入信号采集输出端、第二运算放大器负向输入端以及第三运算放大器正向输入端；所述第三运算放大器负向输入端接入第三运算放大器输出端。
上述模拟开关是模拟开关ADG419TQ；所述高速低阻抗八通道模拟开关是高速低阻抗八通道模拟开关ADG1408YRUZ；所述第一运算放大器、第二运算放大器以及第三运算放大器均是高阻抗型运算放大器CA3140AM。
上述电源单元包括单芯电缆以及与单芯电缆电性相连的DC-DC电源模块。
本发明的优点是：
本发明所提供的阻抗式流量含水仪，采用单芯电缆供电传输信号，操作方便，信号传输误码率低；所采用的阻抗含水传感器，耐高温，防粘污，含水测量结果准确可靠；这种阻抗传感器激励电路，能够根据不同油井的矿化度，自适应切换激励源驱动电路，使交流信号保持在一个合理的线性范围，保证测量的可靠性，准确性。不需要人为的改变激励电阻，同时这种方式，也不需要反复起下仪器，提高了测井效率。整支均选用高温材料与芯片，使仪器可以工作在不同温度范围的油井中，最高可耐温175度。
附图说明
图1是本发明所提供的阻抗式流量含水仪的结构示意图；
图2是本发明所采用的阻抗含水传感器的结构示意图；
图3是本发明所采用的阻抗传感器激励信号电路原理图；
其中：
1-上护帽；2-DC-DC电源模块；3-信号采集电路；4-采样管；5-阻抗含水传感器；6-霍尔元件；7-涡轮；8-进液管；9-进液口；10-集流伞；11-限位开关；12-滚珠丝杠；13-减速电机；14-电机控制电路；15-第一电极环接地端；16-电极环激励端；17-电极环接收端正极；18-电极环接收端负极；19-第二电极环接地端。
具体实施方式
参见图1，本发明提供了一种阻抗式流量含水仪，该阻抗式流量含水仪包括测量骨架、信号采集单元、信号发生单元以及电源单元；电源单元通过信号采集单元与信号发生单元相连；电源单元、信号采集单元以及信号发生单元自上而下的依次设置在测量骨架上。
信号发生单元包括集流伞10、集流伞10开收装置、进液管8以及进液口9；集流伞10的一端固定在测量骨架上，另一端通过集流伞10开收装置实现集流伞10的开启或收起；进液管8设置在沿测量骨架的轴向方向上；进液口9设置在集流伞10的伞布上并与进液管8相贯通。
集流伞10开收装置包括电机控制电路14、减速电机13以及滚珠丝杠12；滚珠丝杠12、减速电机13以及电机控制电路14自上而下的依次设置在测量骨架上；电机控制电路14与减速电机13电性相连并给减速电机13工作信号；电机控制电路14通过限位开关11与减速电机13相连，减速电机13通过滚珠丝杠12推动集流伞10开启或收起。
信号采集单元包括阻抗含水传感器5、采样管4、涡轮7、霍尔元件6以及信号采集电路3；采样管4设置在测量骨架内部并与进液管8相贯通；霍尔元件6、涡轮7以及阻抗含水传感器5自上而下依次设置在采样管4内部；信号采集电路3分别与阻抗含水传感器5以及霍尔元件6相连。
涡轮7的转轴上镶嵌有导磁块；霍尔元件6设置在与导磁块相对应的位置上。
参见图2，阻抗含水传感器5包括第一电极环接地端15、电极环激励端16、电极环接收端正极17、电极环接收端负极18以及第二电极环接地端19；第一电极环接地端15、电极环激励端16、电极环接收端正极17、电极环接收端负极18以及第二电极环接地端19自上而下设置在依次设置。
第一电极环接地端15、电极环激励端16、电极环接收端正极17、电极环接收端负极18以及第二电极环接地端19中的电极环均采用不锈钢材料制成。
信号采集电路3中的阻抗传感器激励信号电路包括模拟开关、高速低阻抗八通道模拟开关、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及信号采集输出端；第一运算放大器包括第一运算放大器正向输入端、第一运算放大器负向输入端以及第一运算放大器输出端；第二运算放大器包括第二运算放大器正向输入端、第二运算放大器负向输入端以及第二运算放大器输出端；第三运算放大器包括第三运算放大器正向输入端、第三运算放大器负向输入端以及第三运算放大器输出端；模拟开关接入第一运算放大器正向输入端；第一运算放大器输出端通过高速低阻抗八通道模拟开关接入第一运算放大器负向输入端；第一运算放大器输出端分别接入第二运算放大器正向输入端以及第三运算放大器输出端；第二运算放大器输出端分别接入信号采集输出端、第二运算放大器负向输入端以及第三运算放大器正向输入端；第三运算放大器负向输入端接入第三运算放大器输出端。
模拟开关是模拟开关ADG419TQ；高速低阻抗八通道模拟开关是高速低阻抗八通道模拟开关ADG1408YRUZ；第一运算放大器、第二运算放大器以及第三运算放大器均是高阻抗型运算放大器CA3140AM。
电源单元包括单芯电缆以及与单芯电缆电性相连的DC-DC电源模块2；单芯电缆供电传输信号时由于DC-DC电源模块2工作电压为30至60V，当电压工作于30V与60V之间时，仪器进行流量和含水的测量，信号采用11.458Kbps非归零码通过单芯电缆传输，电压高于70V时开伞，供负电压时收伞。
本发明所提供的阻抗式流量含水仪过环空下到油井下后，通过单芯电缆供电，电机控制电路14控制电机推动滚珠丝杠12，打开集流伞10。产液通过集流伞10集流后通过进液管8进入取样管中，推动涡轮7转动，涡轮7转轴上镶嵌的一块导磁材料旋转时就会在附近的霍尔元件6中感应出电信号，从而测量流量。液体推动涡轮7后会流过阻抗传感器。信号采集电路3给阻抗传感器的激励极供交变的恒定的电流，交变恒定电流经导电流体从两电极间流过传感器时，可从两个接收电极测量电压值，从而测量含水。所测得数据经过处理后通过单芯电缆传输到地面PC中。
把上护帽1取下，和单芯电缆头连接，当阻抗式流量含水仪过环空下到油井下后，通过单芯电缆供电，电机控制电路14控制减速电机13推动滚珠丝杠12，打开集流伞10。产液通过集流伞集流后通过进液管8进入取样管中10，推动涡轮7转动，涡轮7转轴上镶嵌的一块导磁材料，旋转时就会在附近的霍尔元件6中感应出电信号，从而测量流量。液体推动涡轮7后会流过阻抗传感器5。信号采集电路3给阻抗传感器5的电极环激励端16供交变的恒定的电流，交变恒定电流经导电流体从两电极间流过传感器时，可从两个接收电极17、18测量电压值，从而测量含水。所测得数据经过处理后通过单芯电缆传输道地面PC机。
参见图3，本发明所提供的阻抗含水传感器的激励信号电路，由模拟开关ADG419TQ，三个高阻抗型运算放大器CA3140AM和高速低阻抗八通道模拟开关ADG1408YRUZ组成。单片机发送一个固定的频率与ADG419的6脚相连，使ADG419输出一个交变的方波，ADG1408YRUZ与一个CA3140AM(U7)构成可变增益放大器，另外两个CA3140AM(U6、U8)构成恒流源电路。此电路驱动可以输出一个频率和激励电流都可以调整的交变方波信号，连接到阻抗传感器的激励电极环16。两个接收电极环17、18采集到的信号经过差分仪表放大，有效值转换，压频转换，整形，传入单片机，进行归一化处理。当矿化度不同时，通过单片机控制ADG1408YRUZ的16与1引脚的电平选择不同的增益，调节激励信号，使交流源输出保持在一个合理的线性范围，保证测量的可靠性，准确性。

Claims (7)

1.一种阻抗式流量含水仪，其特征在于：所述阻抗式流量含水仪包括测量骨架、信号采集单元、信号发生单元以及电源单元；所述电源单元通过信号采集单元与信号发生单元相连；所述电源单元、信号采集单元以及信号发生单元自上而下的依次设置在测量骨架上；
所述信号发生单元包括集流伞、集流伞开收装置、进液管以及进液口；所述集流伞的一端固定在测量骨架上，另一端通过集流伞开收装置实现集流伞的开启或收起；所述进液管设置在沿测量骨架的轴向方向上；所述进液口设置在集流伞的伞布上并与进液管相贯通；
所述信号采集单元包括阻抗含水传感器、采样管、涡轮、霍尔元件以及信号采集电路；所述采样管设置在测量骨架内部并与进液管相贯通；所述霍尔元件、涡轮以及阻抗含水传感器自上而下依次设置在采样管内部；所述信号采集电路分别与阻抗含水传感器以及霍尔元件相连；
所述信号采集电路包括阻抗传感器激励信号电路；所述阻抗传感器激励信号电路包括模拟开关、高速低阻抗八通道模拟开关、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及信号采集输出端；所述第一运算放大器包括第一运算放大器正向输入端、第一运算放大器负向输入端以及第一运算放大器输出端；所述第二运算放大器包括第二运算放大器正向输入端、第二运算放大器负向输入端以及第二运算放大器输出端；所述第三运算放大器包括第三运算放大器正向输入端、第三运算放大器负向输入端以及第三运算放大器输出端；所述模拟开关接入第一运算放大器正向输入端；所述第一运算放大器输出端通过高速低阻抗八通道模拟开关接入第一运算放大器负向输入端；所述第一运算放大器输出端分别接入第二运算放大器正向输入端以及第三运算放大器输出端；所述第二运算放大器输出端分别接入信号采集输出端、第二运算放大器负向输入端以及第三运算放大器正向输入端；所述第三运算放大器负向输入端接入第三运算放大器输出端。
2.根据权利要求1所述的阻抗式流量含水仪，其特征在于：所述集流伞开收装置包括电机控制电路、减速电机以及滚珠丝杠；所述滚珠丝杠、减速电机以及电机控制电路自上而下的依次设置在测量骨架上；所述电机控制电路与减速电机电性相连并给减速电机工作信号；所述减速电机通过滚珠丝杠推动集流伞开启或收起。
3.根据权利要求2所述的阻抗式流量含水仪，其特征在于：所述涡轮的转轴上镶嵌有导磁块；所述霍尔元件设置在与导磁块相对应的位置上。
4.根据权利要求3所述的阻抗式流量含水仪，其特征在于：所述阻抗含水传感器包括第一电极环接地端、电极环激励端、电极环接收端正极、电极环接收端负极以及第二电极环接地端；所述第一电极环接地端、电极环激励端、电极环接收端正极、电极环接收端负极以及第二电极环接地端自上而下设置在依次设置。
5.根据权利要求4所述的阻抗式流量含水仪，其特征在于：所述第一电极环接地端、电极环激励端、电极环接收端正极、电极环接收端负极以及第二电极环接地端中的电极环均采用不锈钢材料制成。
6.根据权利要求5所述的阻抗式流量含水仪，其特征在于：所述模拟开关是模拟开关ADG419TQ；所述高速低阻抗八通道模拟开关是高速低阻抗八通道模拟开关ADG1408YRUZ；所述第一运算放大器、第二运算放大器以及第三运算放大器均是高阻抗型运算放大器CA3140AM。
7.根据权利要求1所述的阻抗式流量含水仪，其特征在于：所述电源单元包括单芯电缆以及与单芯电缆电性相连的DC-DC电源模块。
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Denomination of invention: Impedance type flow rate water content measuring instrument

Effective date of registration: 20200106

Granted publication date: 20151125

Pledgee: Xi'an investment and financing Company limited by guarantee

Pledgor: Xi'an Sitan Instruments Co.,Ltd.

Registration number: Y2020610000002

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Date of cancellation: 20210611

Granted publication date: 20151125

Pledgee: Xi'an investment and financing Company limited by guarantee

Pledgor: XI'AN SITAN INSTRUMENTS Co.,Ltd.

Registration number: Y2020610000002

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Denomination of invention: Impedance flow meter

Effective date of registration: 20211209

Granted publication date: 20151125

Pledgee: Export Import Bank of China Gansu Branch

Pledgor: Xi'an Sitan Instruments Co.,Ltd.

Registration number: Y2021620000016

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Date of cancellation: 20230106

Granted publication date: 20151125

Pledgee: Export Import Bank of China Gansu Branch

Pledgor: Xi'an Sitan Instruments Co.,Ltd.

Registration number: Y2021620000016

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Denomination of invention: Impedance flow moisture meter

Effective date of registration: 20230111

Granted publication date: 20151125

Pledgee: Export Import Bank of China Gansu Branch

Pledgor: Xi'an Sitan Instruments Co.,Ltd.

Registration number: Y2023620000007