CN103344670A - 原油含水率管外测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原油含水率管外测量装置，该装置包括微处理器、DDS信号生成模块、功率放大模块、电磁电导传感器、放大电路、滤波电路、相敏检波电路和A/D转换模块；微处理器连接DDS信号生成模块，DDS信号生成模块连接功率放大模块，功率放大模块连接电磁电导传感器，电磁电导传感器连接放大电路，放大电路连接滤波电路、滤波电路连接相敏检波电路，相敏检波电路连接A/D转换模块。该方法测量位置不受限，成本低，安全性高，很好的满足了目前现场工况的需要。

Description

原油含水率管外测量方法及装置

技术领域：

本发明属于多相流测量领域，多相流测量是指对气、固、液的构成的混合物的比例进行测量，应用领域包括火力发电厂的煤粉流量测量、风量等测量，油田中的原油含水率、油的产量计量，沥青混合料的配比测量等，本发明原油含水率测量涉及一种从运输混合物的管道外的测量混合物的配比方法及装置

背景技术：目前在石油生产中，原油含水率的检测方法包括蒸馏法、电脱法、振管密度计法、射频法、X射线法、电容法和微波法等。由于原油含水率的测量受到多种因素的影响，且与其影响因素具有复杂的非线性关系，因此各种测量原油含水率的方法都具有一定的局限性。蒸馏法是指传统的定时取样蒸馏化验的人工分析方法进行原油含水率的测量。由于该方法不能在线及时测量原油的含水率，因此如何快速、准确地在线检测原油的含水率，一直是油田急需解决的问题。X射线法虽然能适应较大的含水率测量范围，但由于现场操作人员对放射性元素的恐惧心理，难以进行推广。微波法原理复杂，仪器成本较高，而且使用和维护困难。振管密度计测量精度较高，但易受结垢、流体含气等因素的影响。所以，目前还没有一种能够安全环保、成本低廉、准确可靠地测量含水率的计量仪器。

对于管道原油含水率的测量，由于金属管道的封闭性，尤其是金属管道强烈的电磁屏蔽效应，使现有的大多数测量方法的应用受到了很大的限制。对此，目前主要有两种方法来进行解决，一种是采用专用的分流管道，在管道内部放置传感器，此方法测量精度高，可以直接采用理论成熟的含水率检测方法，只是应用的地点受到限制，而且其随机误差比较大，不能大面积的代表整体的含水率,由于原油中含有许多粘性物质，这些粘性物质很容易附着在传感器的表面，造成很大的误差，并且在管道内部放置传感器的方法只能在管道中的某些固定点进行测量；另一种方法是采用透射性强的γ射线进行测量，此方法能解决上述地点的问题，但其安全性和成本又成为了最主要的问题。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种原油含水率管外测量方法及装置，其目的是解决目前的测量方法存在的价格昂贵、安全隐患等问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种原油含水率管外测量装置，其特征在于：该装置包括微处理器、DDS信号生成模块、功率放大模块、电磁电导传感器、放大电路、滤波电路、相敏检波电路和A/D转换模块；微处理器连接DDS信号生成模块，DDS信号生成模块连接功率放大模块，功率放大模块连接电磁电导传感器，电磁电导传感器连接放大电路，放大电路连接滤波电路、滤波电路连接相敏检波电路，相敏检波电路连接A/D转换模块。

电磁电导传感器即原油含水率管外测量传感器由三线圈阵列构成，包括发射线圈、屏蔽线圈和接收线圈，其中屏蔽线圈安装在发射线圈和接收线圈之间，并且满足N_P＝-α³N_T关系，“-”表示发射线圈和屏蔽线圈绕制方向相反，α为比例系数满足L_PR＝αL_TR，L_TR为发射线圈和接收线圈之间的距离，L_PR为屏蔽线圈和接收线圈之间的距离，N_T为发射线圈的匝数，N_P为屏蔽线圈的匝数。

电磁电导传感器置于被测管道之外，调整屏蔽线圈在发射线圈和接收线圈之间的位置以获得最大的传感器灵敏度，当接收线圈上的有用信号最大时，屏蔽线圈的位置为最佳，屏蔽线圈和接收线圈之间的距离为最优距离。

电磁电导传感器置于被测管道之外，当参数设置如下时：金属管道的内径r₁为0.1m，金属管道的外径r₂为0.104m，金属管道厚度为0.004m，金属管道的相对磁导率μ_r为5000，管内和管外物质的相对磁导率为1，管道内的原油和水分的混合物的电阻率为0.01，管道的电阻率ρ₂为2.00e-5，管道外空气电阻率ρ₃为1.00e+5。传感器的参数为单股铜芯导线的直径为0.001m，绝缘层厚度0.00007m，20℃时其电阻率为0.284Ω/in³，每平方英寸匝数为534匝。铜线的相对磁导率也为1，电阻率为3.00e-8。发射线圈的匝数为20匝，屏蔽线圈的匝数为10匝，接收线圈的匝数为50匝。发射线圈的激励源最佳参数是频率为39Hz，电流为2.108A的大功率低频信号。在上述参数条件下屏蔽线圈和接收线圈之间的最优距离为0.6m。

一种上述的原油含水率管外测量装置所实施的原油含水率管外测量方法，其特征在于：该方法利用三线圈电磁电导传感器在管壁外进行测量，该方法的步骤如下：

将发射线圈、屏蔽线圈以及接收线圈套在被测管道壁的外围；将屏蔽线圈置于发射线圈和接收线圈之间，使屏蔽线圈与发射线圈的绕制方向相反：

设发射线圈T的匝数为N_T,屏蔽线圈P的匝数为N_P，接收线圈R的匝数为N_R，当使用三线圈阵列时，在接收线圈产生的感应电动势为：

V＝V_TR+V_PR

$V_{\mathrm{TR}}=\frac{{\mathrm{fI}}_T{S}_T{N}_T{S}_R{N}_{R}i}{L_{\mathrm{TR}}^3}[1-(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{TR}}]e^{(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{TR}}}$

$V_{\mathrm{PR}}=\frac{{\mathrm{fI}}_T{S}_P{N}_P{S}_R{N}_{R}i}{L_{\mathrm{PR}}^3}[1-(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{PR}}]e^{(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{PR}}}$

在接收线圈产生的一次直接感应电动势为：

$V_{\mathrm{gr}}=\frac{S_T{N}_T{S}_R{N}_R}{L_{\mathrm{TR}}^3}{\mathrm{fI}}_{T}i+\frac{S_P{N}_P{S}_R{N}_R}{L_{\mathrm{PR}}^3}{\mathrm{fI}}_{T}i$

其中：L_TR为发射线圈与接收线圈的距离；

L_PR为屏蔽线圈与接收线圈的距离；

f为发射信号的频率；

I_T为发射信号的电流强度；

N_T为发射线圈的匝数；

N_R为接收线圈的匝数；

S_T为发射线圈的面积；

S_R为接收线圈的面积；

S_T=S_R=πr²,r为线圈截面积的半径；

σ为含水原油的电导率；

L为发射线圈与接收线圈的距离；

μ为介质的磁导率

接收线圈上的有用信号即二次感应电动势为：

ΔV＝V-V_gr

将该信号通过放大电路、滤波电路、相敏检波电路和A/D转换模块传输至微处理器。

优点及效果：本发明提供一种原油含水率管外测量方法及装置，其在金属管道外部环境下对原油含水率的测量具有特殊的优势。主要优点表现在以下四个方面：

(1)非接触测量。其测量原理决定了电磁电导测量技术是与原油的非接触测量，因而可以从根本上消除了油水混合物本身对传感器的影响。又由于是非接触测量，设备的安装和维护成本将大幅度降低。

(2)对金属管道穿透性较好。金属管道对高频电磁信号具有强烈的屏蔽作用，但是电磁电导传感器的信号属于低频段，可以穿透金属管道。

(3)稳定性较好精度较高。传统的原油含水率测量方法所测量的范围都是传感器之间的区域，基本上是采用的“以点带面”的方式测量。但是电磁电导传感器是以整个管道空间为基础，测量的是大范围内的原油含水率，这样其测量的精度就会提高，与其他的“以点带面”的测量方式有很大的不同，使用电磁电导法测量的结果可以代表整个管道中的原油中水分的比例。而且将传感器经过优化后，也随时可以测量流过某一区域内的原油含水率，随时对测量结果进行精度的校正。

(4)电磁电导传感器的制作成本较低。电磁电导传感器不需要复杂的电路设计，无辐射也不需要特殊构造的安全保护措施。

该方法测量位置不受限，成本低，安全性高，很好的满足了目前现场工况的需要。

附图说明：

图1为电磁电导传感器理论分析模型；

图2为传感器结构示意图；

图3低频信号产生的电磁场；

图430Hz和39Hz频率对比图；

图5.1为空气介质的测量结果图；

图5.2为某矿化度的测量结果图；

图5.3为原油含水率为8.3%的测量结果图；

图6含水率曲线；

图7本发明的装置的结构框图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图7所示，本发明提供了一种原油含水率管外测量装置，该装置包括微处理器、DDS信号生成模块、功率放大模块、电磁电导传感器、放大电路、滤波电路、相敏检波电路和A/D转换模块；微处理器连接DDS信号生成模块，DDS信号生成模块连接功率放大模块，功率放大模块连接电磁电导传感器，电磁电导传感器连接放大电路，放大电路连接滤波电路、滤波电路连接相敏检波电路，相敏检波电路连接A/D转换模块。

如图2所示，电磁电导传感器由发射线圈、屏蔽线圈以及接收线圈构成，三线圈阵列传感器置于被测管道之外，通过对不同的激励频率和电流进行对比分析，频率在20Hz至40Hz的范围内管道内可以得到最优的磁场强度，在频率大于1kHz时管道内部的磁场强度十分微弱，如图3和4所示。最后确定使用频率为39Hz，电流为2.108A的大功率低频信号作为发射线圈的激励源。调整屏蔽线圈在发射线圈和接收线圈之间的位置以获得最大的传感器灵敏度，当接收线圈上的有用信号最大时，屏蔽线圈的位置为最佳，屏蔽线圈和接收线圈之间的距离为最优距离，该距离与被测管道的直径、材质、激励源频率、激励电流、功率、线圈的匝数等多种因素有关。当参数设置如下：金属管道的内径r₁为0.1m，金属管道的外径r₂为0.104m，金属管道厚度为0.004m，金属管道的相对磁导率μ_r为5000，管内和管外物质的相对磁导率为1，管道内的原油和水分的混合物的电阻率为0.01，管道的电阻率ρ₂为2.00e-5，管道外空气电阻率ρ₃为1.00e+5。传感器的参数为单股铜芯导线的直径为0.001m，绝缘层厚度0.00007m，20℃时其电阻率为0.284Ω/in³，每平方英寸匝数为534匝。铜线的相对磁导率也为1，电阻率为3.00e-8。发射线圈的匝数为20匝，屏蔽线圈的匝数为10匝，接收线圈的匝数为50匝。激励源的频率为39Hz，电流强度为2.108A。在该设置时屏蔽线圈和接收线圈之间的最优距离为0.6m，如图5.1-5.3所示。

本发明的实施方法是利用三线圈在管壁外进行测量，该方法的步骤如下：

将发射线圈、屏蔽线圈以及接收线圈套在被测管道壁的外围；如图2所示，在发射线圈T和接收线圈R之间加入屏蔽线圈P，使屏蔽线圈与发射线圈的绕制方向相反，其中发射线圈T的匝数为N_T,屏蔽线圈P的匝数为N_P，接收线圈R的匝数为N_R。如果没有屏蔽线圈，在接收线圈上产生的直接感应电动势将会把含水原油在接收线圈上产生的二次感应电动势覆盖，对于测量十分不利。所以在发射线圈和接收线圈之间加入了屏蔽线圈P，目的就是为了消除发射线圈在接收线圈上产生的直接感应电动势。

当使用三线圈阵列时，在接收线圈产生的感应电动势为：

V＝V_TR+V_PR   (1)

$V_{\mathrm{TR}}=\frac{{\mathrm{fI}}_T{S}_T{N}_T{S}_R{N}_{R}i}{L_{\mathrm{TR}}^3}[1-(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{TR}}]e^{(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{TR}}}---\left(2\right)$

$V_{\mathrm{PR}}=\frac{{\mathrm{fI}}_T{S}_P{N}_P{S}_R{N}_{R}i}{L_{\mathrm{PR}}^3}[1-(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{PR}}]e^{(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{PR}}}---\left(3\right)$

在接收线圈产生的一次直接感应电动势为：

$V_{\mathrm{gr}}=\frac{S_T{N}_T{S}_R{N}_R}{L_{\mathrm{TR}}^3}{\mathrm{fI}}_{T}i+\frac{S_P{N}_P{S}_R{N}_R}{L_{\mathrm{PR}}^3}{\mathrm{fI}}_{T}i---\left(4\right)$

其中：L_TR为发射线圈与接收线圈的距离；

L_PR为屏蔽线圈与接收线圈的距离；

f为发射信号的频率；

I_T为发射信号的电流强度；

N_T为发射线圈的匝数；

N_R为接收线圈的匝数；

S_T为发射线圈的面积；

S_R为接收线圈的面积；

S_T=S_R=πr²,r为线圈截面积的半径；

σ为含水原油的电导率；

L为发射线圈与接收线圈的距离；

μ为介质的磁导率

接收线圈上的有用信号（二次感应电动势）为：

ΔV＝V-V_gr    (5)

将该信号通过放大电路、滤波电路、相敏检波电路和A/D转换模块传输至微处理器。

通过加入屏蔽线圈，可以使得接收线圈上的无用信号，即直接感应电动势大幅度的降低，相对的提高了有用信号所占的比例，对后续的测量十分有利。由于发射线圈、屏蔽线圈以及接收线圈都是绕制在同一管道上面的，所以可设：L_TR＝L，L_PR＝αL，其中α为比例系数。则：

$V_{\mathrm{gr}}=(\frac{S_T{N}_T{S}_R{N}_R}{L^3}+\frac{S_R{N}_R{S}_P{N}_P}{\mathrm{\α}{L}^3}){\mathrm{fI}}_{T}i---\left(6\right)$

要使干扰信号为0，则必有：

$\frac{S_T{N}_T{S}_R{N}_R}{L^3}+\frac{S_R{N}_R{S}_P{N}_P}{\mathrm{\α}{L}^3}=0---\left(7\right)$

则有:

N_P＝-α³N_T   (8)

由(8)式可以看出，要想完全消除发射线圈产生的直接感应电动势，发射线圈和屏蔽线圈之间必须满足式(8)之间的关系。其中的“-”表示发射线圈和屏蔽线圈绕制方向相反。

给发射线圈通以大功率低频的电流，发射线圈所形成的电磁场会部分穿过金属管道，进入金属管道的内部，在油水混合物中的正负离子中形成电涡流，该电涡流形成的电磁场在接收线圈上产生二次感应电动势，二次感应电动势的大小与电涡流多少有关，电涡流的多少与油水混合物中水分的含量有关，所以接收线圈上的二次感应电动势与原油含水率对应相关，测量接收线圈上的二次感应电动势就可以得到原油含水率。

在利用ANSYS仿真和MATLAB数据计算分析了铁磁管道环境下低频磁场的分布情况，得出了在使用三线圈复合系进行原油含水率测量时，信号频率与检测到的信号幅值差的关系。由两线圈系（指发射线圈与接收线圈）的nV级提高至复合线圈系的μV级。并且通过实际的管道实验测量了含水率从0%至100%接收线圈上的二次感应电压的大小，其有用信号的变化量位于μV级。在实际的管道测量中，ΔV的总的变化量为从0V增加至0.01545V。但是此时的有用信号中还是含有一些噪声，在两线圈系中加入屏蔽线圈的主要作用是将信号的信噪比大幅度的提高了，使得最终的有用信号在ΔV中所占的比例增加。同时通过实际的实验也可以看出，随着原油中水分的增多，其有用信号ΔV也随之增加，原油含水率和有用信号的变化率之间基本上呈现的为线性关系，如图6所示。

本发明针对原油含水率参数进行测量，对于管道输送的含水原油，利用低频电磁电导法从管道外实现测量，具有不破坏管道，无损检测，安装地点任意，安全性高，低成本的特点，该方法还具有如下特点：

①、管外安装传感器

基于电涡流原理和电磁电导基本原理，将传感器放置于管道外实现了含水率的测量，解决了金属管道对激励源的屏蔽问题，解决了微弱信号的提取与检测问题。该方法测量位置不受限，成本低，安全性高，适合测量高含水，满足目前现场工况需要。

②、电涡流法

对设计的电磁电导传感器进行了MATLAB数值模拟计算，对于传感器进行定量分析。数值模拟计算也得出了优化后的电磁电导传感器可以将有用信号从使用传统的电磁电导传感器的nV级或nV级以下提高至μV级或μV级以上。

③、超低频电磁电导法

通过ANSYS有限元软件对优化后的电磁电导传感器进行了仿真，得出了使用优化后的电磁电导传感器时，所使用的正弦波的最优频率为39Hz。以及在优化后的电磁电导传感器中，屏蔽线圈和接收线圈之间的最优距离为0.6m。

④、传感器结构

基于电磁电导原理设计了一种新型的电磁电导传感器，新型的电磁电导传感器由三部分组成，分别为发射线圈、屏蔽线圈以及接收线圈。其中加入屏蔽线圈的作用是消除发射线圈在接收线圈上产生的直接感应电动势，提高了接收线圈上有用信号的信噪比。

⑤、测量装置

设计了整个测量系统。包括激励源的设计、信号放大电路的设计、滤波电路的设计、相敏检波电路的设计以及A/D转换电路的设计，并编写了相应的程序。通过在实际的金属管道上的测量，证明了该传感器具有较好的检测效果。

Claims (5)

1.一种原油含水率管外测量装置，其特征在于：该装置包括微处理器、DDS信号生成模块、功率放大模块、电磁电导传感器、放大电路、滤波电路、相敏检波电路和A/D转换模块；微处理器连接DDS信号生成模块，DDS信号生成模块连接功率放大模块，功率放大模块连接电磁电导传感器，电磁电导传感器连接放大电路，放大电路连接滤波电路、滤波电路连接相敏检波电路，相敏检波电路连接A/D转换模块。

2.根据权利要求1所述的原油含水率管外测量装置，其特征在于：电磁电导传感器即原油含水率管外测量传感器由三线圈阵列构成，包括发射线圈、屏蔽线圈和接收线圈，其中屏蔽线圈安装在发射线圈和接收线圈之间，并且满足N_P＝-α³N_T关系，“-”表示发射线圈和屏蔽线圈绕制方向相反，α为比例系数满足L_PR＝αL_TR，L_TR为发射线圈和接收线圈之间的距离，L_PR为屏蔽线圈和接收线圈之间的距离，N_T为发射线圈的匝数，N_P为屏蔽线圈的匝数。

3.根据权利要求2所述的原油含水率管外测量装置，其特征在于：电磁电导传感器置于被测管道之外，调整屏蔽线圈在发射线圈和接收线圈之间的位置以获得最大的传感器灵敏度，当接收线圈上的有用信号最大时，屏蔽线圈的位置为最佳，屏蔽线圈和接收线圈之间的距离为最优距离。

4.根据权利要求3所述的原油含水率管外测量装置，其特征在于：电磁电导传感器置于被测管道之外，当参数设置如下时：金属管道的内径r₁为0.1m，金属管道的外径r₂为0.104m，金属管道厚度为0.004m，金属管道的相对磁导率μ_r为5000，管内和管外物质的相对磁导率为1，管道内的原油和水分的混合物的电阻率为0.01，管道的电阻率ρ₂为2.00e-5，管道外空气电阻率ρ₃为1.00e+5,传感器的参数为单股铜芯导线的直径为0.001m，绝缘层厚度0.00007m，20℃时其电阻率为0.284Ω/in³，每平方英寸匝数为534匝,铜线的相对磁导率也为1，电阻率为3.00e-8,发射线圈的匝数为20匝，屏蔽线圈的匝数为10匝，接收线圈的匝数为50匝;发射线圈的激励源最佳参数是频率为39Hz，电流为2.108A的大功率低频信号,在上述参数条件下屏蔽线圈和接收线圈之间的最优距离为0.6m。

5.一种利用权利要求2所述的原油含水率管外测量装置所实施的原油含水率管外测量方法，其特征在于：该方法利用三线圈电磁电导传感器在管壁外进行测量，该方法的步骤如下：

将发射线圈、屏蔽线圈以及接收线圈套在被测管道壁的外围；将屏蔽线圈置于发射线圈和接收线圈之间，使屏蔽线圈与发射线圈的绕制方向相反：

设发射线圈T的匝数为N_T,屏蔽线圈P的匝数为N_P，接收线圈R的匝数为N_R，当使用三线圈阵列时，在接收线圈产生的感应电动势为：

V＝V_TR+V_PR

$V_{\mathrm{TR}}=\frac{{\mathrm{fI}}_T{S}_T{N}_T{S}_R{N}_{R}i}{L_{\mathrm{TR}}^3}[1-(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{TR}}]e^{(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{TR}}}$

$V_{\mathrm{PR}}=\frac{{\mathrm{fI}}_T{S}_P{N}_P{S}_R{N}_{R}i}{L_{\mathrm{PR}}^3}[1-(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{PR}}]e^{(i-1)\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}{L}_{\mathrm{PR}}}$

在接收线圈产生的一次直接感应电动势为：

$V_{\mathrm{gr}}=\frac{S_T{N}_T{S}_R{N}_R}{L_{\mathrm{TR}}^3}{\mathrm{fI}}_{T}i+\frac{S_P{N}_P{S}_R{N}_R}{L_{\mathrm{PR}}^3}{\mathrm{fI}}_{T}i$

其中：L_TR为发射线圈与接收线圈的距离；

L_PR为屏蔽线圈与接收线圈的距离；

f为发射信号的频率；

I_T为发射信号的电流强度；

N_T为发射线圈的匝数；

N_R为接收线圈的匝数；

S_T为发射线圈的面积；

S_R为接收线圈的面积；

S_T=S_R=πr²,r为线圈截面积的半径；

σ为含水原油的电导率；

L为发射线圈与接收线圈的距离；

μ为介质的磁导率

接收线圈上的有用信号即二次感应电动势为：

ΔV＝V-V_gr

将该信号通过放大电路、滤波电路、相敏检波电路和A/D转换模块传输至微处理器。

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