CN103412009B - 一种测量流体电导率的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流体电导率传感器及测量流体电导率的装置和方法，涉及电缆测井领域。包括：检测不同温度下无流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第一电压值；根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；检测不同温度下有待监测的流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第二电压值；根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系。本发明通过在流体电导率传感器中并联绕阻及配套电路设计，实现传感器温度补偿，从而确保线圈式流体电导率传感器在高温环境下的测量准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电缆测井领域，尤其是涉及一种井下流体电导率传感器及测量流体电导率的方法。
背景技术
电缆地层测试器对地层流体进行抽吸时，需要实时监测流体的电导率，从而判断流体特性，区分地层流体及井筒泥浆。故需要安装可在井下高温环境下工作的流体电导率传感器。
线圈式传感器具有非接触，免维护的特点，适合用于流体电导率检测。该类传感器使用一对互感线圈测量流体电导率。为了提高灵敏度，通常使用高磁导率的铁芯线圈。常温环境下，这种传感器的精度及重复性都很好。然而，铁芯磁导率会随着温度变化发生非线性变化，从而引起信号漂移，影响测量精度；所以线圈式流体电导率传感器一般在室温环境下应用，在高温环境下应用必须采取特殊措施，解决铁芯线圈的灵敏度与温度稳定性这对矛盾。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了确保线圈式流体电导率传感器在高温环境下的测量准确性，提出一种流体电导率传感器及测量流体电导率的装置和方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量流体电导率的方法，应用于流体电导率传感器，所述传感器包括电源、发射线圈、接收线圈、接收电阻和绕阻，所述发射线圈和所述接收线圈为同心设置的2个环形线圈，所述电源为发射线圈提供交流电，所述接收电阻串联在接收线圈上，待监测的流体从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻与导线形成闭合回路，并且所述导线从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻为温漂忽略不计的电阻，所述方法包括：
检测不同温度下无流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第一电压值；
根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
检测不同温度下有待监测的流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第二电压值；
根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系。
进一步地，根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系，包括：
根据f(t)=Vr(t)-Vr0计算发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
其中，Vr0代表室温（25℃）下无流体通过、绕阻接入电路时在接收电阻两端产生的感应电压值，是常数；Vr(t)表示不同温度下无流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；t表示温度；f(t)表示发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系。
进一步地，根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系，包括：
根据Vf(t)=V(t)-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻没有接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr=Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数；
或者，
根据Vf(t)=V’(t)-Vr0-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V’(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr=Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种流体电导率传感器，包括电源、发射线圈、接收线圈、接收电阻和绕阻，所述发射线圈和所述接收线圈为同心设置的2个环形线圈，所述电源为发射线圈提供交流电，所述接收电阻串联在接收线圈上，待监测的流体从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻与导线形成闭合回路，并且所述导线从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻为温漂忽略不计的电阻。
进一步地，所述绕阻为精度为0.1%的金属膜电阻。
进一步地，所述传感器包括开关，所述开关串联在所述绕阻所在的支路。
进一步地，所述电源为20V、20kHz～40khz的交流电源。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种测量流体电导率的装置，包括上述传感器、电压检测模块、控制器和温度校正计算模块，
所述电压检测模块，用于检测不同温度下无流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第一电压值；检测不同温度下有待监测的流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第二电压值；
所述控制器，用于控制所述绕阻接入电路和移出电路；
所述温度校正计算模块，用于根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系。
进一步地，所述装置还包括滤波放大电路，所述滤波放大电路，用于对电压检测模块获得的电压信号进行放大和/或滤波。
进一步地，所述温度校正计算模块根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系，为：
根据f(t)=Vr(t)-Vr0计算发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
其中，Vr0代表室温（25℃）下无流体通过、绕阻接入电路时在接收电阻两端产生的感应电压值，是常数；Vr(t)表示不同温度下无流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；t表示温度；f(t)表示发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系。
进一步地，所述温度校正计算模块根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系，为：
根据Vf(t)=V(t)-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻没有接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr=Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数；
或者，
根据Vf(t)=V’(t)-Vr0-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V’(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr=Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数。
与现有技术相比，本发明通过在流体电导率传感器中并联绕阻及配套电路设计，实现传感器温度补偿，从而确保线圈式流体电导率传感器在高温环境下的测量准确性。
本发明在流体电导率传感器的激励线圈及接收线圈系中引入新绕组，通过该绕组实时反馈线圈的温度特性，并通过配套电路消除线圈的温度漂移，确保高温测量电导率的准确性。
本发明的主要优点是：首先测量方法有温度补偿，保证了传感器高温环境测量准确性。其次，从方法原理上可摆脱对线圈铁芯温度特性的依赖，线圈铁芯选择范围宽，降低传感器制作成本。
附图说明
图1为本发明实施例的流体电导率传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的消除流体电导率传感器温漂的装置的结构框图。
图3为本发明实施例的消除流体电导率传感器温漂的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例的流体电导率传感器包括电源、发射线圈、接收线圈、接收电阻和绕阻，所述发射线圈和所述接收线圈为同心设置的2个环形线圈，所述电源为发射线圈提供交流电，所述接收电阻串联在接收线圈上，待监测的流体从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，在所述发射线圈和所述接收线圈之间形成流体通道，所述绕阻与导线形成闭合回路，并且所述导线从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻为温漂忽略不计的电阻。
本发明实施例的流体电导率传感器的发射线圈及接收线圈中引入绕阻在使得所述绕阻并联在所述流体通道的两端，通过该绕阻实时反馈发射线圈的温度特性，并通过消除发射线圈的温度漂移，确保高温测量流体电导率的准确性。
本发明的主要优点是：采用温度补偿，保证了所述传感器高温环境测量准确性。可以摆脱对线圈铁芯温度特性的依赖，线圈铁芯选择范围宽，降低传感器制作成本。
其中绕阻优选精度为0.1%的金属膜电阻。发射线圈和接收线圈优选带有铁芯的线圈。电源优选20V、20kHz～40khz的交流电源。
所述传感器包括开关，所述开关串联在所述绕阻所在的支路，使得所述绕阻实现接入电路和移出电路。
如图2所示，利用前述的流体电导率传感器的消除流体电导率传感器温漂的装置，包括所述传感器、电压检测模块、控制器和温度校正计算模块，
所述电压检测模块，用于检测不同温度下无流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第一电压值；检测不同温度下有待监测的流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第二电压值；
所述控制器，用于控制所述绕阻接入电路和移出电路；
所述温度校正计算模块，用于根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系。
所述装置还包括滤波放大电路，所述滤波放大电路，用于对电压检测模块获得的电压信号进行放大和/或滤波。
所述传感器的工作原理为：激励电流在发射线圈产生电磁场，通过流体通道耦合到接收线圈，接收信号强度与流体电导率成正比。在接收线圈与发射线圈之间接入一个绕阻Rc，相当于和流体通道并联，该绕阻也可将发射线圈产生的电磁场耦合到接收线圈，在接收线圈产生一个固定的信号。
通过以下公式可计算流体电导率：
Cf/Cr=Vf(t)/Vr0
上式中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻Rc的电导率数值，是常数；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；Vr0代表室温（25℃）下无流体通过、绕阻接入电路时在接收电阻两端产生的感应电压值，是个常数。
当温度上升时，无流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值Vr(t)将发生变化，由于绕阻Rc是温漂可以忽略不计的高精度电阻，故导致Vr(t)增大的因素可以单纯归结于发射线圈的磁导率变化，通过测量在不同温度环境下的Vr(t)数值（该数值在不同温度下具有可重复性），就可以反演得到发射线圈在接收电阻两端的电压与温度的变化关系，
即：Vr(t)=Vr0+f(t)
上式中，Vr0代表室温（25℃）下无流体通过、绕阻接入电路时在接收电阻两端产生的感应电压值，是常数；Vr(t)表示不同温度下无流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；t表示温度，f(t)表示发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系。
当温度上升时，有待监测的流体通过、绕阻没有接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值V(t)或者有待监测的流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值V’(t)也将发生变化，导致上述参数变化的因素可以分成两部分，一部分是由于流体电导率值Cf本身会随温度变化，另一部分是由于发射线圈的磁导率变化，故：
V(t)=Vf(t)+f(t)
V’(t)=Vf(t)+Vr0+f(t)
Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
以上公式中，V(t)、V’(t)、Vr(t)通过相应电路直接测量，f(t)、Vf(t)及Cf通过计算得到。
通过模拟开关周期性切换电阻Rc通道，由于信号幅度不同，流体产生的信号Vf(t)及绕阻产生的信号Vr0都需要经过放大，以得到最大的动态范围。
信号经过放大后，再进行整流滤波，将交流信号幅度转换直流电平。然后送给经过计算处理，将电阻响应及温度效应消除后，得到真实的流体电导率值Cf。
如图3所示，利用前述的流体电导率传感器的消除流体电导率传感器温漂的方法，包括：
检测不同温度下无流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第一电压值；
根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
检测不同温度下有待监测的流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第二电压值；
根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系。
根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系，包括：
根据f(t)=Vr(t)-Vr0计算发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
其中，Vr0代表室温（25℃）下无流体通过、绕阻接入电路时在接收电阻两端产生的感应电压值，是常数；Vr(t)表示不同温度下无流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；t表示温度；f(t)表示发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系。
根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系，包括：
根据Vf(t)=V(t)-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻没有接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr=Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数；
或者，
根据Vf(t)=V’(t)-Vr0-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V’(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr=Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数。
实施例
一般电缆地层测试监测流体的温度范围是25℃～150℃，所述绕组阻值选择范围在100～1K欧姆之间，绕组发射线圈电源部分是正弦激励电压，幅度20v，频率20kHz～40khz；优选20V、20kHz的交流电源。
本实施例中，可以选择25℃～150℃之间，温度间隔25℃为一个采样点，选择6个样本点，假设发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系可以表示为关系式：f(t)=At3+Bt2+Ct+D；上式中系数A、B、C、D通过测量6个样品温度点下的f(t)值反演得到。
为了更精确地反演得到发射线圈在接收电阻两端的电压与温度的变化关系，可以减小采样点的间隔，增加样本数量，相应的表达式利用更多参数调制或者更高次幂函数。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种测量流体电导率的方法，其特征在于，应用于流体电导率传感器，所述传感器包括电源、发射线圈、接收线圈、接收电阻和绕阻，所述发射线圈和所述接收线圈为同心设置的2个环形线圈，所述电源为发射线圈提供交流电，所述接收电阻串联在接收线圈上，待监测的流体从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻与导线形成闭合回路，并且所述导线从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻为温漂忽略不计的电阻，所述方法包括：
检测不同温度下无流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第一电压值；
根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
检测不同温度下有待监测的流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第二电压值；
根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系，包括：
根据f(t)＝Vr(t)-Vr0计算发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
其中，Vr0代表室温25℃下无流体通过、绕阻接入电路时在接收电阻两端产生的感应电压值，是常数；Vr(t)表示不同温度下无流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；t表示温度；f(t)表示发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系，包括：
根据Vf(t)＝V(t)-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻没有接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr＝Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数；
或者，
根据Vf(t)＝V’(t)-Vr0-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V’(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr＝Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数。
4.一种测量流体电导率的装置，其特征在于，所述装置包括流体电导率传感器、电压检测模块、控制器和温度校正计算模块，
所述传感器包括电源、发射线圈、接收线圈、接收电阻和绕阻，所述发射线圈和所述接收线圈为同心设置的2个环形线圈，所述电源为发射线圈提供交流电，所述接收电阻串联在接收线圈上，待监测的流体从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻与导线形成闭合回路，并且所述导线从所述发射线圈和所述接收线圈的中间通过，所述绕阻为温漂忽略不计的电阻；
所述电压检测模块，用于检测不同温度下无流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第一电压值；检测不同温度下有待监测的流体通过时的接收电阻两端的电压值，获得多组第二电压值；
所述控制器，用于控制所述绕阻接入电路和移出电路；
所述温度校正计算模块，用于根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括滤波放大电路，所述滤波放大电路，用于对电压检测模块获得的电压信号进行放大和/或滤波。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度校正计算模块根据所述多组第一电压值与温度的变化关系，反演出发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系，为：
根据f(t)＝Vr(t)-Vr0计算发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
其中，Vr0代表室温25℃下无流体通过、绕阻接入电路时在接收电阻两端产生的感应电压值，是常数；Vr(t)表示不同温度下无流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；t表示温度；f(t)表示发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度校正计算模块根据所述发射线圈在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系和所述多组第二电压值，计算获得流体电导率随温度变化的关系，为：
根据Vf(t)＝V(t)-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻没有接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr＝Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数；
或者，
根据Vf(t)＝V’(t)-Vr0-f(t)计算流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
V’(t)表示不同温度下有待监测的流体通过、绕阻接入电路时的接收电阻两端产生的感应电压值，是测量获得的；Vf(t)表示流体通道在接收电阻两端产生的感应电压随温度变化的关系；
再根据Cf/Cr＝Vf(t)/Vr0计算获得流体通道的电导率，
其中，Cf表示流体通道的电导率，Cr表示绕阻的电导率数值，是常数。
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