CN103558233A - 基于γ射线的石油成分分析系统及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于γ射线的石油成分的分析方法，包括如下步骤：首先，采用一γ射线放射源对石油介质放射γ射线，并通过温度传感器、压力传感器及流量传感器来采集石油介质的温度、压力及流量数据；其次，采用一输入信号调理电路来对所述温度、压力及流量数据进行转换，转换成频率信号；然后，采用模数转换器和数模转换器，将所述频率信号传输至一单片机；最后，由所述单片机结合γ射线放射源的强度，对所述频率信号进行分析计算，并得出石油中气、水成分的含量。与现有技术相比，本发明由于采用了高性能价格比的单片机，克服了同位素法测量原油含水率/含气率仪表投资相对较高的缺点，同时保证了使用的安全可靠性。

Description

基于γ射线的石油成分分析系统及其分析方法

技术领域

 本发明涉及石油生产技术领域，尤其涉及一种基于γ射线的石油成分分析系统。

背景技术

原油含水/含气率是原油生产中的重要技术指标,对油田自动化管理具有重要意义。目前应用于原油含水/含气率测量的仪表从测量原理划分可以分为三类，即电学特性测量原理、密度测量原理和同位素法测量原理。

电学特性测量原理的仪表主要有电容式，微波式，短波法和射频法等，其基本方法是电容式测量。电容式原油含水分析仪的基本原理是基于可以在两相系统即液体---水系统中，用数学手段建立介电常数与含水量影响的确定关系。应用电容测量两相系统含水率(或称湿度)已有近200年的历史，许多学者对两相系统介电常数理论进行了研究，相关计算方法已非常成熟。但是影响两相系统中的介电常数的因素很多，如乳化液的结构、温度、碳烃化合物的组分、矿化水的性质、游离气的存在等，这些因素都直接影响仪表的正确使用和含水率测量准确度。

密度测量的原理是利用原油含水率不同，其密度也不同，当确定了含水原油的密度值后，即可以根据纯油密度和纯水密度计算出原油含水率。但是此种方法测量原油含水率也有一定的适应范围，当原油含水较低时，原油密度与混合液密度相近，密度测量的微小误差会造成含水测量误差增大。同时，测量过程中还会受到很多因素的影响，包括密度计的温度、压力补偿、被测介质的取样、密度计振管内壁结垢问题等，都会对测量结果产生影响。

同位素法是近年来国内外测量原油含水/含气率非常流行的方法，尤其是用γ射线法测量含水/含气率的应用相当广泛，其在多相流测量技术中也得到了广泛的应用。国内许多油田推广了这类原油含水/含气率分析仪。这种测量仪的是根据测量密度的原理也就是原油和水的密度不同时对γ射线吸收率不同，完成原油含气率/含水率的测量。目前常用的同位素测量仪一般配套的二次仪表采用计算机技术，因此这一类仪表投资相对较高，较适用于油田联合站等测量点较集中的场合，而对单一测量点进行检测则很不经济。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于γ射线的石油成分分析系统，其可提供更加稳定、可靠、高性价比的石油成分检测、分析方案。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于γ射线的石油成分的分析方法，包括如下步骤：

首先， 采用一γ射线放射源对石油介质放射γ射线，并通过温度传感器、压力传感器及流量传感器来采集石油介质的温度、压力及流量数据；

其次，采用一输入信号调理电路来对所述温度、压力及流量数据进行转换，转换成频率信号；

然后，采用模数转换器和数模转换器，将所述频率信号传输至一单片机；

最后，由所述单片机结合γ射线放射源的强度，对所述频率信号进行分析计算，并得出石油中气、水成分的含量。

作为本技术方案的进一步改进，所述单片机将分析计算的结果通过一键盘及显示接口芯片实现输出。

一种基于γ射线的石油成分分析系统，包括微控制器、连接所述微控制器的信号检测模块、输入信号调理电路、接口电路模块、以及键盘和显示电路模块；所述微控制器包括一单片机，所述单片机内设有只读存储器和随机存储器；

所述信号检测模块包括γ射线传感器、温度传感器、压力传感器、以及流量传感器，所述γ射线传感器包括γ射线放射源、γ射线探测器、以及测量放大电路；

所述输入信号调理电路连接所述信号检测模块，并对所述传感器的输出信号转变成频率信号；

所述接口电路模块包括并行接口芯片、与单片机连接的键盘及显示接口芯片、以及连接单片机的模数转换器和数模转换器，所述模数转换器对来自所述输入信号调理电路的频率信号进行转换，并将转换后的信号传至所述单片机。 

作为本技术方案的进一步改进，所述单片机与一晶振单元和一译码器连接。

作为本技术方案的进一步改进，所述只读存储器具有64千字节的存储空间，用于存储应用程序；所述随机存储器具有512字节的存储空间。

作为本技术方案的进一步改进，所述信号检测模块还包括温度传感器、压力传感器、以及流量传感器。

与现有技术相比，本发明由于采用了高性能价格比的单片机，克服了同位素法测量原油含水率/含气率仪表投资相对较高的缺点，同时保证了使用的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明基于γ射线的石油成分分析系统的架构图。

图2为本发明利用γ射线检测时石油的示意图。

图3为本发明基于γ射线的石油成分分析系统的应用示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于γ射线的石油成分分析系统，包括基于单片机的微控制器、信号检测模块、输入信号调理电路、接口电路模块、及键盘和显示电路模块。

所述微控制器包括一单片机，其具有丰富的内部资源，可以实现系统的信息处理功能。所述单片机与一晶振单元和一译码器连接。所述单片机内设有存储单元、以及定时器/计数器，所述存储单元包括只读存储器和随机存储器，所述只读存储器具有64KB（千字节）的存储空间（即：ROM），用于存储应用程序；所述随机存储器具有512B（字节）的存储空间（即：RAM），保证了设计功能对数据存储器的需要；另外，所述单片机具有在系统编程ISP (In System Programming) 技术，可实现再编程功能；可根据用户需要，在线修改或增加含水含气率测量系统的功能，并对单片机重新进行编程。所述定时器/计数器实现了本系统的定时和计数功能，满足了定时和计数的需要，由于本系统中需要在一定的时间间隔内对输入的脉冲进行计数。该单片机还具有一个全双工串行口，实现与上位机的通信功能。更重要的是，它的内部功耗管理功能（具有空闲方式和掉电方式，这两种方式可由软件选择），可使系统工作在低功耗方式，从而降低能耗，便于现场使用。

所述信号检测模块包括γ射线传感器、以及常规信号检测单元。所述γ射线传感器包括γ射线放射源、γ射线探测器、以及测量放大电路，用于完成样品中水、气含量的检测。所述常规信号检测单元包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等，用于辅助γ射线传感器进行的石油成分检测。

所述输入信号调理电路主要对经过光电倍增管放大的传感器输出信号进行进一步地放大、整形，使之变成频率信号，输入到单片机进行计数。

所述接口电路模块包括两个并行接口芯片、与单片机连接的键盘及显示接口芯片、以及连接单片机的模数转换器和数模转换器。在本发明最佳实施方式中，所述并行接口芯片为并行I/O扩展芯片8255，用于单片机I/O口的扩展，所述一个并行接口芯片与一时钟芯片和一监控器连接，另一个并行接口芯片连接一打印机及所述译码器，所述时钟芯片为DS1302，所述监控器为25045芯片。所述键盘及显示接口芯片采用可编程键盘/显示接口芯片8279，用于扩展系统的键盘及显示电路，用户可以通过键盘/显示部分完成参数的输入、命令的键入和计算结果的输出显示。所述模数转换器采用MAX1247，其为4通道单端或2通道差动模拟信号输入的A/D转换器；所述数模转换器采用MAX525，其为单通道二进制数据输入、4通道模拟信号输出的D/A转换器，所述模数转换器和数模转换器均为串行接口芯片。

工作时，所述温度传感器、压力传感器、流量传感器将采集的信息经过输入信号调理电路进行调理后，经由模数转换器对数据进行转换，转换成单片机可以读取的数据格式，并将转换后的数据发送至单片机；同时，单片机发出的数据也将有数模转换器进行数据转换后实现输出。另外，所述γ射线传感器作为放射源传感器，其采集到的数据也将经由输入信号调理电路进行调理，然后再传输至单片机。所述单片机根据温度传感器、压力传感器、流量传感器采集到的石油的温度、压力及流量数据后，进行分析计算得出石油中的气、水含量数据，并通过所述译码器对分析计算的结果数据进行编译，然后经由键盘及显示接口芯片，将计算结果数据显示至显示屏上，实现结果输出。

本发明所述分析系统的原理是，当γ射线通过被测介质时，它的强度将被衰减。利用这种原理，可实现用γ射线测量原油的含水率和含气率。当一定能量的γ射线穿过油水气三相混合液时，透射γ射线的强度将随油、水、气所占的体积百分数不同而变化。所以只要精确测量出在一定时间间隔内的γ射线透射计数，通过合理的数学分析处理，就可精确计算出含水率和含气率的值。油、气和水的三相混合物的模型如图2所示。

结合上述原理，将计算方法进行编程，写入单片机内，由单片机根据各个传感器检测到的信息来进行计算分析，从而得出石油中的水、气成分含量，具体的计算方法由诸多计算公式计算而来：    

                    (1)

N0是没有测量介质时的ΔT时间内初始计数；

μ(x)是油水气混合液对射线的线性衰减系数，在射线穿过介质的径迹x方向，每一点上μ(x)都不同；

d是被测介质的有效厚度。

通过对式(1)求积分，可以得到：

N=N0··exp[?(dyμy+dsμs+dqμq)]               (2)

其中，dy、ds、dq分别是混合介质中纯油、纯水、纯气的等效厚度，且有：

dy+ds+dq=d                                                                              (3)　　

μy、μs、μq分别是纯油、纯水、纯气对γ射线的线性衰减系数。

将式(3)代入式(2)中，得到：

N=N0·exp[?(dy·μy+ds·μs+dq·μq)]

=N0·exp[?d(μy·dy/d+μs·ds/d+μq·dq/d)]

=N0·exp[?d(μy·Py+μs·Ps+μq·Pq)]　                                            (4)　　

式(4)中，Py=dy/d，Ps=ds/d，Pq=dq/d，它们分别被定义为相对于混合液总体积的体积含油率、体积含水率、体积含气率。

以上为简要的计算方法，是基于本发明系统的检测原理基础上做出的数理分析，其作为一种计算方法，并非本发明相对于现有技术的改进之处，因此，以上对计算过程仅是简要描述，至于详细的计算过程本发明不再赘述。

在实际应用中，如图2、图3所示，石油管道采用优质钢材料加工而成，探测器采用高性能闪烁γ射线探测器，且探测器与原油介质用高分子材料隔离，并用高强度法兰固定密封。探测器安装在一个密闭的钢质外套内，两端装有防震护套，电源和信号引线通过防爆引线端子引出。发射源采用长半衰期的低能γ射线源，它被密封在具有良好防护措施的源室内，保证测量管道外的射线剂量远远低于国家安全剂量标准，为本底剂量，对环境和工作人员均无任何不良影响。

综上所述，与现有技术中石油成分检测、分析系统相比，本发明的分析系统基于γ射线来对石油成分分析，采用价格低廉的单片机作为系统控制核心，有效的提高了系统的性价比，并更加适用于单一测量点的检测；同时，由于系统软件可针对不同样本使用不同的算法，使得测量结果更加精确、可靠，具有很高的实用价值。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于γ射线的石油成分的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先， 采用一γ射线放射源对石油介质放射γ射线，并通过温度传感器、压力传感器及流量传感器来采集石油介质的温度、压力及流量数据；

其次，采用一输入信号调理电路来对所述温度、压力及流量数据进行转换，转换成频率信号；

然后，采用模数转换器和数模转换器，将所述频率信号传输至一单片机；

最后，由所述单片机结合γ射线放射源的强度，对所述频率信号进行分析计算，并得出石油中气、水成分的含量。

2.根据权利要求1所述的基于γ射线的石油成分的分析方法，其特征在于：所述单片机将分析计算的结果通过一键盘及显示接口芯片实现输出。

3.一种基于γ射线的石油成分分析系统，其特征在于：包括微控制器、连接所述微控制器的信号检测模块、输入信号调理电路、接口电路模块、以及键盘和显示电路模块；

所述微控制器包括一单片机，所述单片机内设有只读存储器和随机存储器；

所述信号检测模块包括γ射线传感器、温度传感器、压力传感器、以及流量传感器，所述γ射线传感器包括γ射线放射源、γ射线探测器、以及测量放大电路；

所述输入信号调理电路连接所述信号检测模块，并对所述传感器的输出信号转变成频率信号；

所述接口电路模块包括并行接口芯片、与单片机连接的键盘及显示接口芯片、以及连接单片机的模数转换器和数模转换器，所述模数转换器对来自所述输入信号调理电路的频率信号进行转换，并将转换后的信号传至所述单片机。

4.根据权利要求3所述的基于γ射线的石油成分分析系统，其特征在于：所述单片机与一晶振单元和一译码器连接。

5.根据权利要求4所述的基于γ射线的石油成分分析系统，其特征在于：所述只读存储器具有64千字节的存储空间，用于存储应用程序；所述随机存储器具有512字节的存储空间。

6.根据权利要求5所述的基于γ射线的石油成分分析系统，其特征在于： 所述信号检测模块还包括温度传感器、压力传感器、以及流量传感器。

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