CN104729627B - 油水界面测量传感器 - Google Patents

Abstract

油水界面测量传感器，包括间隔布置的信号发射模块和信号接收模块；信号发射模块包括传感器外壳、集成电路板、极化天线和信号产生电路、同轴电缆连接器，极化天线与信号产生电路相连，同轴电缆连接器与信号产生电路相连，以向信号产生电路供电；信号接收模块包括传感器外壳、集成电路板、极化天线和信号接收电路、同轴电缆连接器，极化天线与信号接收电路相连，同轴电缆连接器与信号接收电路相连，以向信号接收电路供电和传输数据；信号发射模块的极化天线与信号接收模块的极化天线平行且极化方向相同，信号接收模块接收信号发射模块发射的信号。本发明的接收模块接收发射模块发射的电磁波，避免了信号绕射、多径传输带来的影响，测量结果更准确。

Description

油水界面测量传感器

技术领域

本发明属于自动测量技术领域，特别涉及一种利用电磁法测量油水界面的油水界面测量传感器，主要应用于原油储油罐中油水界面的测量。

背景技术

在原油开采的过程中，大量的水、气体和泥沙会伴随着原油一起被提取出来，经过高温储油罐(80℃)长时间沉降，气体从油水混合物中挥发，由于密度不同，原油与水在重力作用下形成分层。为了有效提高油水分离罐的效率，对原油当中油和水的分界面进行准确的测量，以将不含油的水及时排出在原油生产过程中尤为重要。当前油水分界面的测量主要分为接触式测量和非接触式测量。

接触式测量主要采用浮子式液位测量器、电容式液位测量仪、差压式液位测量仪等。其中，浮子式液位测量器是将浮子漂浮在测量的液体上面，将液位变化转换为相应的电信号；但是测量过程中浮子易受液体波动、石油粘结物的影响，机械本身可动部件的影响也会给测量带来问题，导致偏差较大。电容式液位测量仪将电容器浸入油罐中，测量电容器的电容值来判断分界面的位置；由于影响电容的周围因素较多，这种方法不易准确测量油水界面间的乳化层。压差式液位测量仪是将压差变送器浸入油罐中，通过仪表测量液面的压力差，根据液体密度的改变会导致检测到的压力差变化，从而测得液位；但是由于罐底引压管线常被沉淀物、粘稠介质堵塞，影响压力传递，特别是在寒冷季节堵塞更加严重，必须定期排污，使得维护量大。

非接触式测量主要采用超声波液位测量仪、微波液位测量仪等。超声波液位测量仪是根据脉冲液面产生回波方式工作，利用接收的反射波信号得到离被测物体表面的距离，只能应用于油面高度测量。微波液位测量仪有两种方式，一种为雷达式液位测量，另一种是通过微波发生与接收装置，计算微波信号透射系数、反射系数等参数判断油水界面；其优势在于受介质密度、压力、环境温度以及湿度等一些因素的作用较小。

专利申请号为201010550526中国发明专利申请公开了一种原油储罐油水界面测量装置，该装置利用单片机控制微波发射阵列产生微波信号，信号在油层、水层、空气层等不同介质内传播，经储油罐反射后由接收单元接收，通过比较接收信号幅度的强弱来判定发射单元所处位置并计算出油水分界面。这种装置需要建立矩阵发射单元，使得装置结构复杂，给装置的稳定性与可靠性带来极大的挑战，使得后期维护也变得更加困难。而且构成矩阵发射单元的成本较高，在经济效益上并不十分理想。

授权公告号CN 2246795Y中国实用新型专利公开了一种大罐油水界面测量装置，该测量装置利用线圈辐射高频电磁信号，并由置于同一金属罐体的接收线圈接收，由微安表显示接收信号的大小。此发明是利用电磁方法，但是当发射线圈或接收线圈与油、水等介质直接接触后，其特性会发生极大改变，这对高频信号的辐射与接收是极其不利的，会给测量结果带来误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量精度高、结构简单，而且能够避免微波信号传输对接收造成影响的油水界面测量传感器。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

油水界面测量传感器，包括间隔布置的一个信号发射模块和一个信号接收模块；所述信号发射模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的极化天线和信号产生电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，所述极化天线与所述信号产生电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号产生电路相连，以向所述信号产生电路供电；所述信号接收模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的极化天线和信号接收电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，所述极化天线与所述信号接收电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号接收电路相连，以向所述信号接收电路供电和传输数据；所述信号发射模块的极化天线与所述信号接收模块的极化天线平行且极化方向相同，所述信号接收模块接收所述信号发射模块发射的信号。

本发明更进一步的技术方案为：所述极化天线的频带带宽为2GHz～3GHz。

本发明更进一步的技术方案为：所述极化天线为微带天线。

本发明更进一步的技术方案为：所述极化天线包括辐射片、微带馈线和接地片，所述辐射片与所述微带馈线相连并设置于所述集成电路板的上表面上，所述接地片设置于集成电路板的下表面上，所述信号产生电路及信号接收电路分别与所述微带馈线相连，所述接地片接地。

本发明更进一步的技术方案为：所述辐射片为矩形，所述接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。

本发明更进一步的技术方案为：所述辐射片、微带馈线及接地片为0.1～0.2毫米厚的铜片。

本发明更进一步的技术方案为：所述传感器外壳由塑料外壳和金属屏蔽壳组成，所述极化天线位于所述塑料外壳内，所述信号产生电路和信号接收电路位于所述金属屏蔽壳内。

本发明更进一步的技术方案为：所述信号产生电路包括压控振荡器、电压调节电路、开关控制电路、匹配网络电路和发射模块电源电路，所述发射模块电源电路为所述压控振荡器、电压调节电路及开关控制电路供电，所述压控振荡器分别与所述电压调节电路、开关控制电路及匹配网络相连，所述匹配网络电路与极化天线相连。

本发明更进一步的技术方案为：所述信号接收电路包括匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路及接收模块电源电路，所述接收模块电源电路为所述检波器、放大电路、输出保护电路供电，所述匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路依次相连，所述匹配滤波网络与极化天线相连。

本发明更进一步的技术方案为：所述信号发射模块的极化天线与信号接收模块的极化天线之间的距离为15厘米。

由以上技术方案可知，本发明的传感器由间隔布置的发射模块与接收模块构成，测量时将信号发射模块和信号接收模块置于原油罐中，信号接收模块直接接收来自发射模块的信号，信号功率设定为小信号模式，减小了电磁信号的绕射、油气界面的反射对测量带来的影响，提高测量精度；同时本发明采用极化天线作为信号发射模块和信号接收模块的天线，天线辐射的电磁信号方向单一，进一步减小电磁信号绕射对测量精度带来的影响。

更进一步的，本发明的信号发射模块和信号接收模块将极化天线和信号产生电路、极化天线和信号接收电路分别集成到一片集成电路板上并置于传感器外壳中，能够避免油罐中原油、水、气体对天线和电路的腐蚀，传感器外壳的塑料部分利于信号传播，金属部分可以屏蔽电路辐射信号信号与外界信号干扰，天线接收到的信号经匹配滤波网络后，大量噪声被去除，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例信号发射模块的示意图；

图2为图1的俯视图；

图3a为极化天线的结构示意图；

图3b为图3a的后视图；

图4为信号发射模块的信号产生电路的电路框图；

图5为本发明实施例信号接收模块的示意图；

图6为信号接收模块的信号接收电路的电路框图；

图7a为本发明实施例天线x-y轴平面的辐射方向图；

图7b为本发明实施例天线x-z轴平面的辐射方向图；

图7c为本发明实施例天线y-z轴平面的辐射方向图；

图8为不同频率电磁波衰耗测量实验的示意图；

图9a至9k为测量实验中天线在不同频率下的电磁波衰耗曲线图；

图10为采用本发明实施例传感器测量接收信号幅值的示意图；

图11为本发明传感器应用于油罐的油水界面测量时的示意图；

图12为测量时传感器的安装示意图；

图13测量时传感器极化天线的位置示意图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

电磁波在不同介质中传播时，由于介质的介电常数不同，电磁波的衰减不同，电磁波的衰减量与介质的介电常数成正比。原油的介电常数为2.3左右，而水的介电常数高达80，两者的介电常数相差很大，因此当电磁波穿过不同介质(油、水)时其衰减量变化显著，本发明利用传感器接收信号强弱的变化判断电磁波穿过何种介质，进而判断出油水界面。

经发明人研究发现并经过实际测量验证，不同频率的电磁波信号在油、水中的衰减是不同的，有些频率段的电磁波基本无法区分出油水界面，仅有特定频率段的电磁波适合于油水分界面的测量，现有技术中没有对油水介质中电磁波不同频率的衰耗特性进行分析，如果选择了不合适的频段进行测量，测量结果必将受到影响。

本发明在传感器设计中重点考虑了测量频段、天线极化特性、油水介质对天线性能的影响、传感器外壳材料特性等因素，在详细研究100MHz～10GHz的电磁波信号对油水介质传输特性的基础上，优选了对油水介质敏感的特殊频段2GHz～3GHz天线频段，设计了本发明的油水界面测量传感器。

本发明的油水界面测量传感器包括间隔放置的信号发射模块A和信号接收模块B(图12)，信号发射模块和信号接收模块均通过同轴线缆与外部的示波器相连，由示波器根据传感器接收到的信号进行测量及后续计算。

如图1和图2所示，信号发射模块包括塑料外壳1、金属屏蔽壳2、集成电路板3、同轴电缆连接器4以及设置于集成电路板上的用于发射信号的极化天线和信号产生电路。塑料外壳1和金属屏蔽壳2组成容纳天线和集成电路板的传感器外壳，该传感器外壳一方面可以保护集成电路板上的极化天线不与油水接触，避免产生腐蚀影响天线性能，另一方面可以屏蔽干扰。本实施例的塑料外壳1与金属屏蔽壳2之间采用螺纹连接，传感器外壳为圆柱形，塑料外壳1由圆形的底板1a和圆筒形的侧壁1b构成，极化天线位于塑料外壳1内，塑料外壳用于容纳天线可以便于信号的接收，优选采用耐候型聚酰胺纤维外壳。金属屏蔽壳2由圆形的屏蔽壳底板2a、圆筒形的屏蔽壳侧壁2b及开设有安装孔(未图示)的隔板2c组成。集成电路板3穿过隔板2c上的安装孔，一部分(设置天线的部分)位于塑料外壳1内、一部分(设置电路的部分)位于金属屏蔽壳2内。为了便于固定集成电路板3，在屏蔽壳底板2a和隔板2c上均有突出于各自表面的安装凸起2d，集成电路板3固定于安装凸起2d上。集成电路板3的设置信号产生电路的部分位于金属屏蔽壳2内，金属屏蔽壳2可以为电路屏蔽干扰。

集成电路板3上印刷极化天线，同时结合图3a和图3b，本实施例的极化天线为微带天线，包括矩形的辐射片3-1、微带馈线3-2和接地片3-4，微带天线(辐射片)的馈电点为微带馈线的顶端，微带馈线与信号产生电路相连，接地片与信号产生电路的接地端相连接地，接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。辐射片3-1与微带馈线3-2相连并设置于集成电路板3的上表面上，接地片3-4设置于集成电路板3的下表面上，接地片位于极化天线底部。本实施例的辐射片3-1、微带馈线3-2及接地片3-4均涂敷在聚四氟乙烯介质基板(集成电路板)上，该聚四氟乙烯介质基板的介电常数为2.55。辐射片3-1、微带馈线3-2及接地片3-4为0.1到0.2毫米厚的铜片。辐射片3-1的长为32毫米，宽为10毫米。微带馈线3-2的长为15毫米，宽为1毫米。接地片3-4的长为20毫米，宽为9毫米。

参照图4，图4为信号产生电路的电路框图。本实施例的信号产生电路产生的信号为特高频分米波调制信号。信号产生电路3-3包括压控振荡器(VCO)3-3a、电压调节电路3-3b、开关控制电路3-3c、匹配网络电路3-3d和发射模块电源电路3-3e。发射模块电源电路3-3e为压控振荡器(VCO)3-3a、电压调节电路3-3b及开关控制电路3-3c供电，匹配网络电路3-3d为无源电路，其与极化天线相连。压控振荡器3-3a分别与电压调节电路3-3b、开关控制电路3-3c及匹配网络3-3d相连。电压调节电路3-3b用于产生不同的电压使得压控振荡器3-3a产生不同频率的信号。开关控制电路3-3c用于控制压控振荡器3-3a产生幅度调制信号，本实施例的开关控制电路为2KHz调制开关控制电路。匹配网络电路3-3d用于将压控振荡器3-3a产生的信号与极化天线进行匹配，便于信号通过极化天线向外传播。压控振荡器产生的信号经匹配网络电路后经微带馈线输出至辐射片。本例中的压控振荡器采用特高频分米波信号产生芯片。

参照图5，图5为信号接收模块的结构示意图，信号接收模块包括塑料外壳1、金属屏蔽壳2、集成电路板3及同轴电缆连接器，集成电路板上设置用于接收信号的极化天线和信号接收电路3-5，信号接收电路3-5的接地端与极化天线的接地片相连接地。信号发射模块只有一个同轴电缆连接器4用以供电，信号接收模块有两个同轴电缆连接器4-1、4-2，分别用来供电和传输数据。信号发射模块的极化天线和信号接收模块的极化天线具有相同的极化方向，两个天线的结构相同。

如图6所示，信号接收模块的信号接收电路3-5包括匹配滤波电路3-5a、检波器3-5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d及接收模块电源电路3-5e。接收模块电源电路3-5e为检波器3-5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d供电，匹配滤波电路3-5a、检波器3-5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d依次相连，匹配滤波网络3-5a用于匹配天线与检波器的阻抗，并滤除不必要的干扰信号，提高测量精度。检波器3-5b用于检测天线接收信号的包络，完成接收信号的解调功能。放大电路3-5c用于放大检波后输出信号，输出保护电路3-5d用于防护输出信号失常对后端接收设备造成的影响。信号发射模块发出的信号由信号接收模块的天线接收后经微带馈线传至信号接收电路，信号由匹配滤波电路匹配后，经检波解调、放大后输出。

本实施例信号发射模块产生的信号为调制频率2KHz的特高频分米波段调制信号,信号接收模块接收信号发射模块发射的调制频率为2KHz的特高频分米波段调制信号，并进行解调，同时在后续的测量装置中采用2KHz窄带滤波器进行信号提纯，可以减小同频电磁信号的干扰，提高了测量精度。调制信号的频率还可以选用其它频率，如4KHz、8KHz等。

图7a、图7b、图7c为本实施例极化天线的HFSS仿真辐射方向图，沿微带传输线的方向为x轴方向。从辐射方向图可以看出，本实施例的极化天线辐射有很好的方向性，可以减少由于绕射对测量精度的影响。

图8为在实验室条件下利用矢量网络分析仪对0.1GHZ-10GHz电磁波衰耗进行测量实验的示意图。测量实验中采用了工作频率分别为0.1GHz-1.2GHz、1GHz-3GHz、3GHz-7GHz、7GHz-11GHz的四种天线进行测量。将油水混合物装在尺寸为258mm×175mm×300mm的透明塑料桶内，原油层的高度约为140mm，水层的高度约为140mm，将天线置于塑料桶的两侧外表面，矢量网络分析仪Q分别与天线a、b相连，在室温25℃条件下，天线沿桶壁从下向上移动，进行测量。利用网络分析仪从100MHz到10GHz，每隔50MHz选取一个频率点，测量在不同频率下不同高度处原油、水、油水混合物不同介质对电磁波的衰耗。图9a至图9k中选取了不同频段电磁波衰耗的代表曲线，选取的频段分别为0.1GHz、1GHz、2GHz、3GHz、4GHz、5GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz、10GHz。从图中传输系数S21曲线可以看出，在2GHz到3GHz频段不同高度处(即介质不同)，电磁波的衰耗有显著区别：高度高处衰耗小，介质为原油部分，高度低处衰耗大，介质为水层。根据以上所测得的数据进行比对分析，为了准确的测量油水界面，极化天线的频带带宽优选为2GHz～3GHz。

图10为实验室条件下采用本实施例的传感器测得不同高度位置处接收信号幅值的示意图。固定信号发射模块A和信号接收模块B，两个模块间的距离为15厘米，采用同轴线馈电、传输信号。在258mm×175mm×300mm的塑料桶内加入140mm的水，并加入140mm的原油。由于密度不同，原油与水自然分层并在分层界面上形成乳化层。信号发射模块和信号接收模块分别与后续的测量装置相连，如示波器，在室温25℃的条件下，将信号发射模块和信号接收模块放置于油水混合物中，测量不同位置处接收信号幅值大小，测量高度位置分别选取原油层(高度为20cm)、油水混合层(高度为14cm)、水层(高度为5cm)进行测量，得到的实验数据如下：

表1不同频率处接收信号的峰-峰值(单位：V)

表1为利用本实施例的传感器对油、水及混合分层界面处测量得到的数据列表。由表1可以看出，信号频率2.2GHz到2.6GHz之间，通过不同介质衰减损耗差异较大，可以有效地测量出油水界面的位置，也验证了选择频带带宽为2GHz～3GHz的极化天线有利于测量，提高测量分辨能力。

本发明的传感器用于测量油水界面时，发射信号的极化天线和接收信号的极化天线的天线结构相同，天线的极化特性相同，测量时将信号发射模块的发射天线和信号接收模块的接收天线平行间隔放置，使两个模块的天线的极化方向相同，保证接收到良好的辐射信号，以避免因天线极化方向不同引起的不必要的衰耗。测量时，信号发射模块的信号产生电路产生特定调制频率(如2KHz)的特高频分米波调制信号，信号经信号发射模块的极化天线辐射出去，信号经介质衰减后由信号接收模块接收，信号接收模块的检波器将接收到的信号后检波解调得到对应频率(如2KHz)的方波，方波信号既能观察到接收模块的底噪，也能观察信号的衰减大小，同时可通过信号的特征选频滤波，有效滤除同频和其它干扰信号。

如图11至图13所示，为本发明的测量传感器应用于油罐油水界面测量的一种具体实施方式。将前述实施例的信号发射模块和信号接收模块间隔放置于安装盒10内，该安装盒为金属耐腐蚀封闭盒体。安装盒10内设置有用于供电和数据传输的接口101，用于连接同轴线缆，为信号发射/接收模块供电及数据传输。传感器壳体的内置极化天线的部分(即塑料外壳1)露出于安装盒10外，使得传感器的天线可以发送和接收信号。测量时，由高度控制机构控制安装盒10在油罐11内沿油罐高度方向上下移动。本实施例的高度控制机构包括移动驱动单元12、配重块13、引绳14、导索15。配重块13连接于导索15的底部、位于安装盒10下方，导索15穿过安装盒10上的导引孔a与配重块13相连，导索15在配重块13作用下保持竖直，从而保证安装盒的直线运动。引绳位于安装盒10上方、与安装盒10相连，引绳14绕过安装在油罐11顶部的导轮与移动驱动单元12相连，移动驱动单元12采用电机，移动驱动单元12工作时，通过引绳14牵引安装盒10沿导索15上下移动，同时计量装置计量安装盒下降的距离。导索也可以采用导轨替换，或者在安装盒上安装齿轮或螺纹套，采用齿轮与齿杆或螺纹套与丝杆的配合控制安装盒移动。当安装盒10在油罐11中移动的过程中，信号发射模块的极化天线不断发射信号，信号接收模块的极化天线接收信号并将信号传送给外部的示波器，示波器记录在不同位置处接收信号的幅值大小，根据信号幅度的大小与安装盒下降的距离来判断油水分界面的位置。

本发明传感器的信号发射模块与信号接收模块测量时均置于油罐中，信号接收模块直接接收来自信号发射模块的信号，同时信号发射模块和信号接收模块的天线用极化方向相同的极化天线，天线辐射的电磁信号方向单一，信号发射模块的天线发射的电磁波具有很好的方向性，信号接收模块的天线只能接收特定方向的信号，在特定方向上有很高的功率，提高了信号的穿透能力，从而减小电磁信号的反射、油气界面的绕射、多径传输对测量精度带来的影响。

当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，实施例中传感器壳体为圆筒形，可以减少挂油，但也可以采用方形、棱柱形等其他形状；此外，为了方便天线、集成电路板的安装，实施例中传感器外壳为上下分离的壳体，但也可以采用一体式结构，分离式的塑料外壳与金属屏蔽壳之间还可以采用卡扣、粘贴等方式连接；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明技术方案所述的范围之内。

Claims (7)

1.油水界面测量传感器，其特征在于：包括间隔布置的一个信号发射模块和一个信号接收模块；

所述信号发射模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的极化天线和信号产生电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，所述极化天线与所述信号产生电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号产生电路相连，以向所述信号产生电路供电；

所述信号接收模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的极化天线和信号接收电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，所述极化天线与所述信号接收电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号接收电路相连，以向所述信号接收电路供电和向外传输数据；

所述信号发射模块的极化天线与所述信号接收模块的极化天线平行且极化方向相同，所述极化天线是频带带宽为2GHz～3GHz的微带天线，所述信号接收模块接收所述信号发射模块发射的信号；

所述信号发射模块和信号接收模块设置于安装盒内，所述安装盒为金属耐腐蚀封闭盒体，安装盒内设置有用于供电和数据传输的接口；

所述传感器外壳由塑料外壳和金属屏蔽壳组成，所述极化天线位于塑料外壳内，所述信号产生电路和信号接收电路分别位于金属屏蔽壳内，所述塑料外壳露出于所述安装盒外；

所述安装盒在高度控制机构的控制下可沿竖直方向上下移动，安装盒移动过程中信号发射模块的极化天线发射信号，信号接收模块的极化天线接收信号并传送给测量装置，根据接收信号的幅度大小和安装盒的下降距离判断油水分界面的位置。

2.根据权利要求1所述的油水界面测量传感器，其特征在于：所述极化天线包括辐射片、微带馈线和接地片，所述辐射片与所述微带馈线相连并设置于所述集成电路板的上表面上，所述接地片设置于集成电路板的下表面上，所述信号产生电路及信号接收电路分别与所述微带馈线相连，所述接地片接地。

3.根据权利要求2所述的油水界面测量传感器，其特征在于：所述辐射片为矩形，所述接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。

4.根据权利要求2所述的油水界面测量传感器，其特征在于：所述辐射片、微带馈线及接地片为0.1～0.2毫米厚的铜片。

5.根据权利要求1所述的油水界面测量传感器，其特征在于：所述信号产生电路包括压控振荡器、电压调节电路、开关控制电路、匹配网络电路和发射模块电源电路，所述发射模块电源电路为所述压控振荡器、电压调节电路及开关控制电路供电，所述压控振荡器分别与所述电压调节电路、开关控制电路及匹配网络相连，所述匹配网络电路与极化天线相连。

6.根据权利要求1所述的油水界面测量传感器，其特征在于：所述信号接收电路包括匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路及接收模块电源电路，所述接收模块电源电路为所述检波器、放大电路、输出保护电路供电，所述匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路依次相连，所述匹配滤波网络与极化天线相连。

7.根据权利要求1所述的油水界面测量传感器，其特征在于：所述信号发射模块的极化天线与信号接收模块的极化天线之间的距离为15厘米。