CN106153130A - 一种耐压两用的电学成像传感系统及其数据采集成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐压两用的电学成像传感系统及其数据采集成像方法，其中，耐压两用的电学成像传感系统包括传感器座、阵列电极、连接头及其控制系统，所述传感器座包括管口及管壁，所述阵列电极内设于所述管壁内壁上，所述阵列电极包括多个电极片，通过同一所述电极片于所述管壁内侧用于电容场和电导场的数据采集和激励，所述阵列电极通过连接头与控制系统电连接，所述控制系统通过所述阵列电极采集电导成像和电容成像数据，本发明统一了ERT电极和ECT电极，使得检测结果线性度更高，同时可避免因气泡而导致的ERT测量断路问题。

Description

一种耐压两用的电学成像传感系统及其数据采集成像方法

技术领域

本发明涉及电学成像技术领域，特别是涉及一种耐压两用的电学成像传感系统及其数据采集成像方法。

背景技术

油-气-水多相流是油气工业中常见的流动介质，其主要包含液态烃、天然气以及矿化水。油-气-水三相流量的在线实时准确计量一直是油气工业中的重要环节，其对油气藏的勘探与储量监测均具有重要意义。我国海上油气工业中，长期使用传统的集气站对凝析天然气进行分离，再采用单相流量仪表对分离后的介质进行计量。这一做法虽可保证一定计量精度，但其弊端也十分明显。分离计量站的建设不仅费用昂贵，更重要的是一个开采区块一般仅能搭建一个分离计量站，该区块中的众多天然气井的产量只能定期轮流进行计量，进而无法满足石油公司对每一口井的产量信息进行实时监测的需求。因此，国内外研究者一直希望研发一种能够在非分离条件下对油-气-水三相流量进行准确计量的工业技术。

电学成像(Electrical Tomography)是多相流测量的重要方法。其依赖布置于被测场域边界的阵列电极获取一系列的电容、电导测量值，并利用电容、电导测量值与被测场域内等效点电常数或电导率分布之间的关系进行图像的重建，得到被测场域内介质的分布图像。目前，多数的传感器设计将电容成像传感器(electrical capacitance tomography,ECT)以及电阻成像传感器(electrical resistance tomography,ERT)分开设计，ECT传感器电极一般设计为紧贴在绝缘管壁外壁的非接触式长条形电极，ERT传感器电极一般设计为贴于绝缘管壁内壁，且接触流体的点状电极，传统的电学成像没有将ECT传感器和ERT传感器同一起来，不能通过一套电极采集ERT数据和ECT数据。

并且，传统的ERT系统，由于电极尺寸较小，导致在电极片附近，测量较为敏感:电极的相对区域，灵敏度急剧下降，致使测量的信噪比较差，影响了测量的精度，增加了测量的难度。

最后、传统的ECT系统电极放置在管壁外侧，不接触被测物场，工作时，会在管壁处形成一个等效电容C_w，进而影响测量结果的线性度，存在传统的ECT系统的电极布置，无法获得被测区域的电阻信息，限制了其测量范围。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明目的在于提出一种耐压两用的电学成像传感系统及其数据采集成像方法，以解决上述现有技术存在的ERT和ECT未能统一和其设置形式导致的测量结果线性度差技术问题。

为此，本发明提出一种耐压两用的电学成像传感系统，包括传感器座、阵列电极、连接头及其控制系统，所述传感器座包括管口及管壁，所述阵列电极内设于所述管壁内壁上，所述阵列电极包括多个电极片，通过同一所述电极片于所述管壁内侧用于电容场和电导场的数据采集和激励，所述阵列电极通过连接头与控制系统电连接，所述控制系统通过所述阵列电极采集电导成像和电容成像数据。

优选地，本发明还可以具有如下技术特征：

所述控制系统包括数据采集模块与数据分析模块，所述数据采集模块包括电导采集板卡和电容采集板卡，通过所述电容采集板卡、所述连接头和所述电极片采集电容数据，所述数据采集模块通过所述电导采集板卡和所述电容采集板卡于所述电极片上交替采集电导成像与电容成像数据。

所述电极片于所述管壁的轴向方向上设置成长条形，所述电极片的长度大于等于所述管口的直径。

所述阵列电极于所述管壁的横截面方向均匀设置，所述阵列电极所占的夹角与所述管壁横截面方向空隙所占的夹角的比例为占空比，所述占空比不小于1.5。

所述占空比为1.5、1.8或2。

还包括相对设于所述传感器座上两侧的法兰座。

所述管壁内壁上设有至少两套所述阵列电极，至少两套的所述阵列电极各自的所述电极片交叉设置。

本发明还提供了一种数据采集成像方法，采集过程中，电极片分为测量电极和激励电极，所述测量电极用于测量数据，所述激励电极用于电容场或电导场的激励，包括以下步骤：

S1：数据采集模块对用于激励的所述激励电极的激励状态进行切换，使所述激励电极处于预定的激励模式；

S2：数据采集模块通过所述测量电极进行电学成像数据采集；

S3：数据分析模块对采集的数据进行分析，得到电学成像结果。

优选地，本发明的采集成像方法还可以具有如下技术特征：

管壁内壁上设有至少两套所述阵列电极，至少两套的所述阵列电极各自的所述电极片交叉设置，其中至少两套的所述阵列电极包括用于激励的所述阵列电极，和用于测量的所述阵列电极，所述用于激励的阵列电极的电极片为激励电极，所述用于测量的阵列电极的电极片为测量电极，所述用于激励的阵列电极执行步骤S1，所述用于测量的阵列电极执行步骤S2。

步骤S1中，所述激励状态进行切换包括以下步骤：

S11：数据采集模块根据预定的电容激励信号，由电容采集板卡生成对应激励信号控制对应的激励电极将激励状态调至电容激励模式下，并维持所述电容激励模式于所述预定时间的时长；

S12：数据采集模块根据预定的电导激励信号由电导采集板卡生成对应激励信号，控制对应的激励电极将激励状态调至电导激励模式下，并维持所述电导激励模式于所述预定时间的时长；

S13：继续重复执行步骤S11和步骤S12；

步骤S2中：所述成像数据信号的采集包括以下步骤：

S21：电容采集板卡于预定的时间内通过测量电极对电容成像数据信号进行采集，并将该电容成像数据信号上传至数据分析模块；

S22：电导采集板卡于预定的时间内通过测量电极对电导成像数据信号进行采集，并将该电导成像数据信号上传至数据分析模块；

S23：继续重复执行步骤S21和步骤S22。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明实现了将传统ECT和ERT传感器电极统一起来，可仅利用一套阵列电极就能实现对油-气-水多相流体的等效电容、电导变化量的测量，通过结构的优化设置，将阵列电极内设于所述管壁内壁上，同时通过同一所述电极片于所述管壁内侧用于电容场和电导场的数据采集和激励，相比现有的电学传感器的设置形式而言，首先、将传统外置非接触流体的ECT电极移入管壁内，形成与流体接触的内置电极，从而实现一套阵列电极即能作为ECT电极测量流体的等效电容变化量，也能作为ERT电极测量流体的等效电导变化量。

再者，通过ECT电极内置，接触流体，可消除原有的由于外置设置的ECT电极导致在测量过程中于绝缘管壁上形成的等效电容C_W，以消除对测量结果的影响，从而提高了油-水两相流体含水率、等效介电常数和测量电容的线性度。

优选地方案中，控制系统的数据采集方面，采用电容、电导两套独立的数据采集板卡(电容采集板卡和电导采集板卡)交替采集，可以控制电极的激励模式的切换，由于油田工业中更多的是关注高速流体的以时间序列来做平均后的结果，而不是对高速流体变化的细节进行关注，所以采用独立的两套数据采集板卡进行交替采集可以满足油田的基本需求，基于此，得以通过一套电极通过采集板卡进行数据的采集。

进一步的，将传统点状ERT电极更改设计成长条形，从而增加电极片与流体的接触面积，这样设置，一是减小了一对电极(激励与测量)间的非线性边缘效应(fringeeffective)，二是避免了由气泡引起的测量断路问题，即传统点状电极模式下，当有气泡通过电极，会覆盖电极表面，导致ERT测量电路断路，无信号输出。采用条形状设计，可有效避免气泡完全覆盖ERT电极，保证电极间测量通路和传感器正常工作，这在实际油-气-水多相流测量中很重要。

进一步的，条形电极与管段在横截面方向的占空比例设计为不小于1.5(1.5、1.8或2)，从而避免在ECT模式下，在相邻设置的电极间测量值过大，而相对设置的电极间测量值过小的问题，相对保证了ECT数据采集系统能处在一个固定增益下工作，同时也保证了电容测量敏感场分布的均匀性。

进一步的，本发明还可在所述管壁内壁上设有至少两套所述阵列电极，至少两套的所述阵列电极各自的所述电极片交叉设置，这时，可以满足对于高速流体变化的细节进行关注。

本发明提出的数据采集成像方法，基于优化设计后的传感系统，进行数据采集，在采集方法上，通过数据采集模块可对阵列电极的激励状态进行切换，通过阵列电极中测量电极进行数据的测量，激励电极进行激励，实现仅靠一套阵列电极就能实现对电导和电容数据的采集和分析。

优选的，根据设置的阵列电极的套数，可以采用多种方式进行数据采集，对于常规的对高速流体细节不关注，仅关注高速流体以时间序列来平均后的结果的测量，可以仅在管壁内壁设置一套阵列电极进行交替采集，对于高速流体的电导和电容同时进行采集的情况下，可采用管壁内壁上设置至少两套所述阵列电极进行采集。两种采集方法，适应于不同工作要求，可根据具体的情况进行执行。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一的传感系统的轴向剖视图；

图2是本发明具体实施方式一的图1的A-A向剖视图。

图3是传统的点设的ERT电极与气泡断路时的示意图。

图4是本发明具体实施方式一的电极片与气泡接触时的示意图。

图5是本发明具体实施方式二和三的数据采集成像方法流程图；

图6是本发明具体实施方式二的设置一套阵列电极的数据采集成像方法流程图。

图7是本发明具体实施方式三的设置两套阵列电极的数据采集成像方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照以下附图1-7所示，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

实施例一：

一种耐压两用的电学成像传感系统，如图1、图2所示，包括传感器座3、阵列电极、连接头5及其控制系统(图中未示出)，所述传感器座3包括管口(图1中部空白部所示)及管壁10，所述阵列电极通过内六角螺栓(4、6)内设固定于所述管壁10内壁上，图中可以看出，所述阵列电极包括多个电极片7，此处为8个，分别嵌设于所述管壁10上，所述阵列电极通过连接头5与控制系统电连接，所述控制系统通过所述阵列电极采集电导成像和电容成像数据，通过同一所述电极片7于所述管壁10内侧用于电容场和电导场的激励、流经管口的流体经电极片7激励，其等效电容和电导信号通过电极片7采集，经连接头5将电信号送至PC端控制系统，本实施例中，连接头5采用SMA接头，当然连接头5还可以根据实际情况选择其他的类型作为数据传输的连接部件，通过ECT电极内设，与ERT电极相统一，可实现将原有绝缘管壁10的等效电容C_W对测量结果的影响消除，从而提高油-水两相流体的含水率、等效介电常数与测量电容的线性度。

本实施例中，经连接头5的电信号送至PC端，该PC端的控制系统包括数据采集模块与数据分析模块，所述数据采集模块包括电导采集板卡和电容采集板卡，电导采集板卡和电容采集板卡两者独立设置，分别控制等效电导、等效电容的采集，通过所述电容采集板卡、所述连接头5和所述电极片7可以采集等效电容数据，通过所述电导采集板卡、所述连接头5和所述电极片7可以采集等效电导数据，所述数据采集模块通过所述电导采集板卡和所述电容采集板卡于所述电极片7上交替采集电导成像与电容成像数据，采集板卡可交替控制一组电极既能作为ECT电极测量流体的等效电容变化量，也能作为ERT电极测量流体的等效电导变化量。

所述电极片7于所述管壁10的轴向方向上设置成长条形，所述电极片7的长度大于等于所述管口的直径，可实现避免了由气泡13影起的ERT电极测量时的断路问题，本实施例汇总电极片7的长度等于管口的直径，如图3所示，传统的ERT电极的设置形式为点状设置，流体中的气泡13容易将ERT电极覆盖，造成断路，本实施例中。如图4所示，本实施例设置成长条形，使得气泡13不再完全覆盖电极片7，造成断路，影响传感器的正常工作。

所述阵列电极于所述管壁10的横截面方向均匀设置，所述阵列电极所占的夹角与所述管壁10横截面方向空隙所占的夹角的比例为占空比，所述占空比不小于1.5。

如图2所示，本实施例中的所述占空比为1.8，即电极片7在截面方向上所占的角度为25度，间隙所占的角度为20度，这样可以保证在ECT模式下，相邻的电极间测量值过大，而相对的电极间测量值过小的问题，相对保证了ECT数据采集系统能保持在一个固定增益下，保证多个电容测量的均匀性。当然，本实施例中，还可以更具其他情况设置其他空占比，例如1.5或2。

本实施例中，为了传感系统的安装和连接，还包括相对设于所述传感器座3上两侧的法兰座(1、9)。

本实施例中，所述管壁10内壁上设有一套所述阵列电极，当然，可以根据采集的情况在所述管壁10内壁上设置至少两套所述阵列电极，此时，所述阵列电极各自的所述电极片7交叉设置。

如图1-2所示，所述电极片7与所述传感器座3之间填充有密封层12，密封层采用耐腐蚀橡胶材料制作，所述密封层开设有设置所述连接头5的通孔11，电极片7的输出导线通过通孔11接到连接头5上，并在法兰座与传感器座3之间设置有O型圈(2、8)，通过O型圈及结构上的密封设计，使得传感器测量的过程中具备耐压3.0兆帕的能力，进而提高传感器的工作性能。

本实施例中，阵列电极的材料为常用的金属导电材料，如铜、黄铜等金属导电材料，法兰座和传感器的材料为316钢材。

实施例二：

本实施例基于实施例一提出的传感系统，提出了一种数据采集成像方法，如图5所示，采集过程中，电极片分为测量电极和激励电极，所述测量电极用于测量数据，所述激励电极用于电容场或电导场的激励，包括以下步骤：

S1：数据采集模块对用于激励的所述激励电极的激励状态进行切换，使所述激励电极处于预定的激励模式；

S2：数据采集模块通过所述测量电极进行电学成像数据采集；

S3：数据分析模块对采集的数据进行分析，得到电学成像结果。

更为具体的，所述管壁内壁上仅设有一套所述阵列电极，通过这一套所述阵列电极实现数据的采集；

所以可以变为如下步骤，如图6所示：

A11：数据采集模块对用于激励的所述激励电极的激励状态进行交替切换，使所述激励电极处于预定的激励模式下进行激励；

A21：数据采集模块于预定时间内通过所述测量电极对成像数据信号进行采集，并将该成像数据上传至数据分析模块；

A31：数据分析模块对采集的数据进行分析，得到电学成像结果。

其中，所述激励状态进行交替切换包括一下步骤：

S11：数据采集模块根据预定的电容激励信号，由电容采集板卡生成对应激励信号控制对应的激励电极将激励状态调至电容激励模式下，并维持所述电容激励模式于所述预定时间的时长；

S12：数据采集模块根据预定的电导激励信号由电导采集板卡生成对应激励信号，控制对应的激励电极将激励状态调至电导激励模式下，并维持所述电导激励模式于所述预定时间的时长；

S13：继续重复执行步骤S11和步骤S12；

所述成像数据信号的采集包括以下步骤：

S21：电容采集板卡于预定的时间内通过测量电极对电容成像数据信号进行采集，并将该电容成像数据信号上传至数据分析模块；

S22：电导采集板卡于预定的时间内通过测量电极对电导成像数据信号进行采集，并将该电导成像数据信号上传至数据分析模块；

S23：继续重复执行步骤S21和步骤S22。

本实施例中，阵列电极的个数为8个，其采样速率为100fps，每帧测量数据48个(28个电容测量值，20个电阻测量值)。

这种采集方式，只需在管道上设置一套阵列电极，其中，激励电极用于电容场或电导场的激励，所述测量电极用于测量数据，通过激励电极电容的交替变换激励，可实现电导数据和电容数据的同时采集，在结合测量电极的检测结构比较简单，同时也克服了传统的ECT外设于管壁上以及ERT点设存在的诸多问题，通过交替采集，可以满足绝大部分的工业需求。

实施例三：

本实施例基于实施例一提出的传感系统，提出了一种数据采集成像方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：数据采集模块对用于激励的所述激励电极的激励状态进行切换，使所述激励电极处于预定的激励模式；

S2：数据采集模块通过所述测量电极进行电学成像数据采集；

S3：数据分析模块对采集的数据进行分析，得到电学成像结果。

更为具体的：

本实施例中，所述管壁内壁上设有两套所述阵列电极，两套的所述阵列电极各自的所述电极片交叉设置，其中两套的所述阵列电极包括用于激励的所述阵列电极，和用于测量的所述阵列电极，所述用于激励的阵列电极的电极片为激励电极，所述用于测量的阵列电极的电极片为测量电极，所述用于激励的阵列电极执行步骤S1，所述用于测量的阵列电极执行步骤S2。

整理至如下步骤，如图7所示：

B12：数据采集模块对两套所述阵列电极中的一套的激励状态进行切换；

B22：数据采集模块在同一时间内通过另一套阵列电极进行电学成像数据采集；

B32：数据分析模块对采集的数据进行分析，得到电学成像结果。

这种测量方式在同一截面上设有两套阵列电极，数据采集的过程中，一套用于ECT数据或ERT数据的采集，另一套用于激励场的激励，多套设置的阵列电极适用于更为严苛的工业需求。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims (10)

1.一种耐压两用的电学成像传感系统，其特征在于：包括传感器座、阵列电极、连接头及其控制系统，所述传感器座包括管口及管壁，所述阵列电极内设于所述管壁内壁上，所述阵列电极包括多个电极片，通过同一所述电极片于所述管壁内侧用于电容场和电导场的数据采集和激励，所述阵列电极通过连接头与控制系统电连接，所述控制系统通过所述阵列电极采集电导成像和电容成像数据。

2.如权利要求1所述的耐压两用的电学成像传感系统，其特征在于：所述控制系统包括数据采集模块与数据分析模块，所述数据采集模块包括电导采集板卡和电容采集板卡，通过所述电容采集板卡、所述连接头和所述电极片采集电容数据，所述数据采集模块通过所述电导采集板卡和所述电容采集板卡于所述电极片上交替采集电导成像与电容成像数据。

3.如权利要求1所述的耐压两用的电学成像传感系统，其特征在于：所述电极片于所述管壁的轴向方向上设置成长条形，所述电极片的长度大于等于所述管口的直径。

4.如权利要求1所述的耐压两用的电学成像传感系统，其特征在于：所述阵列电极于所述管壁的横截面方向均匀设置，所述阵列电极所占的夹角与所述管壁横截面方向空隙所占的夹角的比例为占空比，所述占空比不小于1.5。

5.如权利要求4所述的耐压两用的电学成像传感系统，其特征在于：所述占空比为1.5、1.8或2。

6.如权利要求1-5任一项所述的耐压两用的电学成像传感系统，其特征在于：还包括相对设于所述传感器座上两侧的法兰座。

7.如权利要求1所述的耐压两用的电学成像传感系统，其特征在于：所述管壁内壁上设有至少两套所述阵列电极，至少两套的所述阵列电极各自的所述电极片交叉设置。

8.一种数据采集成像方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的耐压两用的电学成像传感系统，采集过程中，电极片分为测量电极和激励电极，所述测量电极用于测量数据，所述激励电极用于电容场或电导场的激励，包括以下步骤：

S1：数据采集模块对用于激励的所述激励电极的激励状态进行切换，使所述激励电极处于预定的激励模式；

S2：数据采集模块通过所述测量电极进行电学成像数据采集；

S3：数据分析模块对采集的数据进行分析，得到电学成像结果。

9.如权利要求8所述的数据采集成像方法，其特征在于：管壁内壁上设有至少两套所述阵列电极，至少两套的所述阵列电极各自的所述电极片交叉设置，其中至少两套的所述阵列电极包括用于激励的所述阵列电极，和用于测量的所述阵列电极，所述用于激励的阵列电极的电极片为激励电极，所述用于测量的阵列电极的电极片为测量电极，所述用于激励的阵列电极执行步骤S1，所述用于测量的阵列电极执行步骤S2。

10.如权利要求8或9所述的数据采集成像方法，其特征在于：步骤S1中，所述激励状态进行切换包括以下步骤：

S11：数据采集模块根据预定的电容激励信号，由电容采集板卡生成对应激励信号控制对应的激励电极将激励状态调至电容激励模式下，并维持所述电容激励模式于所述预定时间的时长；

S12：数据采集模块根据预定的电导激励信号由电导采集板卡生成对应激励信号，控制对应的激励电极将激励状态调至电导激励模式下，并维持所述电导激励模式于所述预定时间的时长；

S13：继续重复执行步骤S11和步骤S12；

步骤S2中：成像数据信号的采集包括以下步骤：

S21：电容采集板卡于预定的时间内通过测量电极对电容成像数据信号进行采集，并将该电容成像数据信号上传至数据分析模块；

S22：电导采集板卡于预定的时间内通过测量电极对电导成像数据信号进行采集，并将该电导成像数据信号上传至数据分析模块；

S23：继续重复执行步骤S21和步骤S22。