CN108535284B - 一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器 - Google Patents

一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN108535284B
CN108535284B CN201810671482.1A CN201810671482A CN108535284B CN 108535284 B CN108535284 B CN 108535284B CN 201810671482 A CN201810671482 A CN 201810671482A CN 108535284 B CN108535284 B CN 108535284B
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
crude oil
protective sleeve
radio frequency
transmitting antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810671482.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108535284A (zh
Inventor
贾惠芹
党瑞荣
韩宏军
党博
冯旭东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Shiyou University
Original Assignee
Xian Shiyou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Shiyou University filed Critical Xian Shiyou University
Priority to CN201810671482.1A priority Critical patent/CN108535284B/zh
Publication of CN108535284A publication Critical patent/CN108535284A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108535284B publication Critical patent/CN108535284B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/26—Oils; viscous liquids; paints; inks
    • G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
    • G01N33/2835—Oils, i.e. hydrocarbon liquids specific substances contained in the oil or fuel
    • G01N33/2847—Water in oil

Abstract

一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，包括天线保护套，所述的接收天线与发射天线对称设置于天线保护套内部；保护套与双天线接触部分的空隙通过胶性填充物填充，所述的接收天线的辐射方向垂直于发射天线本身、接收天线以及含水原油的切面；所述的填充物阻止原油进入天线；所述的传输接头用于连接同轴线；双天线结构相对于传统的一根单极子天线以及电流互感法具有更明显的区分度、不易受环境影响、且成本低，能适用于多种原油含水率场合。

Description

一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器
技术领域
本发明属于含水率测量技术领域，特别涉及一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，可特别适用于石油化工领域中原油含水率的测量或其他两相流中水分含量的测量。
背景技术
随着社会经济的迅速发展，各行各业对于石油能源的需求量逐年提升。但是我国的地理环境比较复杂加之储油量少，而且多数主力老井经过数十年的开采已经进入高含水率甚至特高含水率阶段，因此油井中的产出液中会含有大量的水分。产出液中原油与水的不相溶导致含水原油以一种乳化液的形式存在于输油管道中，这对于原油含水率的测量带来了巨大的挑战，因此原油含水率的测量一直是石油化工行业的难点和热点。而含水率的准确测量对于计量油井产量、评价油藏的开采价值和采出程度、制定开采方案等具有重要意义。在原油开采中其水分含量的高低直接影响油井出油层位，油井出液量，原油产量等的动态分析和开采；运输过程中，由于水分的存在会导致原油乳化浑浊，腐蚀管道，黏度增加，附着与输油管道内壁，同时也加大了管道的运输功耗，造成管道运输不稳定，直接影响运输管道的寿命，并且降低了输油管道以及储油罐等大型设备的利用率；在原油炼制过程中，过多的水分会造成加热原料的多余使用，在加热过程中有可能会发生含水原油突沸等生产事故。
通过查阅文献，最新的利用电磁波在被测介质中的传播特性测量含水率是电磁波法测量含水率的主要技术之一，现有的利用电磁波传播特性测量含水率时主要采用的方法有两种：一种是文献西安石油大学贺国强硕士论文：原油含水率测量技术研究，利用一根单极子天线自身对电磁波的辐射来测量原油含水率，但当被测介质发生变化时，不仅单极子天线的辐射效率也会因介质的不同而不同，且天线的发射系数也会发生变化，同时由于单极子天线被安装在金属管道内，在被测介质经过单极子天线时，单极子天线自身会接收到金属管道发射回来的电磁波，这些因素导致一根单极子天线测量原油含水率的精度差，受外界干扰明显。
另一种是石油化工应用期刊上面的文献：基于射频幅值法的原油含水率测量系统研究使用平行的双单极子全向天线，这种结构的天线平行于含水原油，没有区分双天线各自的作用，也没有说明双天线的各自的反射系数，导致这种结构的传感器在被测介质中的传播特性无法测量。
发明内容
针对原油含水率测量存在的上述问题，本发明目的是提供一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，具有高精度、能够满量程测试原油含水率得特点。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，包括天线保护套以及设置于天线保护套1内部的双天线——发射天线2和接收天线3；天线保护套1的上半部分1-1为圆筒形，下半部分1-2为半球体；所述的发射天线2与接收天线3对称垂直设置于天线保护套1内，发射天线2与接收天线3两者处于同一平面，其分别设置于天线保护套1横截面直径D的1/4和3/4处，保护套1与双天线接触部分的空隙通过胶性填充物4填充，双天线不穿透天线保护套下半部分1-2的半球体；超出保护套上半部分1-1的发射天线2与接收天线3的馈电端口进行机械处理，设置与同轴传输线相连接的传输接头5，所述的传输接头5用于连接外接处理电路。
所述的天线保护套1不粘黏原油、具有承受一般环境下外力的机械强度、具有防腐蚀作用，所述的天线保护套1所选用的材料对于发射天线2上加载的馈电电压U(t)的发射系数S11小于-10dB，所述的天线保护套1对于接收天线3上射频信号电压的传输损耗S21应接近-3dB,且电磁波能够穿透天线保护套，要能够承受井下高温高压的情况，具有固定发射天线与接受天线的作用，天线保护套1的厚度不小于被测介质内射频信号波长的四分之一，
所述的发射天线2与接收天线3的直径为均采用导电性非常好的金属作为天线材质，f为被测介质中射频信号的频率；所述的发射天线2与接收天线3之间的间距D/2应大于被测介质内射频信号波长的十六分之一。
所述的发射天线2与接收天线3均为单极子天线，长度为λ/4，λ为被测介质中射频信号的波长，单极子发射天线与单极子接收天线都可以等效为无数个电偶极子的和。
所述的发射天线2上的馈电电压U(t)应是接收天线3上接收到的电压幅度最小值的信噪比达到最大值时的值，馈电电压U(t)的频率应使σ为含水原油的电导率，ω为射频信号的角频率，εc为含水原油的复介电常数；所述的发射天线上的馈电电压U(t)的功率应使接收天线在纯油时接收到的电压幅度的信噪比达到最大。
所述的发射天线2的辐射方向垂直于发射天线2、接收天线3以及被测介质的横切面。
所述的发射天线2、接收天线3与天线保护套1边缘的间距不小于被测介质内射频信号波长的四分之一。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用特殊材料制作的天线保护套，避免了天线与含水原油直接接触，原油粘黏于天线上不能自动脱落使传感器结垢、结蜡，对测量结果造成误差。2、本发明天线保护套装置不受井下含水原油的高温、高压、黏度、密度的影响，具有较好的时间稳定性、温度稳定性和抗腐蚀性，可长期应用于井下以及暴露环境中原油含水率的检测。3、本发明的天线保护套对于发射天线发射出来的射频信号的反射系数S11小于-10dB。4、本发明由于采用了双天线结构，较之前单个单极子天线利用天线自身的辐射以及管道内壁电磁波的反射共同作用于测量未知比例的含水原油没有参考信号相比，测量效果更加显著，分度更明显，测量范围达到0％～100％。5、本发明采用的双天线结构中发射天线的辐射方向同时垂直于发射天线、接收天线与含水原油的切面，保证了在原油含水率变化时发射天线的辐射与接收天线上接收电压的稳定性，同时也减小了发射天线自身辐射效率变化产生的影响。6、发射天线与接收天线同时采用长度为λ/4的单极子天线，传感器结构简单、体积小，可根据井上或井下要求任意安装。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的测量模型图
图3为球坐标电偶极子图。
图4为电偶极子的矢量图。
图5为实际含水率曲线与拟合含水率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述。在详细叙述本发明实施例时，为便于说明，表示所述的传感器的结构会不依一般结构做比例缩放，且所述的示意图只是示例。需要说明的是附图采用简化的形式不使用精确的比例，仅在此用以方便、清晰的辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本实施例的射频法原油含水率测量传感器，包括天线保护套1-1和1-2和设置于天线保护套内部的发射天线2和接收天线3以及用以填充双天线与保护套间隙的填充物4和传输接头5。发射天线2和接收天线3通过传输接头5连接于处理电路中，发射天线2和接收天线3对称设置于天线保护套内部，发射天线2与接收天线3之间的间距D/2为20mm,长度L＝λ/4为120mm,射天线2的辐射方向垂直于发射天线2、接收天线3以及含水原油的切面。天线保护套1和射天线2以及接收天线3在测试含水率的时安装于固定机械外壳中(图中未画出)，测试时含水原油不能淹没接收天线2与发射天线3的传输线接头。长度为λ/4的发射天线与接收天线都可以等效为无数个电偶极子的和。
如图2所示为发射天线2上一个电偶极子，单个电偶极子的一个导球体上的电荷为+q(t),另一个导球体上的电荷-q(t)，电偶极子细导线l上的电流i(t)为
式(1)中I表示电流的瞬时最大值。
如图2所示，接收天线2上的一个电偶极子沿z轴放置，且偶极子中心位于坐标原点。偶极子的线元长度为l，横截面积为s，电流密度为J。故有
用替换/>得载流线元在P点产生的矢量位为
式(2)中k2＝ω2μεc,在含水原油中由于同时存在介质损耗与导电损耗，所以含水原油的等效复介电常数其中j为虚数单位。
如图3所示，A(r)在球坐标系中的三个坐标可以写为
由磁矢势与磁场强度的关系可得图4中发射天线2上一个电偶极子在原点O处产生的电场经含水原油后在接收天线3上P点处电偶极子磁场强度为
因此可得发射天线2上的电偶极子在原点O处产生的电场经含水原油后在接收天线3上P点处电偶极子产生的电场强度为
如图4所示，射频信号输出点在原点O，观测点由点P移动到点P′时，观测距离会随着观测角θ的变化而变化，观测角θ的变化范围为0°≤θ≤180°，因此式(4)中观测距离/>为观测角θ的函数，且观测距离/>的标量大小如式(5)所示
式(5)中D(mm)为两天线之间的间距。
由于发射天线2和接收天线3都是由长度为l的电偶极子等效组成的，因此对于发射天线2上产生的电场经含水原油后在接收天线3上P点处产生的电场为
同理，对于发射天线上的馈电电压U(t)＝Umcos(ωt)，在整个接收天线上产生的电压ξ为式(6)从到/>的二重积分，且发射天线上的无数电偶极子作为基本辐射单元，其上电流如式(1)所示，所以整个接收天线上的电压幅值如式(7)所示
式(7)中R为发射天线2的特性阻抗。
，忽略原油中所含杂质的影响，含水原油可近似看作是纯油和纯水两种介质的混合液，其有效相对介电常数εr如式(8)所示
式(8)中ε1为纯水的介电常数；ε2为纯油的介电常数；C为含水原油中水的体积百分比。根据式(8)得出不同含水率情况下含水原油的相对介电常数εr，如表1所示。
表1不同比例的含水原油相对介电常数
本实施例不同比例的含水原油中理论上发射天线2发射出来的射频信号经含水原油后接收天线3上接收到的电压ξ幅度如表2所示
表2理论计算出的不同含水率情况时接收天线上的电压
含水率百分比(％) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
接收天线电压(V) 3.16 2.55 2.20 1.97 1.79 1.66 1.55 1.44 1.38 1.31 1.26
本实施例不同比例的含水原油中实际测得的发射天线2发射出来的射频信号经含水原油后接收天线3上接收到的电压ξ幅度如表3所示
表3试验测得的不同比例的含水原油中接收天线上的电压
含水率百分比(％) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
接收天线电压(V) 3.15 2.57 2.19 1.98 1.83 1.65 1.53 1.45 1.40 1.30 1.23
本实施例不同比例的含水原油中发射天线2的馈电电压U(t)与实际测得的接收天线3上的电压ξ经数据处理单元(本发明中不画出)处理之后显示出来的直流电压如表4所示
表4不同比例的含水原油解调出的直流电压
本实施例不同比例的含水原油经处理得到的直流电压曲线与拟合得到的含水率曲线图如图5所示，拟合所用的函数为y＝ax2+bx+c，其中
a＝-0.000000184799155,b＝0.000953879457595,c＝-0.169304551929503,得出如图5所示的曲线
本实施例不同比例的含水原油的实际含水率与拟合得到的含水率的误差值如表5所示
表4不同比例的含水原油解调出的直流电压
由图5可知，本发明采用的双天线结构传感器在特定频率下对待测量含水原油经行测量时，其结果具有非常好的区分度，能避免单根单极子天线自身辐射与管道内壁中天线产生的磁场互相交错在一起无法分辨含水率，且由图5可知拟合实际测得的含水率曲线较好的抛物线形式，拟合出来的含水率曲线几乎吻合实际测得的含水率曲线。
由表4可知，利用拟合出来的含水率曲线测量实际的原油含水率，误差百分比最大为2.35％，最小的误差百分比为0.1％，表明双天线结构传感器施工适用于现在的油井含水率测量，且测量误差能够满足于现场实际要求。

Claims (5)

1.一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，其特征在于，包括天线保护套以及设置于天线保护套(1)内部的双天线——发射天线(2)和接收天线(3)；天线保护套(1)的上半部分(1-1)为圆筒形，下半部分(1-2)为半球体；所述的发射天线(2)与接收天线(3)对称垂直设置于天线保护套(1)内，发射天线(2)与接收天线(3)两者处于同一平面，其分别设置于天线保护套(1)横截面直径D的1/4和3/4处，保护套(1)与双天线接触部分的空隙通过胶性填充物(4)填充，双天线不穿透天线保护套下半部分(1-2)的半球体；超出保护套上半部分(1-1)的发射天线(2)与接收天线(3)的馈电端口进行机械处理，设置与同轴传输线相连接的传输接头(5)，所述的传输接头(5)用于连接外接处理电路；
所述的天线保护套(1)不粘黏原油、具有承受一般环境下外力的机械强度、具有防腐蚀作用，所述的天线保护套(1)所选用的材料对于发射天线(2)上加载的馈电电压U(t)的发射系数S11小于-10dB，所述的天线保护套(1)对于接收天线(3)上射频信号电压的传输损耗S21应接近-3dB,且电磁波能够穿透天线保护套，要能够承受井下高温高压的情况，具有固定发射天线与接受天线的作用，天线保护套(1)的厚度不小于被测介质内射频信号波长的四分之一；
所述的发射天线(2)与接收天线(3)的直径为均采用导电性非常好的金属作为天线材质，f为被测介质中射频信号的频率；所述的发射天线(2)与接收天线(3)之间的间距D/2应大于被测介质内射频信号波长的十六分之一。
2.根据权利要求1所述的一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，其特征在于，所述的发射天线2与接收天线3均为单极子天线，长度为λ/4，λ为被测介质中射频信号的波长，单极子发射天线与单极子接收天线都可以等效为无数个电偶极子的和。
3.根据权利要求1所述的一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，其特征在于，所述的发射天线2上的馈电电压U(t)应是接收天线3上接收到的电压幅度最小值的信噪比达到最大值时的值，馈电电压U(t)的频率应使σ为含水原油的电导率，ω为射频信号的角频率，εc为含水原油的复介电常数；所述的发射天线上的馈电电压U(t)的功率应使接收天线在纯油时接收到的电压幅度的信噪比达到最大。
4.根据权利要求1所述的一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，其特征在于，所述的发射天线(2)的辐射方向垂直于发射天线(2)、接收天线(3)以及被测介质的横切面。
5.根据权利要求1所述的一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器，其特征在于，所述的发射天线(2)、接收天线(3)与天线保护套(1)边缘的间距不小于被测介质内射频信号波长的四分之一。
CN201810671482.1A 2018-06-26 2018-06-26 一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器 Active CN108535284B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810671482.1A CN108535284B (zh) 2018-06-26 2018-06-26 一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810671482.1A CN108535284B (zh) 2018-06-26 2018-06-26 一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108535284A CN108535284A (zh) 2018-09-14
CN108535284B true CN108535284B (zh) 2023-08-22

Family

ID=63487093

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810671482.1A Active CN108535284B (zh) 2018-06-26 2018-06-26 一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108535284B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109459450B (zh) * 2018-12-26 2023-12-19 江苏麦赫物联网科技有限公司 一种含水率和电导率检测系统及检测方法
CN111257350B (zh) * 2020-01-15 2021-02-26 浙江大学 基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置及方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5014010A (en) * 1989-04-10 1991-05-07 Texaco Inc. Dual frequency microwave water cut monitoring means and method
JPH10332606A (ja) * 1997-05-30 1998-12-18 Ikuo Arai 電波濃度測定装置
CN104141491A (zh) * 2014-07-10 2014-11-12 长江大学 一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置
CN105823868A (zh) * 2015-12-23 2016-08-03 艾山江·买买提依明 取样式原油含水率在线检测仪
CN106226330A (zh) * 2016-09-22 2016-12-14 西安石油大学 基于射频法的原油含水率测量装置及方法
CN206074475U (zh) * 2016-09-22 2017-04-05 西安石油大学 基于射频法的原油含水率测量装置
CN206387775U (zh) * 2016-10-17 2017-08-08 广汉市思科信达科技有限公司 一种线性超声相控阵列探伤装置
CN208547590U (zh) * 2018-06-26 2019-02-26 西安石油大学 基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器
CN216560371U (zh) * 2021-11-02 2022-05-17 刘晓辉 石油含水率无线传输在线智能监测仪

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101261235B (zh) * 2008-05-06 2010-12-08 罗平安 原油中含气率和含水率的双能χ射线测量方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5014010A (en) * 1989-04-10 1991-05-07 Texaco Inc. Dual frequency microwave water cut monitoring means and method
JPH10332606A (ja) * 1997-05-30 1998-12-18 Ikuo Arai 電波濃度測定装置
CN104141491A (zh) * 2014-07-10 2014-11-12 长江大学 一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置
CN105823868A (zh) * 2015-12-23 2016-08-03 艾山江·买买提依明 取样式原油含水率在线检测仪
CN106226330A (zh) * 2016-09-22 2016-12-14 西安石油大学 基于射频法的原油含水率测量装置及方法
CN206074475U (zh) * 2016-09-22 2017-04-05 西安石油大学 基于射频法的原油含水率测量装置
CN206387775U (zh) * 2016-10-17 2017-08-08 广汉市思科信达科技有限公司 一种线性超声相控阵列探伤装置
CN208547590U (zh) * 2018-06-26 2019-02-26 西安石油大学 基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器
CN216560371U (zh) * 2021-11-02 2022-05-17 刘晓辉 石油含水率无线传输在线智能监测仪

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于射频幅值法的原油含水率测量系统研究;党瑞荣，姜海潮，韩宏军，孙娅娅;石油化工应用;第37卷(第3期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108535284A (zh) 2018-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108535284B (zh) 一种基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器
CN204302321U (zh) 适用于高频测试的芯片测试插座
US10156464B2 (en) Fluid sensor
US20160363686A1 (en) Antenna structures and apparatus for dielectric logging
CN203733942U (zh) 一种用于北斗导航定位系统的双频双极化天线
CN113075238B (zh) 一种高压环境下的微波含水率测试装置及其测试方法
CN208547590U (zh) 基于射频法的双天线结构原油含水率测量传感器
CN108808238A (zh) 一种用于深海智能浮标的北斗/gps多频点天线
CN104729627A (zh) 油水界面测量传感器
Liang et al. A compact ferrite-based dipole directional antenna for borehole radar application
Logeswaran et al. WB Antenna as a Sensor for the Analysis of Dissolved Particles and Water Quality.
EP3218700A1 (en) Multi-phase fluid fraction measurement
CN112268913B (zh) 消除水的矿化度影响的油气水三相流微波持水率测量方法
CN111257350B (zh) 基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置及方法
US8884622B2 (en) 3D dipole antenna of spiral segments
Zhang et al. A rectangular planar spiral antenna for GIS partial discharge detection
CN203925465U (zh) 微波式混合液体持水率测量探头
CN109216906B (zh) 一种水陆两栖探地雷达的椭圆形平面偶极子天线
CN207586435U (zh) 天基信息应用地震观测系统
CN205665195U (zh) 一种电容式低含水分析仪
CN105977622A (zh) 超薄型高增益圆极化天线
CN203871479U (zh) 便携式多模多频测量天线
CN211829279U (zh) 一种物探电阻率ct电缆
CN203837771U (zh) 适用于高温高压环境的雷达距离探测器
CN117724090A (zh) 一种用于定向探测的钻孔雷达系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant