CN109085186A - 基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置及方法。所述检测装置包括检测管以及设置在检测管两端的微波探头；两个微波探头均通过通信模块与单片机相接；检测管内可通入待测的油水两相流，两个微波探头可通过发射、接收微波信号进行双向双边测距；通信模块用于将两个微波探头发射、接收微波信号的时间发送至单片机，单片机根据两个微波探头发射、接收微波信号的时间，同时结合油相介电常数、水相介电常数以及两个微波探头之间的距离即可计算得出油水两相流中的持水率。本发明通过微波探头的设计，减弱了温度、压力等环境变化对两相流持水率测量的影响，为油水两相流持水率的测量提供了一种新思路。

Description

基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置及方法

技术领域

本发明涉及多相流参数检测技术领域，具体地说是一种基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置及方法。

背景技术

目前，对于流体中持水率的检测方法有：快关阀法、电容法、光学法、射线法、微波技术、同轴线相位法等。

快关阀法是一种直接测量法。其实验原理是在实验管道两端安装两个距离已知且可同时开启同时关闭的快关阀，当两相流体经充分发展后通过该实验管段时，同时关闭两个阀门将流体截断在管路内，通过对测量管路内取出的流体进行简单气液分离并对液相进行测量，结合管径和两个阀门间的距离，便可以得到该测量段内平均截面含率。但是该方法在测量时需要切断流体系统，影响流体的正常流动。因此，这种方法很难应用于高流速和高压力的气液两相流持水率测量。

电容法是利用原油乳化液的介电常数的微小变化与原油中水的含量多少有关的原理来实现原油含水率测量的。它可以安装在管道内部，对介电常数的检测比较敏感，但是，长期使用会导致器材老化，环境的变化也会影响检测精度。

光学法同核辐射法原理相似，依据衰减、放射线和电磁波的漫反射以及两相介质一些物理性质变化实现截面含气率的测量。

射线法最常见的是伽马射线衰减测量技术，由于气液衰减系数已知，通过已知的入射伽马射线强度并利用朗伯比尔定律推断出平均持水率，但伽马射线法仅仅适用于气液两相轴对称分布条件下的持水率测量，采样间隔时间长且需要很强的放射源；伽马射线散射法也被用于研究空隙率的分布，但是该方法很难应用于工业现场，其采样时间间隔长，不适用于快速波动流动。X射线法由于具有强大的能量谱，难以兼顾既要保证连续恒定的光子流，又要避免影响探测系统。而中子散射和衰减法尤其适用于湿蒸汽的测量，且与伽马射线和X射线相比，与金属管壁相互作用不强。β射线衰减法也被用于持水率测量，但由于其强烈的吸收性，被限制应用于管壁非常薄的真空系统里。显而易见，上述方法均需要必要的安全防护并受到使用环境的限制。

微波技术多用于有机流体的密度和持水率(空隙率)测量。其典型应用为利用谐振腔中两相流谐振频率的频移与介质的介电常数间函数关系来实现持水率的测量。用微波进行检测要从传输波或反射波中检出微波所携带的信息，一般的作法是把它们与一个参考信号进行幅度或相位的比较。衰减是两个波进行幅度比较的结果，相移则是两个波进行相比较的结果。但是具有局限性，目前测量油水两相流持水率主要集中在低含水率和高含水率。

同轴线相位法是利用同轴线作为传感器对电磁波相位进行检测的一种方法，根据油水的介电常数不同会对电磁波在传播过程中相位产生大的影响，进而获得信号传播后的相位差，通过相位差的值来确定含水率大小。但是，相关电路比较复杂，而且相位的检测受到波长的限制，一旦超出限定距离便造成测量不准确。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置及方法，为油水两相流持水率的测量提供了一种新的设计思路。

本发明的目的是这样实现的：一种基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置，包括检测管以及设置在所述检测管两端的微波探头；两个微波探头均通过通信模块与单片机相接；所述检测管内可通入待测的油水两相流，两个微波探头可通过发射、接收微波信号进行双向双边测距；所述通信模块用于将两个微波探头发射、接收微波信号的时间发送至单片机，所述单片机根据两个微波探头发射、接收微波信号的时间，同时结合油相介电常数、水相介电常数以及两个微波探头之间的距离即可计算得出油水两相流中的持水率。

在所述检测管的两端分别设有探头安装装置，所述探头安装装置为圆柱形筒体结构；微波探头对应设置在探头安装装置内，微波探头刚好覆盖检测管的横截面。

所述探头安装装置由金属器材制成。

两个微波探头的几何中心处于检测管的轴心线上。

在所述检测管的两端设有用于隔离油水两相流与微波探头的隔离物质。

本发明所提供的基于微波测距法的油水两相流持水率检测方法，包括如下步骤：

a、在检测管内不通入任何流体，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得两个微波探头之间的距离d；

b、向检测管内通入纯水，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在纯水中的传输时间，根据步骤a中两个微波探头之间的距离d即可求得微波信号在纯水中的传输速度，进一步求出水相的介电常数ε_w；

c、向检测管内通入纯油，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在纯油中的传输时间，根据步骤a中两个微波探头之间的距离d即可求得微波信号在纯油中的传输速度，进一步求出油相的介电常数ε_o；

d、向检测管内通入待测的油水两相流，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在油水两相流中的传输时间t_p，再结合如下公式即可求得油水两相流中的持水率：

式中：η_w是油水两相流中的持水率，η_o为油水两相流中的含油率，ε_o为步骤c中所测得的油相的介电常数，ε_w为步骤b中所测得的水相的介电常数，d为步骤a所测得的两个微波探头之间的距离，t_p为步骤d中所测得的微波信号在油水两相流中的传输时间。

步骤a-d中，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，具体包括如下步骤：

记录两个微波探头分别为第一微波探头和第二微波探头；

由第一微波探头发射第一微波信号，第一微波信号经过检测管内的流体后被第二微波探头所接收；第二微波探头接收到第一微波信号后延时一段时间，然后发出第二微波信号，第二微波信号经过检测管内的流体后被第一微波探头所接收；第一微波探头接收到第二微波信号后延时一段时间，然后发出第三微波信号，第三微波信号经过检测管内的流体后被第二微波探头所接收；

通信模块采集第一微波信号、第二微波信号和第三微波信号的发射时间和接收时间，并把所采集到的时间数据发送至单片机，单片机根据接收到的时间数据计算微波信号在流体中的传输时间，根据传输时间可测得两个微波探头之间的距离。

流体的介电常数ε与微波信号在流体中的传播速度v之间满足如下公式：

本发明利用微波技术与两相流体动力学知识，实现了对油水两相流持水率参数的在线监测和测量。用微波探头之间测距原理，结合水相与油相介电常数的差异性，获得不同的传输时间数据，利用相关模型得到两相流的持水率。与其他微波测量方法相比，微波测距法具有实时性好、测量精度高、范围大、易操作等优点，它可以在更远的范围里准确探测持水率，简化了装置结构，提高了装置的灵活性，而且精度也得到了很大提高，为油水两相流持水率的测量提供了一种新的思路。

附图说明

图1是本发明中检测装置的结构示意图。

图2是本发明进行油水两相流持水率检测时的信号传输示意图。

图3是本发明中两个微波探头进行双向双边测距的原理图。

具体实施方式

由于油水两相流动具有复杂多变的特性，因此其持水率测量一直以来都是科学研究和工业应用领域中未能解决的科学难题。本发明针对这种情况，设计了一种基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置及方法，通过微波探头的设计，减弱了温度、压力等环境变化对两相流持水率测量的影响，为油水两相流持水率的测量提供了一种新方法。

本发明基于微波测距技术在油水两相流中形成测试路径，当两相流体从检测装置间流过时，由于油相与水相介电常数不同，相浓度发生变化时两相流体等效介电常数也随之改变。介电常数的变化，直接影响微波信号在流体中的传播速度，进而影响微波信号的传输时间。本发明致力于一种油水两相流持水率检测装置，减小环境变化对持水率测量的影响，为油水两相流持水率的测量提供了一种可靠的测量方法。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明所提供的基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置包括检测管3，在检测管3的两端设有两个探头安装装置，分别为第一探头安装装置1和第二探头安装装置2，在两个探头安装装置内均设有一个微波探头，即：在第一探头安装装置1内设有第一微波探头，在第二探头安装装置2内设有第二微波探头。两个探头安装装置均为圆柱形筒体结构，探头安装装置套接在检测管3的端部，微波探头对应设置在探头安装装置内，微波探头刚好覆盖检测管3的横截面。两个微波探头的几何中心处于检测管3的轴心线上，有利于信号的接收和准确处理。两个探头安装装置均由金属器材制成，防止外界信号干扰。在每个探头安装装置的端部均设有端盖4，在端盖4的中心开有导线孔，用于实现线路的贯穿。在检测管3的两端设有一层特殊的隔离物质，用于隔离检测管3内流体与检测管3端部的微波探头，以防止产生油的滞留。这一层特殊的隔离物质例如可以为橡胶、玻璃等非金属。

在检测管3的两端侧壁通过L型管道连接两个管道，所连接的两个管道可以称为上游管道和下游管道。本实施例中上游管道位于检测管3的左侧下方，下游管道位于检测管3的右侧下方，上游管道和下游管道与L型管道之间通过法兰5连接，便于安装和拆卸，而检测管3与L型管道之间可一体成型。流体可自上游管道流入检测管3内，并经检测管3后流入下游管道。

流体在检测管3内流动，检测管3两端的两个微波探头发射、接收微波信号，进行双向双边测距。对于不同相浓度的两相流，两相流的介电常数不同，微波信号在其内传播的速度也不同，因此微波信号的传输时间也不同。如图2所示，本发明由DWM通信模块采集两个微波探头所发射以及接收微波信号的时间，并将所采集的数据发送至单片机，单片机根据双向双边测距的时间数据，再结合油相介电常数、水相介电常数以及两个微波探头之间的距离即可计算得出油水两相流中的持水率。单片机可将相关计算结果上传至上位机，在人机交互界面上进行显示。供电电源用于给单片机和DWM通信模块供电。

本实施例中，微波探头采用典型带宽500MHz的DW1000射频芯片。芯片利用延时发送机理可以精确计数。它的频率范围在10GHz以下而且发射功率可调。双向双边测距方法与DW1000结合能发挥出很好的测距效果。如图2所示，微波探头发射电磁波信号经过油水两相流被另一微波探头接收，信号经DWM通信模块处理，把数据传送至单片机，单片机完成与上位机的通信，实现测距值的处理和显示。

本发明根据两个微波探头发射、接收微波信号的条件设计一个持水率测量装置，在检测管两端开一对合适的有利于信号接收的开口，微波探头嵌入探头安装装置内部，以防止信号受到外界环境干扰，同时有利于信号在管道内的传输。在检测管开口处，加入隔离物质，如特殊固体胶，将微波探头与油水分开，减少了油水滞留对仪器设备的损害及对测量精度的影响。两个微波探头之间的水平距离设定为30cm，利用微波在检测管内的传输，进行信号的发射和接收。油相与水相的介电常数不同，在持水率不同的情况下微波在检测管中的传播情况也不同，所测得的数值与持水率具有特定函数关系，因此可以通过微波信号处理得到相应的油水两相流的持水率。

本发明在两个微波探头之间形成测量路径，信号在检测管内部直射传输，从而减少多径干扰，便于测量。流体中的油相和水相的介电常数具有较大差异，可以先通过全水(或称纯水)、全油(或称纯油)实验，确定水相与油相的具体介电常数。在实验过程中通过双向双边测距算法得到两相流介电常数，根据单相介电常数可以得到各相含率。

本发明所提供的基于微波测距法的油水两相流持水率检测方法，具体包括如下步骤：

(1)、按上述描述将基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置准备完毕，在通水通油前提前打开微波探头进行测量，即：本步骤中在无流体介质的检测管内测试，观察上位机变化，进行校准。

本步骤中在检测管内不通入任何流体，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得两个微波探头之间的距离d。

如图3所示，第一微波探头首先发射第一微波信号(Signal 1)，并检测发射时间τ_AS。第一微波信号在检测管内传输后被第二微波探头所接收，第二微波探头同时记录第一微波信号的到达时间τ_BR。因为两个微波探头之间不能实现时钟同步，所以无法测出传输时间t_p。为了得到传输时间，采用双向双边测距方法进行测量。

第二微波探头接收第一微波信号后延时一段时间t_replyB，之后发射第二微波信号(Signal2)。第二微波信号在检测管内传输后被第一微波探头所接收，第一微波探头同时记录第二微波信号的到达时间τ_AR。

根据以上记录过程得到信号传输时间t_p：

2t_p＝t_roundA-t_replyB＝(τ_AR-τ_AS)-(τ_BS-τ_BR) (1)

如图3所示，第一微波探头接收第二微波信号后延时一段时间t_replyA，之后发射第三微波信号(Signal 3)。第三微波信号在检测管内传输后被第二微波探头所接收，第二微波探头同时记录第三微波信号的到达时间τ_BF。至此完成双向双边测距，测距结果计算公式如下：

4t_p＝t_roundA-t_replyB+t_roundB-t_replyA (2)

根据上述对双向双边测距原理的描述，通信模块采集第一微波信号、第二微波信号和第三微波信号的发射时间和接收时间，并把所采集到的时间数据发送至单片机，单片机根据接收到的时间数据计算微波信号在检测管中的传输时间，根据传输时间可测得两个微波探头之间的距离d。

对于检测管内不通入任何流体的情况下，微波信号在其内传播的速度约等于光速。公式(3)中C为光速。

(2)、检测管内通水测试：打开水阀门，液体以一定流速流经微波探头测量范围，待稳定后，记录时间值，即得到在检测管中通入纯水时微波信号的传输时间，作为持水率为100％时的基准。

电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速。电磁波可分为无线电波、微波、可见光等，根据电磁波传播理论，电磁波的传播速度由介电常数和磁导率决定，而不同介质的介电常数和磁导率不同，故微波在不同介质中的传播速度不同，得到电磁波传播速度与两者乘积的关系式：

式(4)中，ε为相对介电常数，v为信号传播速度，μ为相对磁导率。

磁导率是表征磁介质磁性的物理量，磁导率等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比。相对磁导率是磁导率与真空磁导率之比，一般使用磁介质的相对磁导率。在非铁磁性物质中磁导率近似等于真空磁导率，即介质相对磁导率大约等于1，因此式(4)转变为：

由式(5)可知，微波在介质中的传播速度与介质的介电常数存在根本性的关系，故只要求出传播速度，即可求得介质的介电常数。

本步骤中向检测管内通入纯水，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在纯水中的传输时间，根据步骤(1)中两个微波探头之间的距离d，结合时间、距离、速度三者之间的关系即可求得微波信号在纯水中的传输速度，然后再根据式(5)即可求出水相的介电常数ε_w。

(3)、检测管内通油测试：打开油阀门，液体以一定流速流经微波探头测量范围，待稳定后，记录时间值，即得到在检测管中通入纯油时微波信号的传输时间，作为持水率为0％时的基准。

本步骤中向检测管内通入纯油，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在纯油中的传输时间，根据步骤(1)中两个微波探头之间的距离d，结合时间、距离、速度三者之间的关系即可求得微波信号在纯油中的传输速度，然后再根据式(5)即可求出油相的介电常数ε_o。

(4)、加入不同比例的油水混合物，通过改变水油混合物相持比进行测试，测得相应数据。

本步骤其实是对油水两相流进行持水率的检测，在求持水率之前，首先可按照步骤(2)或步骤(3)中方法求得油水两相流的复合介电常数。

向检测管内通入待测的油水两相流，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，由单片机测得微波信号在油水两相流中的传输时间t_p，根据步骤(1)中两个微波探头之间的距离d，结合时间、距离、速度三者之间的关系即可求得微波信号在油水两相流中的传输速度，然后再根据式(5)即可求出油水两相流的复合介电常数ε_l。

介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数的乘积，复合介电常数在原油持水率测量中有着很大关系，油和水混合物介电常数相差比较大。根据油水混合物中油、水比例不同，可以推出油水的复合介电常数。水相介电常数和油相介电常数可通过步骤(2)、(3)两步骤测得，结合油水比例得到复合介电常数关系式：

ε₀η₀+ε_w(1-η₀)＝ε_l (6)

式(6)中，ε_o为油的相对介电常数，ε_w为水的相对介电常数，η_o为含油率，ε_l为油水两相流的复合介电常数。

在ε_o、ε_w和ε_l均已知的情况下，根据式(6)即可求得含油率η_o。

而油水两相流中的持水率η_w为η_w＝1-η_o。

Claims (8)

1.一种基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置，其特征是，包括检测管以及设置在所述检测管两端的微波探头；两个微波探头均通过通信模块与单片机相接；所述检测管内可通入待测的油水两相流，两个微波探头可通过发射、接收微波信号进行双向双边测距；所述通信模块用于将两个微波探头发射、接收微波信号的时间发送至单片机，所述单片机根据两个微波探头发射、接收微波信号的时间，同时结合油相介电常数、水相介电常数以及两个微波探头之间的距离即可计算得出油水两相流中的持水率。

2.根据权利要求1所述的基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置，其特征是，在所述检测管的两端分别设有探头安装装置，所述探头安装装置为圆柱形筒体结构；微波探头对应设置在探头安装装置内，微波探头刚好覆盖检测管的横截面。

3.根据权利要求2所述的基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置，其特征是，所述探头安装装置由金属器材制成。

4.根据权利要求1所述的基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置，其特征是，两个微波探头的几何中心处于检测管的轴心线上。

5.根据权利要求1所述的基于微波测距法的油水两相流持水率检测装置，其特征是，在所述检测管的两端设有用于隔离油水两相流与微波探头的隔离物质。

6.一种基于微波测距法的油水两相流持水率检测方法，其特征是，包括如下步骤：

a、在检测管内不通入任何流体，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得两个微波探头之间的距离d；

b、向检测管内通入纯水，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在纯水中的传输时间，根据步骤a中两个微波探头之间的距离d即可求得微波信号在纯水中的传输速度，进一步求出水相的介电常数ε_w；

c、向检测管内通入纯油，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在纯油中的传输时间，根据步骤a中两个微波探头之间的距离d即可求得微波信号在纯油中的传输速度，进一步求出油相的介电常数ε_o；

d、向检测管内通入待测的油水两相流，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，测得微波信号在油水两相流中的传输时间t_p，再结合如下公式即可求得油水两相流中的持水率：

式中：η_w是油水两相流中的持水率，η_o为油水两相流中的含油率，ε_o为步骤c中所测得的油相的介电常数，ε_w为步骤b中所测得的水相的介电常数，d为步骤a所测得的两个微波探头之间的距离，t_p为步骤d中所测得的微波信号在油水两相流中的传输时间。

7.根据权利要求6所述的基于微波测距法的油水两相流持水率检测方法，其特征是，步骤a-d中，由检测管两端的微波探头通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，具体包括如下步骤：

记录两个微波探头分别为第一微波探头和第二微波探头；

由第一微波探头发射第一微波信号，第一微波信号经过检测管内的流体后被第二微波探头所接收；第二微波探头接收到第一微波信号后延时一段时间，然后发出第二微波信号，第二微波信号经过检测管内的流体后被第一微波探头所接收；第一微波探头接收到第二微波信号后延时一段时间，然后发出第三微波信号，第三微波信号经过检测管内的流体后被第二微波探头所接收；

通信模块采集第一微波信号、第二微波信号和第三微波信号的发射时间和接收时间，并把所采集到的时间数据发送至单片机，单片机根据接收到的时间数据计算微波信号在流体中的传输时间，根据传输时间可测得两个微波探头之间的距离。

8.根据权利要求6所述的基于微波测距法的油水两相流持水率检测方法，其特征是，流体的介电常数ε与微波信号在流体中的传播速度v之间满足如下公式：