CN110261411A - 一种基于微波透射法的原油含水率检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波透射法的原油含水率检测装置及检测方法，包括微波信号源，微波信号源产生的微波信号通过调制器的调制后，经发射部分入射进入到油管内，通过油管中油水混合液的衰减后，由接收部分接收，接收部分将接收到带有含水率信息的微波信号发送给相敏检波器，相敏检波器将结果输出给控制部分，控制部分根据含水率信息结合现有模型推算出原油的含水率。本发明操作简单，显示方便，采用法兰盘连接便于拆卸，能够实现原油含水率的快速检测；能够实现有压环境的实时在线监测，可以把所有计量数据实现本地显示；最后，本发明测量精度高、范围广，抗干扰能力强，且成本较低，在原油含水检测方面有着广阔的应用前景。

Description

一种基于微波透射法的原油含水率检测装置及检测方法

【技术领域】

本发明属于原油含水率测量技术领域，涉及一种基于微波透射法的原油含水率检测装置及检测方法。

【背景技术】

原油含水率作为石油开采与石化行业的重要参数，其准确测量关系到原油的采出、脱水、集输、计量、贸易、炼化等。在油田生产中，原油含水率对原有产量的估计、出油位置、油井开发寿命的预测、采油自动化的管理等方面具有重要的意义；在油库的日常收油发油生产作业、加油站售出油料的过程中，对油品的含水率进行实时、准确的测量，则为保障油品交换接收准确性的关键。因此在油田原油的生产和集输、外输过程中都必须测量原油含水率。

目前在石油行业中，普遍使用的仍然是传统的定时取样蒸馏化验的人工方法，例如专利技术CN201220469941.6。这种检测方法精度相对较高，但取样时间长，无在线性，取样随机性大，人为误差大，费时费力，不能满足油田生产在线测量的要求。目前可在线测量含水率的主要方法有：电容法、射频法、短波吸收法、射线法、微波法等，其特点、适用范围、测量精度等各不相同。

微波检测技术是在微波电子学和微波测量技术等辈础上发展起来的一门新技术，由于介质对微波有反射、透射、散射、谐振和多普勒效应等物理特性，可以通过空间辐射的方式与介质发生相互作用，测量过程中传感器可以不与被测物质接触，非常适合于在线无损检测。

在微波作用下，水的介电常数比原油大很多，基于油和水之间介电常数ε的明显差异，油水混合物的复合介电常数主要取决于水决定，而水在微波波段呈现宽带旋转松弛作用，微波被水分子强烈的吸收和散射，所以经过油水混合物后微波的能量衰减主要由水分引起，因此测量通过待测样品后微波能量的衰减值即可以间接计算得出混合物质的含水率，这就是微波透射衰减法测原油含水率的基本原理。因此，通过测量微波的功率衰减、相位变化、谐振频率等与介电常数相关的物理量，就可间接测量计算出物质的含水率。

专利技术CN201120152663.7设计了一种自动定标的微波法油品水分测量装置，可用于中高含水率的原油水分测量。但遗憾地是，该专利只设计了微波测量硬件部分，而未考虑信号处理以及控制部分。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于微波透射法的原油含水率检测装置及检测方法，利用微波技术，通过同时检测微波透射波与反射波的幅值与相位变化，结合单片机内部算法，实现对粮食含水率的快速高精度的在线式无损检测，实现了油井计量的实时性、自动化管理。其结构简明，易于操作，测量精度高、范围广，抗干扰能力强，且成本较低，在原油含水检测方面有着广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于微波透射法的原油含水率检测装置，包括微波信号源，微波信号源产生的微波信号通过调制器的调制后，经发射部分入射进入到油管内，通过油管中油水混合液的衰减后，由接收部分接收，接收部分将接收到带有含水率信息的微波信号发送给相敏检波器，相敏检波器将结果输出给控制部分，控制部分根据含水率信息结合现有模型推算出原油的含水率。

本发明进一步的改进在于：

调制器的输出端连接有吸收式电调衰减器，用于避免相敏检波器接收到信号功率过大而烧毁。

衰减器的输出端连接有隔离器，用于阻隔天线端反射接收回来的信号倒灌入微波信号源内。

相敏检波器上还连接有用于吸收透射波功率，保证传输系统的终端不产生反射的匹配负载。

控制部分包括主控模块、显示模块、GPRS无线发送模块以及电源模块；主控模块采用STM32F407ZGT6芯片，通过内置程序对输入数字信号进行处理，得出相应的含水率，并将结果输出至显示模块，同时通过GPRS无线发送模块与上位机进行通讯。

发射部分、接收部分以及油管均设置于箱体内；显示模块采用LCD显示器，安装于箱体的侧面上；油管的两端位于箱体外，并通过法兰盘与前后节管道相连；发射部分通过发射天线将微波信号发射到油管内，接受部分通过接收天线接收带有含水率信息的微波信号。

箱体上还设置有用于管理原油含水率检测装置启动排油和同步排油情况的刷卡器。

油管采用聚四氟乙烯管。

接收天线上还设置有用于当设备在出现异常排油时发出警报的报警器。

一种基于微波透射法的原油含水率检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将抽油井口原油经过混相器预处理，达到均匀、能够流动的状态，注入油管内；

步骤2：微波信号源发射100mW，9.4GHz的微波信号，经过调制器后入射到油管内的油水混合液中；

步骤3：透射后的微波信号带有样品含水率信息，并被接收端的天线接收，发送给控制部分；通过检波器检测后获得相关数据，比对原先实验所得的标准数据来判断原油是否输入，如果设定时间内没有原油输的数据或者数据异常，则自动关闭闸口，调整抽油机的冲程和冲次；

步骤4：控制部分根据其接收到信号大小和已有模型推算出原油的含水率，将电压值和含水率值在LCD上实时显示，同时通过GPRS-DTU传输到上位机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于微波透射法的原油含水率检测装置操作简单，显示方便，采用法兰盘连接便于拆卸，能够实现原油含水率的快速检测；当检测到没有原油抽出时，可自动关闭闸口，适当调整抽油机的冲程和冲次；本发明能够实现有压环境的实时在线监测，不仅可以把所有计量数据实现本地显示，另外通过无线发送模块把数据集中传输显示在中控计算机上自动导出生产表格，便于集中生产管理。

进一步的，本发明将隔离材料合理设计成四分之一波长的聚四氟乙烯匹配材料，既能够满足压力条件，还能保证电磁能量尽可能多地穿透隔离材料进入油水混合液中，可以降低系统的传输损耗。

进一步的，本发明采用垂直透射方式，可以有效减小油水分层带来的影响。

本发明基于微波透射法的原油含水率检测方法，将采集的模拟量信号进行A/D转换，转换为相应的数字信号并传送至CPU，计算过后通过LCD实现本地显示。另外外通过另配GPRS DTU无线发送模块的方式把数据集中传输显示在中控计算机上，便于集中生产管理，数据可与油田日度采集系统结合或者可自动导出生产表格。将测量结果在现场显示并通过远传至电脑，形成GPS定位图可查看所有罐目前情况，形成日度、周度、年度、累计产液、油、水、综合含水报表。系统设定采油工、技术员、管理人员等不同岗位权限。

进一步的，本发明可实现清洁预警功能，在停工时段检测到示数较初始值有所变动，可拆卸法兰盘清洗管壁的结蜡与污垢；通过管理所记录的采油数据，生成日、月对比曲线图，在使用阶段进行定时对比，如果检测数值超过阀值参数上限，则提醒用户进行清洁管壁结蜡与污垢。清洁方式可以通过拆卸法兰盘进行管壁清洁。避免因检测设备故障导致停工所引起的经济损失。

【附图说明】

图1是基于微波透射法的设计框图；

图2是基于微波透射法的三维设计图；

图3是基于微波透射法的信号采集设计图；

图4是基于微波透射法的上位机拓扑图。

其中：1-微波信号源；2-调制器；3-衰减器；4-隔离器；5-发射天线；6-接收天线；7-油管；8-相敏检波器；9-主控模块；10-显示模块；11-匹配负载；12-法兰盘；13-箱体；14-LCD显示器；15-报警器；16-接收部分；17-刷卡器；18-发射部分；19-聚四氟乙烯管。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明基于微波透射法的原油含水率检测装置，包括微波信号源1，微波信号源1产生的微波信号通过调制器2的调制后，经发射部分18入射进入到油管7内，通过油管中油水混合液的衰减后，由接收部分16接收，接收部分16将接收到带有含水率信息的微波信号发送给相敏检波器8，相敏检波器8将结果输出给控制部分，控制部分根据含水率信息结合现有模型推算出原油的含水率。

调制器2的输出端连接有吸收式电调衰减器3，用于避免相敏检波器8接收到信号功率过大而烧毁。衰减器3的输出端连接有隔离器4，用于阻隔天线端反射接收回来的信号倒灌入微波信号源1内。相敏检波器8上还连接有用于作为微波的终端负载，用来全部吸收透射波功率，保证传输系统的终端不产生反射的匹配负载11。

控制部分包括主控模块、显示模块10、GPRS无线发送模块以及电源模块；主控模块采用STM32F407ZGT6芯片，通过内置程序对输入数字信号进行处理，得出相应的含水率，并将结果输出至显示模块10，同时通过GPRS无线发送模块与上位机进行通讯。

如图2所示，发射部分18、接收部分16以及油管7均设置于箱体13内；显示模块10采用LCD显示器14，安装于箱体13的侧面上；油管7的两端位于箱体13外，并通过法兰盘12与前后节管道相连；发射部分18通过发射天线5将微波信号发射到油管7内，接受部分18通过接收天线6接收带有含水率信息的微波信号。箱体13上还设置有用于管理原油含水率检测装置启动排油和同步排油情况的刷卡器17。油管7采用聚四氟乙烯管。接收天线6上还设置有用于设备在出现异常排油时发出警报的报警器15。

本发明的工作原理：

微波测量：

微波振荡源的信号通过天线发射出去，然后穿过匹配材料进入到油管内。电磁波经油管中油水混合液的衰减后再由接收端天线接收，接收到的信号再经过相敏检波器检测，最后对检测出的电压值进行处理并显示。根据相敏检波器输出电压进行可反推油管中混合液的含水率。

微波振荡源产生频率为9.4GHz，输出功率为100MW。由于低含水率时系统衰减较小，这时相敏检波器接收到的电磁波功率较大，所以振荡源后接一个吸收式电调衰减器，避免相敏检波器接收到信号功率过大而烧毁。衰减器后接了隔离器，可以阻隔天线端反射接收回来的信号倒灌入微波信号源内，从而保证信号源的正常工作。隔离器后接的传感器是螺旋天线，螺旋天线的增益高、定向性好，可有效降低天线本身的收发路径损耗，从而扩大系统测量量程。微波振荡源的信号通过天线发射出去，然后穿过匹配材料进入到油管内。电磁波经油管中油水混合液的衰减后再由接收端天线接收，接收到的信号再经过相敏检波器检测，最后对检测出的电压值进行处理并显示。根据相敏检波器输出的电压可反推油管中混合液的含水率。

数据采集：

主要通过综合换算仪可以把所有计量数据在本地显示，另外通过无线发送模块的方式把数据集中传输显示在中控计算机上，便于集中生产管理，数据可与油田日度采集系统结合或者可自动导出生产表格。并且形成GPS定位图可查看所有罐目前情况。系统设定采油工、技术员、管理人员等不同岗位权限。

信号处理部分主要由选频放大模块、相敏检波模块、A/D转换模块组成。选频放大模块是使用的二阶滤波器电路。该电路由三个集成运算放大器单元及一些无源元件组成，其通带增益、中心频率及频率选择性均可分别调整，调试和使用都较方便。相敏检波器具有良好的窄带选频特性及选相特性。它不但能抑制与有效信号不同频率的噪声干扰，还能有效地抑制与有效信号同频率而不同相位的各种信号。相敏检波能大幅度地抑制噪声，提高灵敏度和信噪比，是微弱信号测量的有效技术。A/D转换模块将电压模拟信号转换成数字信号送至控制部分。

控制部分主要由主控模块、LCD显示模块、GPRS无线发送模块以及电源模块组成。主控模块采用STM32F407ZGT6芯片，通过内置程序对输入数字信号进行处理，得出相应的含水率，LCD上实时显示，同时可以通过GPRS-DTU传输到上位机。LCD显示模块由LCD1602及其外围电路组成，用于测得电压值及含水率的显示。GPRS无线发送模块用于与上位机的通信。电源模块用于微波信号源、信号处理模块供电。

本发明能够实现有压环境的实时在线监测，将采集的模拟量信号进行A/D转换，转换为相应的数字信号并传送至CPU，计算过后通过LCD实现本地显示。另外外通过另配GPRSDTU无线发送模块的方式把数据集中传输显示在中控计算机上，便于集中生产管理，数据可与油田日度采集系统结合或者可自动导出生产表格。将测量结果在现场显示并通过远传至电脑，形成GPS定位图可查看所有罐目前情况，形成日度、周度、年度、累计产液、油、水、综合含水报表。系统设定采油工、技术员、管理人员等不同岗位权限。

管理所记录的采油数据，生成日、月对比曲线图，在使用阶段进行定时对比，如果检测数值超过阀值参数上限，则提醒用户进行清洁管壁结蜡与污垢。清洁方式可以通过拆卸法兰盘进行管壁清洁。避免因检测设备故障导致停工所引起的经济损失。

如图3所示，上位机系统的主要作用是：(1)主界面提供主要的人机交互界面和进入各功能模块的入口；(2)数据的采集和存储将传感器测量和传输的实时数据不失真的进行采集,同时将采集的实时数据(按照十进制数字的形式)存储在计算机中；(3)数据回放读取计算机中已存储的数据文件，将数据以图形形式在计算机中显示给用户查看，最后进行后期分析

如图4所示，基于微波透射法的原油含水率检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将抽油井口原油经过混相器预处理，达到均匀、能够流动的状态，注入油管7内；

步骤2：微波信号源1发射100mW，9.4GHz的微波信号，经过调制器2后入射到油管7内的油水混合液中；

步骤3：透射后的微波信号带有样品含水率信息，并被接收端的天线接收，发送给控制部分；

步骤4：控制部分根据其接收到信号大小和已有模型推算出原油的含水率，将电压值和含水率值在LCD上实时显示，同时通过GPRS-DTU传输到上位机。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，包括微波信号源(1)，微波信号源(1)产生的微波信号通过调制器(2)的调制后，经发射部分(18)入射进入到油管(7)内，通过油管中油水混合液的衰减后，由接收部分(16)接收，接收部分(16)将接收到带有含水率信息的微波信号发送给相敏检波器(8)，相敏检波器(8)将结果输出给控制部分，控制部分根据含水率信息结合现有模型推算出原油的含水率。

2.根据权利要求1所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，调制器(2)的输出端连接有吸收式电调衰减器(3)，用于避免相敏检波器(8)接收到信号功率过大而烧毁。

3.根据权利要求2所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，衰减器(3)的输出端连接有隔离器(4)，用于阻隔天线端反射接收回来的信号倒灌入微波信号源(1)内。

4.根据权利要求2所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，相敏检波器(8)上还连接有用于吸收透射波功率，保证传输系统的终端不产生反射的匹配负载(11)。

5.根据权利要求1所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，控制部分包括主控模块、显示模块(10)、GPRS无线发送模块以及电源模块；主控模块采用STM32F407ZGT6芯片，通过内置程序对输入数字信号进行处理，得出相应的含水率，并将结果输出至显示模块(10)，同时通过GPRS无线发送模块与上位机进行通讯。

6.根据权利要求1所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，发射部分(18)、接收部分(16)以及油管(7)均设置于箱体(13)内；显示模块(10)采用LCD显示器(14)，安装于箱体(13)的侧面上；油管(7)的两端位于箱体(13)外，并通过法兰盘(12)与前后节管道相连；发射部分(18)通过发射天线(5)将微波信号发射到油管(7)内，接受部分(18)通过接收天线(6)接收带有含水率信息的微波信号。

7.根据权利要求6所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，箱体(13)上还设置有用于管理原油含水率检测装置启动排油和同步排油情况的刷卡器(17)。

8.根据权利要求1或6所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，油管(7)采用聚四氟乙烯管。

9.根据权利要求6所述的基于微波透射法的原油含水率检测装置，其特征在于，接收天线(6)上还设置有用于当设备在出现异常排油时发出警报的报警器(15)。

10.一种采用权利要求1任意一项所述装置的基于微波透射法的原油含水率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将抽油井口原油经过混相器预处理，达到均匀、能够流动的状态，注入油管(7)内；

步骤2：微波信号源(1)发射100mW，9.4GHz的微波信号，经过调制器(2)后入射到油管(7)内的油水混合液中；

步骤3：透射后的微波信号带有样品含水率信息，并被接收端的天线接收，发送给控制部分；通过检波器检测后获得相关数据，比对原先实验所得的标准数据来判断原油是否输入，如果设定时间内没有原油输的数据或者数据异常，则自动关闭闸口，调整抽油机的冲程和冲次；

步骤4：控制部分根据其接收到信号大小和已有模型推算出原油的含水率，将电压值和含水率值在LCD上实时显示，同时通过GPRS-DTU传输到上位机。