CN110568030A - 一种同轴式电容阻抗一体化传感器及其电路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种同轴式电容阻抗一体化传感器及其电路系统，包括电容传感器，所述电容传感器由外到内依次包括金属壳体、外绝缘层、内绝缘层和内金属电极；所述外绝缘层和内绝缘层之间有空隙；所述空隙内设有上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器；所述金属壳体、外绝缘层、内绝缘层、内金属电极、上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器为同轴结构。本发明能够对油水两相流流体中的持水率进行实时在线测量，同时也可以在静态条件下通过检测油水界面进行持水率的测量。

Description

一种同轴式电容阻抗一体化传感器及其电路系统
技术领域
本发明涉及相含率检测技术领域，特别是涉及一种同轴式电容阻抗一体化传感器及其电路系统。
背景技术
在石油工程中，为了提高原油开采效率，经常在油井的二次开采中采用高压注水、注聚合物的技术。但是这一过程导致油井开采以及开采后的传送过程中普遍存在油水两相流。而原油含水率的精确测量，对于确定出水或出油层位、估计产量和预测油井的开发寿命、油田的产量及质量控制、油井状态检测、提高二次采油质量等方面具有重要的作用。因此，含水率是一个很重要的检测参数，实时在线检测含水率具有十分重要的意义。
目前，电导测量法、电容测量法由于其结构简单、成本低廉、响应速度快、测量精度高被广泛应用于持水率测量。其中电容测量法针对流体中不同介电常数的差异进行两相流的分相持率测量，而电导测量法适用于连续相介质导电的两相流流体，主要针对被测量流体的电导率差异来进行相持率测量的。当同轴电容传感器置于高含水油水两相流中时，由于电导特性不能忽略，电容测量持水率会受限，而当同轴电容传感器置于油水自然分层的静态流体环境中时，同轴电容传感器对液面测量拥有较高的精确度；相对于电导传感器，针对高含水率条件下的非分层的混相动态流体环境，电导传感器能够较好地反应流体含水率的变化，但易受井下复杂环境(如水矿化度的变化，聚合物等)的影响，测量精度不尽如人意。
由此可见，为满足油田生产的实际要求，迫切需要研究一种能够更加精确测量油水两相流持水率的新设备和新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种同轴式电容阻抗一体化传感器及其电路系统，能够对油水两相流流体中的持水率进行实时在线测量，同时也可以进行液面检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种同轴式电容阻抗一体化传感器，包括电容传感器，所述电容传感器由外到内依次包括金属壳体、外绝缘层、内绝缘层和内金属电极；
所述外绝缘层和内绝缘层之间有空隙；
所述空隙内设有上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器；
所述金属壳体、外绝缘层、内绝缘层、内金属电极、上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器为同轴结构。
可选的，所述下游电极环阻抗传感器沿轴向依次包括激励一号电极环、测量一号电极环和激励二号电极环。
可选的，所述上游电极环阻抗传感器沿轴向依次包括激励三号电极环、测量二号电极环和激励四号电极环。
可选的，所述外绝缘层内壁上设有多个凹槽，用于镶嵌所述上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器。
可选的，所述传感器为圆筒状。
可选的，所述凹槽为环形。
可选的，还包括固定支架，所述固定支架一端与外绝缘层固定连接，另一端与内绝缘层固定连接。
可选的，所述固定支架为2个。
可选的，所述凹槽为6个。
一种同轴式电容阻抗一体化传感器的电路系统，应用于所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，包括：
阻抗传感器激励模块，用于对上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器产生激励恒流源；
电容传感器激励模块，用于对电容传感器进行激励；
信号处理模块，用于处理测得的电容传感器、上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器的电压信号，得到第一信号；
主控制器模块，用于根据所述第一信号计算持水率；
电源模块，用于对所述同轴式电容阻抗一体化传感器进行供电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过将同轴电容传感器与阻抗传感器进行结合，当传感器置于静态流体中时，电容传感器对油水液面进行测量；当传感器置于动态流体中时，阻抗传感器对其进行持水率测量。即本发明能够实现石油生产中管道内油水两相流持油率和持水率的动态实时在线测量和静态高精度测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种同轴式电容阻抗一体化传感器整体结构示意图；
图2是本发明一种同轴式电容阻抗一体化传感器图剖视图；
图3是一种持同轴式电容阻抗一体化传感器轴截面示意图；
图4是一种同轴式电容阻抗一体化传感器俯视图；
图5是一种同轴式电容阻抗一体化传感器电路系统模块示意图；
图中：1-金属壳体、2-外绝缘、3-内绝缘层、4-内金属电极、5-激励一号电极环、6-测量一号电极环、7-激励二号电极环、8-激励三号电极环、9-测量二号电极环、10-激励四号电极环、11-上游固定支架、12下游固定支架。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种同轴式电容阻抗一体化传感器及其电路系统，能够实现石油生产中管道内油水两相流持水率的实时在线测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图4所示，本发明一种同轴式电容阻抗一体化传感器，包括金属壳体1、外绝缘层2、激励一号电极环5、测量一号电极环6、激励二号电极环7、激励三号电极环8、测量二号电极环9、激励四号电极环10、内绝缘层3、内金属电极4，其中金属壳体1、外绝缘层2、内绝缘层3、内金属电极4构成同轴电容传感器，激励一号电极环5、测量一号电极环6、激励二号电极环7构成下游三电极阻抗传感器，激励三号电极环8、激励四号电极环10、测量二号电极环9构成上游三电极阻抗传感器，上游三电极阻抗传感器和下游三电极阻抗传感器共同组成阵列式阻抗传感器。
如图1至图4所示，本发明一种同轴式电容阻抗一体化传感器为圆筒状，由外到内依次为金属壳体1、外绝缘层2、内绝缘层3、内金属电极4。其中，外绝缘层2、金属壳体1由内到外嵌套，内绝缘层3包裹着内金属电极4，并位于传感器中心，内绝缘层3与外绝缘层2之间设置有空隙，上游固定支架11位于同轴式电容阻抗一体化传感器上端，且两端分别与内绝缘层3、外绝缘层2固定连接；下游固定支架12位于同轴式电容阻抗一体化传感器下端，且两端分别与内绝缘层3、外绝缘层2固定连接；工作时，内金属电极4与电容激励源连接，金属壳体1与地连接；上游固定支架11和下游固定支架12的材质为绝缘耐腐蚀材质，作用是将同轴电容传感器中间的轴固定在管道中间。
如图1至图4所示，本发明一种同轴式电容阻抗一体化传感器的外绝缘层2内壁上形成六个有间距的凹形环槽，每个凹形环槽内均镶嵌电极环，即激励一号电极环5、测量一号电极环6、激励二号电极环7、激励三号电极环8、测量二号电极环9、激励四号电极环10；凹形环槽之间的距离优选为激励一号电极环5和测量一号电极环6之间的距离为18mm，测量一号电极环6和激励二号电极环7之间的距离为8mm；激励四号电极环10和测量二号电极环9之间的距离为18mm，激励三号电极环8和测量二号电极环9之间的距离为8mm；其中，激励一号电极环5与激励二号电极7环为下游电极阻抗传感器的激励电极，用于为该传感器建立下游敏感电流场，测量一号电极6环为下游电极阻抗传感器的测量电极，用于获取内部流体流场信息；激励三号电极环8与激励四号电极环10为上游电极阻抗传感器的激励电极，用于为该传感器建立上游敏感电流场，测量二号电极9环为上游电极阻抗传感器的测量电极，用于获取内部流体流场信息。
如图5所示，一种同轴式电容阻抗一体化传感器的电路系统，包括：阻抗传感器激励模块、阻抗信号处理模块、电容传感器激励模块、电容信号处理模块、电源模块、定时模块和主控制器模块；
阻抗传感器激励模块用于对上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器利用波形发生器和运放产生20KHz的激励恒流源，所述阻抗传感器激励模块可以通过选通控制来控制压控交流恒流源对不同的电极环有选择性的激励，可以激励一个电极环或同时激励多个电极环；
阻抗信号处理模块包括信号调理电路、压频转换电路和信号整形电路，用于对测量一号电极和测量二号电极的电压信号进行调理、压频转换、脉宽调制等处理；
电容传感器激励模块包括电容激励电路，由振荡电路产生激励源对电容传感器进行激励；
电容信号处理模块包括信号整形电路，用于对测量的电容传感器信号进行滤波等处理；
定时模块与主控制器模块连接，利用STM8系列对同轴式电容阻抗一体化传感器的工作时间进行定时；
电源模块用于对所述同轴式电容阻抗一体化传感器进行供电。
主控制器控制模块用于根据电容信号处理模块和阻抗信号处理模块处理后的频率信号计算持水率。
其中，阻抗激励模块使用激励恒流源，电容激励模块是一个测量电容的电路，上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器由阻抗激励模块提供激励源，上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器返回来的信号为电压信号，但是经过阻抗信号处理模块后变成了频率信号，频率的大小反应电压信号的高低，所以主控器模块处理的阻抗信号为频率信号；电容激励模块一方面对电容传感器的电容大小进行测量，另一方面直接输出能够反应电容传感器电容大小的频率信号，电容信号处理模块只进行信号整形和滤波，电容传感器的测量整个过程没有电压信号，激励模块直接输出的就是频率信号，所以主控制器模块处理的电容信号也是频率信号，频率的高低反应电容传感器电容量的大小。
在进行油水两相流持水率测量时，首先对油水两相全水值进行标定，即对传感器进行标定；本发明中的电导测量部分包括上游电极阻抗传感器和下游电极阻抗传感器，上游电极阻抗传感器和下游电极阻抗传感器测量原理相同，由电导法测量原理可知，在水为连续相条件下，电导传感器的测量电极输出电压幅度与传感器内部流体的电导率成反比。当流体处于混相流动状态时，上游电极阻抗传感器与下游电极阻抗传感器处于工作状态，电容传感器处于关闭状态。开启阻抗传感器激励模块，产生阻抗激励恒流源，确保上游电极阻抗传感器与下游电极阻抗传感器正常工作；测量电极的电压信号经阻抗信号处理模块进行调理、压频转换、脉宽调制等处理；定时供电模块利用STM8系列对一体化传感器定时供电；测量一号电极6输出电压为Vm1，测量二号电极9输出电压为Vm2，全水值标定电压值Vw；以下游电极阻抗传感器为例，由阻抗法测量原理可知，在水为连续相条件下，阻抗传感器测量电极间输出电压幅度与传感器内部流体的电导率成反比，设流过传感器测量电极间油水两相流混相电导为Gm，连续水相电导为Gw，混合相电导率为σm，连续水相电导率为σw，混相时传感器输出电压为Vm(混相值)，连续水相时输出电压为Vw(全水值)，则有：
其中，σm与σw之比由Maxwell公式给出：
具体的，公式中，β为两相流中连续导电相的体积分数，在油水两相流中为持水率；持水率是指井筒某处流体中水相所占的体积分数，持水率可通过流量计获取的流量校正为含水率；公式中，全水值Fw与混相值Fm之比称为仪器相对响应；混相值在混相测量部分油水两相流体流过电导传感器时测得，全水值在全水区测得。
联立和可得：
其中，β是指井筒某处流体中水相所占的体积分数，即持水率。
本发明的电容测量部分包括金属壳体、外绝缘层、内绝缘层、内金属电极，其原理是将油水比例与电容量建立关系表达式从而得到含水率信息。当流体处于分层状态下的动静态流体环境中时，上游电极阻抗传感器与下游电极阻抗传感器处于关闭状态，电容传感器处于工作状态。电容传感器激励模块开启，产生电容激励源，确保电容传感器正常工作；电容信号处理模块对其频率信号进行滤波等处理；当电容传感器置于全油相环境中时输出频率为Vo；当电容传感器置于全水相环境中时输出频率为Vw；当电容传感器置于待测的油水分层状态下的动静态流体环境中时，输出频率为Vc，设定此时电容的内金属电极的半径为r，包裹电极的内绝缘层半径为R1，绝缘材料的相对介电常数为εr1，外绝缘层外表面的半径为R2，内表面半径为R3，相对介电常数为εr1，外绝缘层与内绝缘层之间的电介质的相对介电常数为εr2，高度为H,油相的相对介电常数为εoil，水相的相对介电常数为εwater，真空的介电常数为ε0。
全油电容参数值：Vo＝AH
全水电容参数值：Vw＝BH
持水率0～100％情况：
通过流体电容确定流体持水率为：
其中，yw为油水两相流中的持水率，Cm为油水两相流流体的电容值，Hw为油水两相流中液面高度，Cw为全水时的电容值，Co为全油时的电容值A,B,CW,CO用于将持水率与流体之间建立起关系表达式，由此可以得到流体持水率信息。
本发明还公开了如下技术效果：
本发明结合了同轴电容传感器与电导传感器(即阻抗传感器)持水率测量的优点，当传感器置于静态的流体中时，电容传感器对油水液面进行测量；当传感器置于动态的流体中时，电导传感器对其进行持水率测量。本传感器的克服了传统电容传感器和电导传感器应用的局限，扩展了测量领域，能够用于石油生产中管道内油水两相流持油率或者持水率的动态实时在线测量和静态高精度测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，包括电容传感器，所述电容传感器由外到内依次包括金属壳体、外绝缘层、内绝缘层和内金属电极；
所述外绝缘层和内绝缘层之间有空隙；
所述空隙内设有上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器；
所述金属壳体、外绝缘层、内绝缘层、内金属电极、上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器为同轴结构。
2.根据权利要求1所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，所述下游电极环阻抗传感器沿轴向依次包括激励一号电极环、测量一号电极环和激励二号电极环。
3.根据权利要求1所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，所述上游电极环阻抗传感器沿轴向依次包括激励三号电极环、测量二号电极环和激励四号电极环。
4.根据权利要求1所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，所述外绝缘层内壁上设有多个凹槽，用于镶嵌所述上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器。
5.根据权利要求1所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，所述传感器为圆筒状。
6.根据权利要求4或5所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，所述凹槽为环形。
7.根据权利要求1所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，还包括固定支架，所述固定支架一端与外绝缘层固定连接，另一端与内绝缘层固定连接。
8.根据权利要求1所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，所述固定支架为2个。
9.根据权利要求4所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，所述凹槽为6个。
10.一种同轴式电容阻抗一体化传感器的电路系统，应用于如权利要求1-9任一项所述的同轴式电容阻抗一体化传感器，其特征在于，包括：
阻抗传感器激励模块，用于对上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器产生激励恒流源；
电容传感器激励模块，用于对电容传感器进行激励；
信号处理模块，用于处理测得的电容传感器、上游电极环阻抗传感器和下游电极环阻抗传感器的电压信号，得到第一信号；
主控制器模块，用于根据所述第一信号计算持水率；
电源模块，用于对所述同轴式电容阻抗一体化传感器进行供电。
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