CN112666185B - 基于微波透射法的远程原油含水率测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波透射法的远程原油含水率测量装置及其测量方法。本发明的测量含水率装置，其结构设计简单，包括X波段微波射频系统，喇叭天线，单片机和封装外壳；12V电源为X波段微波射频系统供电，该系统产生9.37GHz的微波信号，经过圆弧口径喇叭收发信号，并将信号特征参数输入单片机，单片机进行数据处理，通过WiFi连接云服务器，将数据传输到PC机和手机APP上，实现工业现场的远程含水率监测。本发明可实现远程在线含水率测量，简化工人操作，具有广泛的应用前景。

Description

基于微波透射法的远程原油含水率测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于原油含水率测量技术领域，尤其涉及一种基于微波透射法的远程原油含水率测量装置及其测量方法。

背景技术

微波透射法是测量含水率较为普遍的方法之一。由于微波作用下，水的介电常数比油大很多，微波穿过含水的原油后，微波能量很大一部分被水分吸收和散射，因此通过建立微波能量损耗值和含水率之间的数值关系，即可通过微波能量损耗值反推原油含水率。

工业现场输油管道为无缝钢管(内径62mm，外径73mm)，微波无法穿透金属；矩形喇叭天线无法与钢管贴合，一部分微波泄露到空气中。

原油开采现场地处偏远，一般由一到两位工人驻守开采现场，定时现场采集原油，进行含水率检测，费时费力。

云服务器为了更好地提供服务，不会允许设备24小时在线登录，会对一部分设备进行下线处理，实时监测难度较大。

发明内容

本发明的目的在于简化工人操作，实现原油含水率高精度，远距离，实时传输，提供一种基于微波透射法的远程原油含水率测量装置及其测量方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，包括X波段微波射频系统、喇叭天线和单片机；喇叭天线包括发射端的喇叭天线和接收端的喇叭天线，测量时，两个喇叭天线呈180°布置在测量油管的周向上，X波段微波射频系统用于产生微波信号，包括锁相信号源，锁相信号源之后连接由可变增益放大器、信号功率放大器、耦合器、检波器和低通滤波器组成的闭合回路，耦合器将功率放大后的信号传输到检波器和低通滤波器，可变增益放大模块通过电压信号的变化调整增益值，保证微波信号发射主路功率大于等于20dBm；微波信号经过隔离器和耦合器将微波信号分成两路，一路经过检波器和低通滤波器输入信号处理电路，另一路由发射端的喇叭天线发送，经过隔离器，由接收端的喇叭天线接收，经过检波器和低通滤波器输入信号处理电路；信号输出进入单片机，然后将数据发送到云服务器，进行含水率实时检测。

本发明进一步的改进在于，X波段微波射频系统由12V电源供电。

本发明进一步的改进在于，X波段微波射频系统用于产生9.37GHz的微波信号。

本发明进一步的改进在于，单片机采用STM3F103单片机，STM3F103单片机通过AD转换芯片和ESP8266芯片将数据发送到云服务器。

本发明进一步的改进在于，单片机利用实验所得数据三次样条曲线插值拟合的曲线，计算含水率，并通过云服务器Onenet将数据在PC端和手机APP端以数值和曲线的形式展现出来，且传输数据实时显示；工作时，判断单片机是否与云服务器Onenet建立连接，通过独立看门狗定时，在设定时间后自动重连服务器Onenet。

本发明进一步的改进在于，该装置除两个喇叭天线外，均封装在封装外壳内，且封装后的整体尺寸为263*182*95mm。

本发明进一步的改进在于，X波段微波射频系统通过射频SMA-50KF接头接入喇叭天线。

本发明进一步的改进在于，测量油管为与原油输油管连接的聚四氟乙烯管。

本发明进一步的改进在于，喇叭天线选择波导型号为BJ100，尺寸确定如下：BJ100长度a＝22.86mm，宽b＝10.16mm，传输微波信号波长λ＝32mm，根据以下公式得到：

其中，A为矩形喇叭口径长边，B为矩形喇叭口径短边，ε_ap取50％，G为喇叭增益。

基于微波透射法的远程原油含水率测量方法，该方法基于所述的基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，包括如下步骤：

步骤1：在出油口处外接尺寸相匹配的测量油管，测量油管和原油输油管采用螺纹配合；

步骤2：将喇叭天线无缝贴合测量油管，并固定；两个喇叭天线安装角度为180度，保证喇叭口径对中；

步骤3：X波段微波射频系统产生的微波信号经过发射端的喇叭天线发射，测量油管内含水原油的吸收，以及接收端的喇叭天线接收，发射与接收两路信号通过单片机数据处理，发送数据至云服务器，在移动终端上呈现曲线图和相关数据，实时监测含水率变化。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，X波段射频系统可以稳定发射主路功率大于等于20dBm的微波信号，保证发射端电压值的稳定性，对微波信号衰减值的测量更加精确，从而提高含水率测量准确度；同时，圆弧口径喇叭天线性能参数满足要求，如图2所示，增益值为15dB，减少了传输过程中微波能量的损耗，使得衰减值测量准确；喇叭天线回波损耗值为12dB，符合一般天线回波损耗设计大于10dB的要求，微波经过喇叭天线传输，使得能量大部分穿过被测液体，很少被反射，增加衰减值测量的准确性；喇叭天线尺寸设计合理，可以无缝贴合管壁，减少微波在空气中的泄露，喇叭天线对中放置可保证微波可以全部穿过油管内液体，可提高信号衰减值的测量，进一步提高含水率测量准确度。

本发明提供的基于微波透射法的远程原油含水率测量方法，通过实验定标，得出含水率和微波衰减值(以电压差值的形式展现)的数值关系，利用三次样条曲线拟合数据点，如图5所示，将函数等式输入单片机，微波穿过液体得出电压差值，代入公式中可在单片机LCD屏幕上实时显示含水率，通过ESP8266芯片，含水率可实时传输至云端，云端将数据实时传输给用户端(APP和网页端)。独立看门狗时钟的设定使得含水率测量系统可以长时间保持在线测量含水率，做到了实时检测原油含水率概况。

附图说明

图1是圆弧口径喇叭的三维模型示意图；

图2是利用HFSS天线仿真软件得出的圆弧口径喇叭性能参数图；其中图2(a)是喇叭天线增益曲线图，图2(b)是喇叭天线回波损耗曲线图；

图3是用户终端(网页端和手机APP端)含水率曲线示意图；

图4是X波段微波射频系统结构示意图；

图5是实验数据拟合曲线示意图；

图6是含水率传输流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

X波段微波射频系统的射频SMA-50KF接头需要接入喇叭天线，X波段微波射频系统产生9.37GHz的微波信号，通过SMA-50KF接头连线将微波传输给发射端的喇叭天线，接收端的喇叭天线可以吸收微波信号，发射信号与接收信号能量的差值通过X波段微波射频系统内置的检波器转化为电压信号。

STM32F103开发板内置AD转换芯片，可将电压信号转换为电压值，经过内置拟合程序的转换，计算含水率，并通过ESP8266芯片连接WiFi信号，将数据传输到云服务器Onenet，云服务器将数据传输到PC端网页和手机端APP，实现远距离实时监测含水率。

工业现场原油输油管采用无缝钢管(内径62mm，外径73mm)，测量原油含水率需要在钢管出油口外接匹配的聚四氟乙烯管，与无缝钢管的尺寸相匹配，圆弧口径喇叭的规格按照如下方式确定：

由传输9.37GHz的微波信号，波长为λ＝32mm，选择工作频率在8.2GHz-12.5GHz的波导BJ100(a＝22.86mm,b＝10.16mm)；

由钢管尺寸内径62mm，喇叭必须完全贴合管壁，且保证微波信号全部穿过管壁，喇叭口径应制作为圆弧状，且保证喇叭性能参数符合标准。

具体来说，喇叭天线选择波导型号为BJ100，由矩形喇叭改造所得，尺寸确定如下：BJ100长度a＝22.86mm，宽b＝10.16mm，传输微波信号波长λ＝32mm，根据以下公式得到：

其中，A为矩形喇叭口径长边，B为矩形喇叭口径短边，ε_ap取50％，G为喇叭增益。

通过HFSS天线仿真软件，得出当增益G＝15dB的时候，喇叭口径长边A＝82.4mm，喇叭口径短边B＝62.5mm，角锥部分长51.1mm，矩形部分长40mm，同轴馈电线长19mm，微波必须全部穿过内径62mm的管道，才能准确测量管道内部含水率，短边62.5mm的矩形喇叭可以满足要求。矩形喇叭改造为圆弧口径喇叭，通过三维建模软件SolidWorks建模，通过圆柱面切削喇叭口径面，圆柱底面直径为73mm，圆心距离喇叭口径面19mm。如图1所示。

喇叭性能参数符合要求，微波频率为9.37GHz时，回波损耗达到-12dB,增益为15dB,如图2所示。

如图6所示，STM32F103单片机ADC采用同步规则模式，通过使能DMA，进行双通道同时数据采集，将发射端和接收端喇叭的电压信号进行同步采集并做差值，代入拟合公式进行含水率的计算。ESP8266芯片基于MQTT协议，与云服务器Onenet进行通信，传输实时含水率，在网页端以曲线图的形式展现，同时手机APP也可显示实时含水率。由于Onenet为免费开源服务器；系统会定时使一部分设备下线，为保持系统长时间在线，该系统判断单片机是否与云服务器建立连接，通过独立看门狗定时，在一定时间后自动重连服务器，继续对含水率进行传输。

本发明提供的基于微波透射法的远程原油含水率测量方法，具体步骤如下：

步骤1：将喇叭固定到输油管上，设备上电，X波段微波射频系统产生9.37GHz的微波信号，如图3所示；

步骤2：发射端圆弧口径喇叭发送微波信号，接收端圆弧口径喇叭可以吸收微波信号，发射信号与接收信号能量的差值通过X波段微波射频系统内置的检波器转化为电压信号，经过STM32F103单片机内置程序转换为含水率，在LCD屏幕显示，并将含水率发送至云服务器Onenet；

步骤3：云服务器Onenet接收数据，传输到网页端和手机APP端，将数据流以曲线的形式展示出来，并可以通过表格的形式导出，便于数据处理。

实施例

如图5所示，微波振荡源产生微波信号，配合锁相环组成锁相环信号源，保证微波发射频率满足9.37GHz；可变增益放大器，耦合器，检波器和低通滤波器组成一个闭环，保证发射功率大于等于20dB；隔离器克防止微波信号回传；在发射部分和接收部分通过SMA-50KF接头连接喇叭天线，通过耦合器将传输微波信号经过检波器和低通滤波器转化为电压信号，将信号通过DB25串口线输出。

发射部分和接收部分的电压信号经过STM32F103开发板内置ADC，将电压信号转化为电压值，通过实验配比10％，20％，30％，40％，50％，70％，100％含水的原油，得出相应的电压差值，利用三次样条曲线拟合得出相应的数值关系式，在现场测试得到电压信号，即可带入已有关系式，得出含水率。

含水可在LCD屏幕显示，并通过ESP8266芯片将含水率数据传输发送至云服务器Onenet，服务器Onenet接收数据，传输到网页端和手机APP端，将数据流以曲线的形式展示出来，并可以通过表格的形式导出，便于数据处理。

本发明的优点如下：

X波段射频系统可以稳定发射主路功率大于等于20dBm的微波信号，保证发射端电压值的稳定性，对微波信号衰减值的测量更加精确，从而提高含水率测量准确度；

圆弧口径喇叭天线的设计，使得天线可以无缝贴合管壁，减少微波在空气中的泄露，微波可以全部穿过油管内液体，可提高信号衰减值的测量，进一步提高含水率测量准确度；

独立看门狗时钟的设定使得含水率测量系统可以长时间保持在线测量含水率，做到了实时检测原油含水率概况。

Claims (6)

1.基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，其特征在于，包括X波段微波射频系统、喇叭天线和单片机；

喇叭天线包括发射端的喇叭天线和接收端的喇叭天线，测量时，两个喇叭天线呈180°布置在测量油管的周向上，X波段微波射频系统用于产生微波信号，包括锁相信号源，锁相信号源之后连接由可变增益放大器、信号功率放大器、耦合器、检波器和低通滤波器组成的闭合回路，耦合器将功率放大后的信号传输到检波器和低通滤波器，可变增益放大模块通过电压信号的变化调整增益值，保证微波信号发射主路功率大于等于20dBm；微波信号经过隔离器和耦合器将微波信号分成两路，一路经过检波器和低通滤波器输入信号处理电路，另一路由发射端的喇叭天线发送，经过隔离器，由接收端的喇叭天线接收，经过检波器和低通滤波器输入信号处理电路；信号输出进入单片机，然后将数据发送到云服务器，进行含水率实时检测；

X波段微波射频系统用于产生9.37GHz的微波信号；

单片机采用STM3F103单片机，STM3F103单片机通过AD转换芯片和ESP8266芯片将数据发送到云服务器；

单片机利用实验所得数据三次样条曲线插值拟合的曲线，计算含水率，并通过云服务器Onenet将数据在PC端和手机APP端以数值和曲线的形式展现出来，且传输数据实时显示；工作时，判断单片机是否与云服务器Onenet建立连接，通过独立看门狗定时，在设定时间后自动重连服务器Onenet；

喇叭天线选择波导型号为BJ100，尺寸确定如下：BJ100长度a＝22.86mm，宽b＝10.16mm，传输微波信号波长λ＝32mm，根据以下公式得到：

其中，A为矩形喇叭口径长边，B为矩形喇叭口径短边，ε_ap取50％，G为喇叭增益。

2.根据权利要求1所述的基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，其特征在于，X波段微波射频系统由12V电源供电。

3.根据权利要求1所述的基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，其特征在于，该装置除两个喇叭天线外，均封装在封装外壳内，且封装后的整体尺寸为263*182*95mm。

4.根据权利要求1所述的基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，其特征在于，X波段微波射频系统通过射频SMA-50KF接头接入喇叭天线。

5.根据权利要求1所述的基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，其特征在于，测量油管为与原油输油管连接的聚四氟乙烯管。

6.基于微波透射法的远程原油含水率测量方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至5中任一项所述的基于微波透射法的远程原油含水率测量装置，包括如下步骤：

步骤1：在出油口处外接尺寸相匹配的测量油管，测量油管和原油输油管采用螺纹配合；

步骤2：将喇叭天线无缝贴合测量油管，并固定；两个喇叭天线安装角度为180度，保证喇叭口径对中；

步骤3：X波段微波射频系统产生的微波信号经过发射端的喇叭天线发射，测量油管内含水原油的吸收，以及接收端的喇叭天线接收，发射与接收两路信号通过单片机数据处理，发送数据至云服务器，在移动终端上呈现曲线图和相关数据，实时监测含水率变化。

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