CN113075238B - 一种高压环境下的微波含水率测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种高压环境下的微波含水率测试装置及其测试方法，属于含水率测试技术领域。该装置通过设计耐高压的测试夹具，利用渐变槽天线作为接收发送单元，将管道含水率的变化转换成对天线传输系数的影响，通过时域选通技术滤除电磁波的多次反射信号，从而得到传输系数和流体含水率的关系，实现高压环境下管道含水率的实时检测，并且该装置测试范围宽、精度高。

Description

一种高压环境下的微波含水率测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于含水率测试技术领域，涉及一种微波含水率实时测试装置，具体涉及一种高压环境下利用时域选通技术的微波含水率实时检测装置及其测试方法。

背景技术

含水率是石油化工业的重要检测对象。对于油井、气井而言，含水率测试可以有效降低开采与输运能耗，同时提高设备生命周期和生产效率。因此，准确实时获取高压环境下的含水率，对管道的维护和管理有着至关重要的意义。

目前，针对高压环境下的管道含水率实时检测，传统的测试方法有电容法和电导法；电容法是通过测试传感器通入流体时的电容值来计算含水率，而当含水率高于50％以上，流体表现出导电性，难以准确测试电容值，存在含水率测试的局限性；电导法是通过测试传感器通入流体的电导值来计算含水率，当含水率较低时，流体表现出绝缘性，同样难以测试其电导值。专利号为CN101865873B的“一种原油含水率电容电导测试仪”专利中将传统的电容法和电导法相结合，实现优势互补，可以测试低含水率和高含水率的情况。但是，这种方式需要获取电容和电导两种参数，测试系统设计更加复杂。

微波因工作频带宽、灵敏性好，被广泛用于通信领域。目前，也有不少学者将微波用于流体含水率测试中，其优势在于灵敏性高，能同时应付高含水率和低含水率的情况。例如，专利号为CN111088975A的“基于微波三探头油井在线含水率监测仪的含水率监测方法”专利中，为保证探针正常工作，发明人将微波探针插入管道内部，根据电磁波在不同材料下的传输时差来计算流体含水率。这种方式计算精度高，测试范围宽，但是缺点在于，该方式需要将探针伸入管道内部，影响管道密闭性，对于高压下的流体可能存在安全隐患；在“原油含水率微波测量系统”的学术论文中，作者将螺旋天线安装在管道外侧，同时将天线辐射区域内的管道部分换成透波材料，保证天线正常工作。这种方式也难以保证管道的封闭性，不能用于高压环境下的流体含水率测试；而一篇名为“微波透射法测量含水率的研究”的学术论文中，作者在管道两侧位置相对的地方用有机玻璃代替，并在该位置安装喇叭天线，同样存在封闭性问题。

然而，实际在深井进行油气开采时，开采物质通常为高压流体，若采用上述方式测试流体含水率，很容易产生安全隐患。鉴于此，如何采用微波手段在高压环境下实现对较大检测范围的含水率测试就成为迫切需要解决的问题。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种高压环境下的微波含水率测试装置及其测试方法。该装置通过设计耐高压的测试夹具，利用渐变槽天线作为接收发送单元，将管道含水率的变化转换成对天线传输系数的影响，通过时域选通技术滤除电磁波的多次反射信号，从而得到传输系数和流体含水率的关系，实现高压环境下管道含水率的实时检测，并且该装置测试范围宽、精度高。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高压环境下的微波含水率测试装置，包括，测试夹具、测试天线、主机模块、电源和工控机；

所述测试夹具为两层，内层为管道结构，外层为金属保护层，内层和外层贴合；内层管壁上对称设置n对天线插槽，所述测试天线包括n对天线，设置于天线插槽中；所述保护罩固定设置于测试夹具的外层上，并延伸至内层，用于固定测试天线并保护天线的微波接头；所述主机模块与测试天线采用微波电缆连接，用于测试收发天线的传输系数并计算流体含水率；所述电源模块用于给主机模块供电；所述工控机与主机模块采用通信线缆连接，用于控制主机模块进行测试并接受主机模块的测试结果。

进一步地，为实现承压效果，所述测试夹具内层材料为低损耗材料，优选为聚四氟乙烯或者刚玉，其对微波传输损耗低；所述测试夹具外层材料为耐压金属材料，优选为不锈钢金属，该材料不易受环境腐蚀，耐压效果好。

进一步地，为实现承压效果，所述测试夹具内层管道壁厚为46～60mm，外层金属保护层壁厚≥20mm，实测可承受20MPa的高压环境。

进一步地，为实现承压效果，所述测试天线尺寸不得过大，否则在内层管壁内设置较大的天线槽容易影响总体承压，因此选用小尺寸的微带渐变槽天线，其定向性较好，可用于微波测试。

进一步地，所述测试天线包括固定座和天线两部分，所述天线部分用于辐射电磁信号，大小为31mm*28mm，厚度为1mm；所述固定座包含微波接头，负责给天线馈电并起固定天线的作用；固定座另一端与保护罩固定连接。

进一步地，天线数量n优选为1或者2。

进一步地，若有一对天线，则天线插槽应垂直于待测液体流动方向设置，以保证传输信号完全透过流体材料；若有两对天线，则一对天线插槽垂直于待测液体流动方向设置，另一对天线插槽平行于待测液体流动方向设置，该方式可为含水率识别增加新特征，使测试结果更加精确，适用于高精度的流体含水率测试；所述天线插槽尺寸需保证单个测试天线刚好插入。

基于上述高压环境下微波含水率测试装置测试管道含水率的方法，包括以下步骤：

步骤1.在没有流体通过时进行测试，作为空腔数据用于校准；

步骤2.当管道内存在待测流体时进行测试，测试数据扣除空腔数据后采用时域选通算法进行滤波；

步骤3.将步骤2滤波后的数据进行理论计算，得出流体含水率。

进一步地，步骤2中时域选通算法具体包括以下步骤：

步骤2.1.通过给原始信号加窗确定时域选通区间，其中，所述原始信号为测试数据扣除空腔数据后得到的数据结果；

步骤2.2.对时域门函数进行加窗处理得到时域选通技术所需要的选通信号；

步骤2.3.对原始信号进行时域选通，并进行幅度补偿得到所需要的频域响应。

进一步地，步骤3中滤波后的数据进行理论计算的具体过程为：

流体含水率测试理论遵从朗伯-贝尔定律，即

I＝I₀e^-μcl (1)

其中，I为穿透能量；I₀为入射能量；μ为吸收系数；c为介质浓度；l为介质厚度；

对于混合介质，有

(2)式中，n为不同介质的数量；

由于油和天然气的损耗小，因此吸收系数小，相对于水而言可近视为恒定值，则公式近似为：

其中，I′为含水率为0时的初始穿透能量；

对于一定频率的电磁波，水的吸收系数是常数，如测试传感器尺寸固定，则l₁确定；当混合流体流过测试夹具时，电磁波透射能量I经过混合物被吸收，根据公式(3)可知，发射功率I₀只随介质浓度c₁(含水百分率)的变化而变化；

因此，结合含水率测试理论和实验测试数据，所述含水率测试算法公式如下：

其中，W为含水率，单位为％，S为测试天线在2.8GHz-3.2GHz下S21幅度的平均值，单位为dB。

本发明装置工作原理为：因水具有很强的极化特性，水分子在外电场的作用下，会被极化成偶极子，沿电场方向取向，并最终导致水对微波具有较强的吸收作用，因此在水气混合或油水混合的管道内，水的比重越大，会导致微波的损耗越大；通过测试天线的传输系数变化，进而反演得到待测液体的含水率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明选用的渐变槽微带天线，尺寸小，对测试夹具承压影响小，测试夹具外层为耐高压金属，能够在高压环境下工作；并且本发明选用的渐变槽天线设置于测试夹具的天线插槽中，天线插槽四周为聚四氟乙烯形成的管壁，管壁材料为低损耗的透波材料，有利于微波传播，因此本发明装置适用于特殊高压环境下的管道含水率检测。

2.本发明使用时域选通算法解决了发射天线与接收天线之间直接耦合和天线与金属测试夹具间的多路径反射产生干扰信号问题；本发明装置具有测试范围大、精度高、实时检测等优点。

附图说明

图1为本发明高压环境下含水率检测装置示意图。

图2为本发明测试夹具结构示意图。

图3为本发明测试天线与保护罩示意图。

图4为本发明天线结构安装示意图。

图5为本发明原始信号检测结果图。

图6为本发明时域选通算法处理后信号检测结果图。

图7为本发明管道中不同含水率下的S21曲线。

图8为2.8～3.2GHz测试频段下S参数平均值与含水率的对应曲线。

图中，1是测试夹具，2是测试天线，3、4是微波电缆，5是主机，6是电源，7是上位机，8是待测流体，9是天线固定座，10是天线主体，11是天线口径，12是微波接头，13是保护罩，14是内层管道，15是金属层，16是天线插槽，17是内六角螺钉，18是螺钉孔，19是内六角螺钉，20是螺钉孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种高压环境下的微波含水率测试装置，其示意图如图1所示，包括测试夹具1、测试天线2、主机模块5、电源6和工控机7；所述测试夹具1通过标准法兰与外界管道对接，供高压环境下的流体通过；所述测试天线2为一对收发天线，对称设置于测试夹具1的天线插槽内；所述主机模块5具有测试功能和数据处理功能，通过微波电缆3、4与测试天线连接，用于测试天线的传输系数并将天线的传输系数经时域选通算法和含水率算法计算后得出流体含水率信息；所述电源模块6负责给主机模块5供电；所述工控机7通过通信线缆与主机模块5连接，用于控制主机模块5测试并接收测试结果；所述待测流体8为天然气或原油。

其中，测试夹具1的结构示意图如图2所示，其具有内外双层结构，包括保护罩13、内层管道14和外层金属层15；内层管壁内对称设置天线插槽16，测试天线2应设置于天线插槽16中，原因在于内层材料为低损耗的聚四氟乙烯，可使天线2的辐射信号透过管道，实现对流体含水率的测试；所述保护罩13通过内六角螺钉17固定于外层金属层15，同时外层金属层15需开孔使保护罩能深入至内层管道14，用于固定测试天线并保护天线的微波接头。若设置一对天线，则仅设置在图2中所示竖直对称位置；若设置两对天线，则可以按照图2中所示位置进行设置，除竖直对称设置外，另一对天线槽位置平行于流体上表面设置，其目的在于增加流体含水率识别特征，用于测试更高精度的流体含水率，实际测试没有高精度要求可无需考虑。

所述测试夹具1的内层14不应开有较大尺寸的天线槽，否则影响承压效果，故要求测试天线2尺寸不应过大，因此选用微带渐变槽天线，原因在于该天线尺寸可做小，且在口径方向辐射的信号强于其它方向，因此能量较为集中，定向性好。

内层的外径尺寸略小于外层内径尺寸，保证安装时内层刚好放入外层内，实现内外层的紧密配合；基于从成本考虑，测试夹具1的内层14厚度为46mm，外层金属层15材料选用不锈钢，厚度为20mm，经实测总体可承受20MPa的高压流体。

测试天线与保护罩安装示意图如图3所示，其中，保护罩13内端面上设置有螺钉孔18，与测试天线2的固定座9通过内六角螺钉19固定，同时测试天线2的天线主体10通过螺钉20与固定座9固定。该方式可保证天线2在测试夹具1内稳定工作。测试天线2的结构如图4所示，包括固定座9和天线主体10；固定座9包括微波接头12，目的在于给天线主体10馈电；天线主体10大小为31mm*28mm，厚度为1mm，经微波接头12馈电后，其电磁信号从口径11处辐射至外界。收发天线的口径需要正对于测试流体的上表面，且要求天线表面垂直于测试夹具的管道横截面，以保证电磁信号可以最大限度透过流体，实现含水率测量。

本发明采用的高压环境下的微波含水率测试装置，由于测试天线设置于测试管道的金属层内，测试信号经金属层多次反射后容易形成干扰信号，由于测试夹具尺寸不大，收发天线的直接耦合也不容忽略，其测试结果如图5所示。因此本发明需使用时域选通算法来解决收发天线之间的直接耦合及天线与金属外层间的多路径反射产生的干扰信号问题，具体包括以下步骤：

步骤1.通过给原始信号(测试数据减去空腔数据即校准数据)加窗来确定时域选通区间，选通区间的确定的具体公式如下：

E_W(f)＝E(f)W(f)

其中，e(t)为原始信号时域函数，E(f)为原始信号频域函数，W(f)为频域窗函数，E_W(f)、e_W(t)为加频域窗函数后的频域和时域函数，f为频率，t为时间；

步骤2.根据步骤1中的e_W(t)的区间，可以得到时域门函数区间g(t)，然后时域窗函数的确定用如下公式：

G_W(f)＝G(f)W(f)

其中，G(f)为时域门的频域形式、g(t)为时域门函数，g_W(t)为加频域窗后的时域窗函数，即所需的选通信号；

步骤3.经过时域选通算法后的信号可以用如下公式得到：

e_g(t)＝e(t)g_W(t)

其中，E_G(f)为原始信号经过时域选通算法后信号的频域形式；

该处理结果仍存在截断效应的影响，因此最后需要加一定的幅度补偿。根据实际测试数据对比，幅度补偿在测试频段两端，大概为6dB。

利用该算法信号处理后的结果如图6所示。经测试算法处理后，滤除掉天线在测试夹具内因多路径反射形成的噪声信号，使测试结果平滑。

流体含水率符合朗伯-贝尔定律，即

I＝I₀e^-μcl (1)

其中，I为穿透能量；I₀为入射能量；μ为吸收系数；c为介质浓度；l为介质厚度；

对于混合介质，有

(2)式中，μ_nc_nl_n代表不同物质的吸收系数、介质浓度及介质厚度。由于油和天然气的损耗小，因此吸收系数小，相对于水而言可近视为恒定值，则公式变为：

对于一定频率的电磁波，水的吸收系数是常数，如测试传感器尺寸固定，则l₁确定。当混合流体流过测试夹具时，电磁波透射能量I经过混合物被吸收，根据公式(3)可知，发射功率I₀只随介质浓度c₁(含水百分率)的变化而变化。由此便可计算得出流体含水率。

本发明采用的高压环境下的微波含水率测试系统，进行了气水混合流体下的实验测试，实验测试结果如图7所示。从图中可以看出，在空腔时，天线的传输系数较大，此时微波损耗较小，随着含水率的逐渐增加，传输系数也逐渐减小，并且在高含水率时递增的现象更明显。根据上述实验结果可知，在2.8GHz-3.2GHz频段内，随着管道含水率的增加，对电磁波的损耗就越大，因此天线传输系数逐渐减小。针对油水混合流体情况，由测试理论可知，其测试效果类似于气水混合情况。

结合含水率测试理论和实验测试数据，所述含水率测试算法公式如下：

其中，W为含水率，单位为％，S为测试天线在2.8GHz-3.2GHz下传输系数的幅度平均值，单位为dB。

采用本发明装置，对管道内天然气下的不同含水率进行了实际测试。按照图1的结构搭建好测试系统后，先测试空腔(不含水)时天线传输系数的幅度和相位，然后通入含有不同成分的气水流体，测试相应情况下的天线传输系数。数据先除去空腔信息，经过时域选通算法滤除发射天线与接收天线之间直接耦合和天线与金属套筒间的多路径反射信号后，选用2.8GHz-3.2GHz频段下的传输系数幅值进行平均，然后将测试数据代入公式4中，得到如下结果。

在含水率为0％时，测试得到幅度平均值为-0.009794dB，经公式计算得到的含水率为0.04％；在含水率为4％时，测试得到幅度平均值为-2.299734dB，经公式计算得到的含水率为4.09％；在含水率为12％时，测试得到幅度平均值为-4.244638dB，经公式计算得到的含水率为13.6％；在含水率为54％时，测试得到幅度平均值为-7.679194dB，经公式计算得到的含水率为54.9％；在含水率为78％时，测试得到幅度平均值为-9.841233dB，经公式计算得到的含水率为78.8％；由此可见，其绝对测试误差在2％以内，且测试范围可覆盖至0-80％，相对于传统的含水率测试法，本发明具有较高的测试范围和测试精度，并适用于高压环境的含水率测试。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种高压环境下微波含水率测试装置测试管道含水率的方法，其特征在于，所述高压环境下微波含水率测试装置包括测试夹具、测试天线、主机模块、电源和工控机；

所述测试夹具为两层，内层为管道结构，外层为金属保护层，内层和外层贴合；内层管壁上对称设置n对天线插槽，所述测试天线包括n对天线，设置于天线插槽中；测试夹具的外层上固定设置保护罩，并延伸至内层，用于固定测试天线并保护天线的微波接头；所述主机模块与测试天线采用微波电缆连接；所述电源模块用于给主机模块供电；所述工控机与主机模块采用通信线缆连接；所述测试夹具内层材料为低损耗材料，所述测试夹具外层材料为耐压金属材料；天线数量n为1或者2；

测试管道含水率的方法包括以下步骤：

步骤1.在没有流体通过时进行测试，作为空腔数据用于校准；

步骤2.当管道内存在待测流体时进行测试，测试数据扣除空腔数据后采用时域选通算法进行滤波；

步骤3.将步骤2滤波后的数据进行计算，得出流体含水率，

计算的具体公式为：

其中，W为含水率，单位为％，S为测试天线在2.8GHz-3.2GHz下S21传输系数的平均值，单位为dB。

2.如权利要求1所述的测试管道含水率的方法，其特征在于，所述低损耗材料为聚四氟乙烯或者刚玉材料；所述耐压金属材料为不锈钢金属。

3.如权利要求1所述的测试管道含水率的方法，其特征在于，所述测试夹具内层管道壁厚为46～60mm，外层金属保护层壁厚≥20mm。

4.如权利要求1所述的测试管道含水率的方法，其特征在于，所述测试天线包括固定座和天线两部分，所述天线为微带渐变槽天线，用于辐射电磁信号，大小为31mm*28mm，厚度为1mm；所述固定座包含微波接头，负责给天线馈电并起固定天线的作用；固定座另一端与保护罩固定连接。

5.如权利要求1所述的测试管道含水率的方法，其特征在于，若有一对天线，则天线插槽应垂直于待测液体流动方向设置，以保证传输信号完全透过流体材料；若有两对天线，则一对天线插槽垂直于待测液体流动方向设置，另一对天线插槽平行于待测液体流动方向设置；所述天线插槽尺寸需保证单个测试天线刚好插入。

6.如权利要求1所述的测试管道含水率的方法，其特征在于，步骤2中时域选通算法具体包括以下步骤：

步骤2.1.通过给原始信号加窗确定时域选通区间，其中，所述原始信号为测试数据扣除空腔数据后得到的数据结果；

步骤2.2.对时域门函数进行加窗处理得到时域选通技术所需要的选通信号；

步骤2.3.对原始信号进行时域选通，并进行幅度补偿得到所需要的频域响应。

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