CN114324408A - 基于微波电极传感器的含水率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明首先提供一种用于含水率测量的微波电极传感器，包括文丘里管体、微波电极和螺旋整流器；所述的微波电极贯穿文丘里管体的喉部，微波电极的一端发射信号，另一端接收信号，根据管道内部两相介质的含率发生变化传输信号的相位也相应变化的原理进行含水率测量；所述的螺旋整流器用于流型规则化，位于文丘里管体的收缩段，位于微波电极的上游。本发明同时提供采用上述传感器的含水率测量装置及测量方法。

Description

基于微波电极传感器的含水率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及油气工程领域中两相流含水率的实时测量，具体地说是一种基于微波十字电极技术的新型含水率测量装置及方法。

背景技术

气-水两相流、油-水两相流广泛存在于油气工程领域中，其含水率的准确测量对石油、天然气的开采、生产规划和计量、设计制造、安全管理、贸易结算等具有重要作用。两相流是以混合物形式输送，由于流动过程复杂，其流动流型随着分相含率、管道形状、流体速度、流体自身特性发生变化，导致管道内部可能存在多种流型，为其含水率测量带来困难。寻找一种不受流型干扰，能够实时准确测量含水率的方法显得尤为重要。

迄今，测量两相流含水率的方法有差压法、射线衰减法、电容法、电导法、超声波法和微波法等。微波法基于水与其他流体(石油、天然气等)的介电常数值相差大的特点，可以用来测量两相流的含水率变化，它能够连续、快速、稳定地对含水率进行检测。

专利CN202110500899.3提供一种十字天线结构的微波传感器，并提供基于此种传感器的气液两相流相含率测量装置及流量测量系统。此种电极主要适用于气液两相流的相含率测量。

发明内容

本发明的目的是针对两相流流动过程复杂、流型多变，难以全范围准确测量含水率的问题，提供了一种基于微波十字电极技术的新型含水率测量装置及方法。通过螺旋整流器、微波电极、文丘里三者组合的结构设计，消除了两相流流型对含水率测量的影响，通过两电极输出微波信号的相位值，来提取含水率信息，实现两相流含水率的全范围测量。技术方案如下：

一种用于含水率测量的微波电极传感器，包括文丘里管体、微波电极和螺旋整流器；所述的微波电极贯穿文丘里管体的喉部，微波电极的一端发射信号，另一端接收信号，根据管道内部两相介质的含率发生变化传输信号的相位也相应变化的原理进行含水率测量；所述的螺旋整流器用于流型规则化，位于文丘里管体的收缩段，位于微波电极的上游。

进一步地，所述的微波电极包括分别设置在文丘里管体喉部不同位置的水平电极和垂直电极。

进一步地，所述的微波电极表面喷涂有聚四氟乙烯。

本发明同时提供基于所述的微波电极传感器的含水率测量装置，其特征在于，还包括微波信号源、功分器、鉴相器和上位机，经过功分器分出的微波信号，一部分加载在微波电极上，另一部分作为参考信号，微波电极输出的微波信号和参考信号被送入鉴相器，鉴相器的输出信号被送入上位机，由上位机进行含水率计算。

作为一种实现方式，所述的微波电极包括分别设置在文丘里管体喉部不同位置的水平电极和垂直电极，测量方法包括下列步骤：

(1)将微波电极传感器固定在油-水两相流管道中；

(2)将微波信号源发出一定频率的微波信号，经过四功分器分出四路相同的微波信号，其中两路分别传输给水平电极和垂直电极，另外两路分别作为水平电极和垂直电极的参考信号；

(3)鉴相器检测水平电极和垂直电极的相位电压信号；

(4)数据采集卡将鉴相器检测信号传送到上位机；

(5)对于水平电极或垂直电极，所采集到的电压相位值均随含水率增加而单调增加，当含水率30～100％时，电压相位值与含水率呈线性关系；上位机依据此测量原理，对含水率进行水平电极和垂直电极的分别测量后取平均值。

作为另一种实现方式，所述的微波电极为1个，测量方法包括下列步骤：

(1)将微波电极传感器固定在油-水两相流管道中；

(2)将微波信号源发出一定频率的微波信号，经过功分器分出两路相同的微波信号，其中一路传输微波电极，另外一路作为参考信号；

(3)鉴相器检测微波电极的相位电压信号；

(4)数据采集卡将鉴相器检测信号传送到上位机；

(5)对于微波电极，所采集到的电压相位值均随含水率增加而单调增加，当含水率30～100％时，电压相位值与含水率呈线性关系；上位机依据此测量原理，对含水率进行测量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明设计的基于微波电极的微波传感器，可以消除流型对含水率测量结果影响，实现0～100％含水率测量。

(2)作为一种实施方式，本发明设计的基于微波电极的微波传感器，通过对比水平、垂直两电极测量信号可以实现流型规则化验证和含水率校验功能。

(3)本发明设计的基于微波电极的微波传感器，可适用于垂直、水平管道内油-水、气-水两相流含水率高分辨测量，分辨率高达1％每5mV。

(4).本发明设计的基于微波电极的微波传感器，可以改善传感器内部电极易粘污、腐蚀的影响，可以长期有效的在井下工作。

附图说明

图1为本发明的轴向剖面结构示意图。

图2为本发明的文丘里喉部径向剖面结构示意图。

图3为本发明电极处细节图。

图4为本发明电路模块连接框图。

图5为本发明水平电极的仿真和动态实验对比结果。

图6为本发明垂直电极的仿真和动态实验对比结果。

附图标号说明：

1-文丘里结构不锈钢管体；2-垂直电极；3-水平电极；4-螺旋整流器。

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。

实施例1

基于微波十字电极技术微波传感器基于水与石油、天然气的介电常数值相差大的特点来测量两相流含水率。当传感器内部流经的两相流含水率发生变化时，其混合介电常数变化，进而传感器内部两电极的相位发生变化。本发明中通过测量相位变化实现对含水率的测量。

下面结合附图对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明的一种基于微波十字电极技术的新型含水率测量装置及方法，包括：1-文丘里结构不锈钢管体；2-垂直电极；3-水平电极；4-螺旋整流器。所述的垂直电极2和水平电极3相距ΔL(0.2D～1D)且相互垂直贯穿文丘里不锈钢管体1的喉部，如图2、3所示。垂直电极2和水平电极3表面喷涂聚四氟乙烯，以防止电极粘污或腐蚀。水平电极3位于上游，垂直电极2位于下游。所述的螺旋整流器4位于文丘里不锈钢管体1的收缩段，位于水平电极3的上游，可以将规则化的两相流流经水平电极3和垂直电极2。

本发明中，一定频率的微波激励信号由图4中微波发射源产生；微波信号经过四功分器分出四路相同的微波信号，其中两路分别激励给水平电极3和垂直电极2的输入端，另两路作为参考信号；两鉴相器分别检测水平电极3和垂直电极2的输出端信号与参考信号之间的相位差异，输出相位电压信号；通过数据采集卡将相位电压数据传送到上位机，具体连接电路如图4所示。

将基于微波十字电极技术微波传感器安装在水平管径油-水两相流动态实验装置中，当油-水两相流流体流经传感器测量区域时，对传感器输出的相位电压信号进行采集。具体实验工况为在油-水两相流总流量4m³/h、7m³/h、10m³/h，体积含水率0～100％(间隔10％)。实验垂直电极、水平电极输出相位电压信号的归一化表达式为

V_ver-exp＝(V_ver-m-V_ver-min)/(V_ver-max-V_ver-min)

V_hor-exp＝(V_hor-m-V_hor-min)/(V_hor-max-V_hor-min)

除此之外，为验证动态实验结果采用COMSOL仿真软件对基于微波十字电极技术微波传感器进行有限元仿真。仿真含水率0～100％(间隔10％)下，传感器输出的相位值。仿真垂直电极、水平电极的相位值归一化表达式为

Phase_ver-sim＝(Phase_ver-m-Phase_ver-min)/(Phase_ver-max-Phase_ver-min)

Phase_hor-sin＝(Phase_hor-m-Phase_hor-min)/(Phase_hor-max-Phase_hor-min)

式中：V表示实验测量结果，Phase表示仿真测量结果，下标ver表示垂直电极，下标hor表示水平电极，下标-m表示测量值，下标-max、下标-min分别表示测量值中的最大值和最小值。

水平电极、垂直电极的仿真和动态实验对比结果如图5、6所示。可以看出，仿真结果与动态实验结果一致，验证了基于微波十字电极技术微波传感器设计的合理性；传感器的两电极电压相位值均随含水率增加而单调增加；当含水率30～100％时，电压相位值与含水率呈线性关系；工况4m³/h、7m³/h、10m³/h下的电压相位值一致性较好，且垂直、水平电极趋势一致，证明螺旋整流器、十字电极、文丘里三者组合的结构设计，消除了两相流流型对含水率测量的影响。以上结论验证了本发明设计的微波十字电极技术微波传感器测量含水率的有效性。

本发明同样基于十字电极结构提出了一种新型含水率测量装置及方法，与专利CN202110500899.3的区别在于：

(1).本发明提出了一种螺旋整流器、十字电极、文丘里三者组合的结构设计，将螺旋整流器、十字电极嵌入文丘里内部，且十字电极的尺寸以及管径(文丘里喉部)大小与专利CN202110500899.3是不同的。

(2).专利CN202110500899.3的目的在于识别一些基础流型和实现相含率、流量测量。然而，为了更精准的预测含水率值，本发明致力于消除两相流流型对含水率测量的影响，通过两电极输出微波信号的相位值，来提取含水率信息，实现两相流含水率的全范围测量。

(3).本发明与专利CN202110500899.3的工作频率、测量电路系统和测量方法有所不同。

(4).本发明不仅适用于气-水两相流的含水率测量，也同样适用于油-水两相流。

实施例2

通过上述具体实施方式1，垂直、水平电极仿真和实验结果趋势一致，证明了螺旋整流器、十字电极、文丘里三者组合的结构设计消除两相流流型影响，故本发明设计的微波传感器只保留水平、垂直电极中的一根也具备测量含水率功能，此一根微波电极的放置方位不局限于水平或垂直。

Claims (6)

1.一种用于含水率测量的微波电极传感器，包括文丘里管体、微波电极和螺旋整流器；所述的微波电极贯穿文丘里管体的喉部，微波电极的一端发射信号，另一端接收信号，根据管道内部两相介质的含率发生变化传输信号的相位也相应变化的原理进行含水率测量。所述的螺旋整流器用于流型规则化，位于文丘里管体的收缩段，位于微波电极的上游。

2.根据权利要求1所述的微波电极传感器，其特征在于，所述的微波电极包括分别设置在文丘里管体喉部不同位置的水平电极和垂直电极。

3.根据权利要求2所述的微波电极传感器，其特征在于，所述的微波电极表面喷涂有聚四氟乙烯。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述的微波电极传感器的含水率测量装置，其特征在于，还包括微波信号源、功分器、鉴相器和上位机，经过功分器分出的微波信号，一部分加载在微波电极上，另一部分作为参考信号，微波电极输出的微波信号和参考信号被送入鉴相器，鉴相器的输出信号被送入上位机，由上位机进行含水率计算。

5.一种采用权利要求4所述的测量装置实现的含水率测量，所述的微波电极包括分别设置在文丘里管体喉部不同位置的水平电极和垂直电极，测量方法包括下列步骤：

(1)将微波电极传感器固定在油-水两相流管道中；

(2)将微波信号源发出一定频率的微波信号，经过四功分器分出四路相同的微波信号，其中两路分别传输给水平电极和垂直电极，另外两路分别作为水平电极和垂直电极的参考信号；

(3)鉴相器检测水平电极和垂直电极的相位电压信号；

(4)数据采集卡将鉴相器检测信号传送到上位机；

(5)对于水平电极或垂直电极，所采集到的电压相位值均随含水率增加而单调增加，当含水率30～100％时，电压相位值与含水率呈线性关系；上位机依据此测量原理，对含水率进行水平电极和垂直电极的分别测量后取平均值。

6.一种采用权利要求4所述的测量装置实现的含水率测量，所述的微波电极为1个，测量方法包括下列步骤：

(1)将微波电极传感器固定在油-水两相流管道中；

(2)将微波信号源发出一定频率的微波信号，经过功分器分出两路相同的微波信号，其中一路传输微波电极，另外一路作为参考信号；

(3)鉴相器检测微波电极的相位电压信号；

(4)数据采集卡将鉴相器检测信号传送到上位机；

(5)对于微波电极，所采集到的电压相位值均随含水率增加而单调增加，当含水率30～100％时，电压相位值与含水率呈线性关系；上位机依据此测量原理，对含水率进行测量。

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