CN115559706A - 一种原油流量计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原油流量计量装置，所述装置包括测量部和计量部，所述测量部包括测量管和浮子组件，所述浮子组件内置于所述测量管，包括浮子及与其一体连接浮子连接杆，浮子连接杆的末端连接检测部；所述检测部在浮子从底端上升时伸出所述测量管；所述计量部包括位置检测模块和处理模块，所述位置检测模块位于测量管上方、由第一壳体构成的检测腔内，在浮子连接杆末端的检测部伸入到检测腔内时，通过检测所述浮子连接杆末端的检测部的位置以获得浮子高度检测信号；所述处理模块根据浮子高度检测信号计算被测原油的流量。本发明能够安全地计量原油输送管道的原油流量，并符合原油计量精度。

Description

一种原油流量计量装置

技术领域

本发明涉及计量装置，特别地涉及一种应用于石油领域的原油流量计量装置。

背景技术

在石油开采过程中，地面采油设备，如抽油机，从地层中汲取出油、气、水的混合液(以下称为原油)，并通过地面管路输送到原油加工厂加工，或者输送到储油罐中暂时储存。为了了解油井的产量，需要利用相关设备计量油井产量。理论上可以在输油管道中安装涡街流量计、超声波流量计、金属浮子流量计等流量计来测量原油流量，再经过换算而得到油井的产量。然而在实际应用中，油井地面管路的原油流动特点与油井出液方式息息相关。采油设备的工作过程包括上、下两个冲程，在上冲程，原油经抽油杆流出到地面管道，在下冲程过程中，基本没有原油流出，因而油井地面管路中的液体一股一股的流动。另外，刚开采未经处理的原油本身成份复杂，是一种集油、气、水及各种其他液体成份、固体颗粒于一体的混合液体，粘稠、流动性差，并且液体中还会夹杂粘结成团的油块。如果在油井的地面管道采用前述的涡街流量计、超声波流量计、涡轮流量计、金属浮子流量计等装置测量流量，首先由于油井独特的出液方式会导致计量误差过大，达不到精度要求；另外，由于原油的液体性质，很容易堵塞流量计的测量管，不但导致无法测量，还容易导致管道内的压力上升，涨破管道，产生漏油、管道爆裂等安全事故。因而，亟需一种安全、安装方便、符合精度要求的流量计量装置。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种原油流量计量装置，能够安全地计量原油输送管道的原油流量，并符合原油计量精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种原油流量计量装置，其包括测量部和计量部，所述测量部包括测量管和浮子组件，所述测量管包括进液口和出液口，测量管的内径自进液口向出液口逐渐增大；所述浮子组件内置于所述测量管，包括浮子及与其一体连接的浮子连接杆，浮子连接杆的末端连接检测部；所述检测部在浮子从底端上升时伸出所述测量管；所述计量部包括位置检测模块和处理模块，所述位置检测模块位于测量管上方、由第一壳体构成的检测腔内，在浮子连接杆末端的检测部伸入到检测腔内时，通过检测所述浮子连接杆末端的检测部的位置以获得浮子高度检测信号，所述处理模块连接所述位置检测模块，根据浮子高度检测信号计算被测原油的流量。

其中，在所述装置中的所述浮子为球体时，所述处理模块根据公式1-5计算得到被测原油的流量：

其中，q_v为体积流量，α为本装置的流量系数，g为重力加速度，V_f为浮球体积，ρ_f为浮球材料密度，ρ为被测原油密度，θ为测量管的锥角，Δh为浮球从其最低处到当前测量位置的高度，R_f为浮球半径。

其中，在所述的原油流量计量装置的浮子为工作横截面为圆形、且沿垂直中心线对称的结构体，所述处理模块根据公式1-8计算得到被测原油的流量：

其中，q_v为体积流量，α为本装置的流量系数，g为重力加速度，V_f为浮子体积，ρ_f为浮子材料密度，ρ为被测原油密度，θ为测量管的锥角，Δh为浮子从其最低处到当前测量位置的高度，R_f为浮子最大工作半径。

本发明中的浮子在被测原油从测量管的进液口向出液口的流动过程中，能够克服原油的粘性产生的阻力而随着流动规律(原油一股股地流动)上升、稳定在一定高度、下降，再上升、稳定在一定高度、再下降等。也可以在原油持续流动时，根据流量的大小在而稳定在不同的高度变化，因而，本发明提供的流量计量装置可以很好地适应原油的流动特点和原油液体性质。另外，本发明没有使用传统浮子流量计中的传动机构，因而不受限于传统浮子检测组件的疲劳损伤，能够保证装置长久计量的可靠性和精确性。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的原油流量计量装置的部分结构；

图2是根据本发明的一个实施例的浮子连接杆示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的当浮子为浮球时的原油流量计量装置计算原理示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的为浮子为陀螺状时的原油流量计量装置计算原理示意图；

图5A-5C是根据本发明一个实施例的计量部中一个霍尔传感器阵列的示意图；

图6是根据本发明另一个实施例的计量部中霍尔传感器阵列的整体结构示意图；

图7是将图6中的六个霍尔传感器阵列展开后的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的处理模块的原理框图；

图9是根据本发明另一个实施例的原油流量计量装置的部分结构示意图；

图10是根据本发明一个实施例的原油流量计量装置的流量计量方法流程图；

图11A-11C是根据本发明另外三个实施例的原油流量计量装置的部分结构示意图；

图12A-12B是根据本发明另两个实施例的光电传感器排列示意图；

图13是根据本发明一个实施例提供的原油流量计量装置的一个应用实施例的部分剖面示意图；以及

图14是根据本发明另一个实施例提供的原油流量计量装置的一个应用实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

本发明提供了一种原油流量计量装置，通过检测浮子连接杆上的检测部的位置而确定浮子在测量管中的上升高度，从而计算出被测原油的流量。在现有的流量计量装置中，浮子式流量计是一种应用广泛的气体、液体流量计量装置。浮子式流量计的计量元件包括测量管和指示器。测量管的内部为自下向上逐渐扩大的锥形测量室，其下端为流体入口，上端为流体出口，锥形测量室内置有通过导杆引导、可以上下自由移动的浮子。当被测流体自下而上流经锥形测量管时，浮子的上下端产生差压形成上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量，浮子便上升，浮子与测量管管壁之间的环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力也随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度，浮子与测量管管壁之间的环隙面积保持一定。环隙面积与浮子的上升高度具有一定的对应关系，即浮子在测量管中上升的位置可以代表流量的大小。指示器通常有两类，一类是在管体设置刻度，根据位置与流量的对应关系确定刻度值。这类流量计通过观察液体所在的刻度位置即可以得到流量值。另一类指示器是指针式指示器，在该类流量计中，浮子内置有第一磁钢，指示器内置有与第一磁钢耦合的第二磁钢，第二磁钢通过连杆等传动机构连接指针。在浮子随被测流体上下移动并旋转时，浮子内置第一磁钢产生的磁场随浮子的移动和转动而变化。由于指示器中的第二磁钢与第一磁钢磁耦合，从而在磁场的变化下，第二磁钢转动，第二磁钢通过作为传动机构的连杆带动指示器的指针转动。经过矫正，浮子上升的高度与指针的位置一一对应，指针的位置指示相应的流量。然而上述的金属浮子式流量计在长期使用后，受加工和材料条件的限制，传动机构中的连杆会因所受的疲劳损伤而不能准确传递浮子位置，从而导致测量不准确，在长期使用后可靠性变差。本发明没有使用传动机构，因而不受限于传统浮子位置检测组件的疲劳损伤，可以保证长期使用时的准确性。另外，传统浮子质量较小，无法适应原油这种成份复杂、粘稠的流体。本发明虽然在某些结构上与传统浮子式流计很相似，但为了适应于原油的特殊流动状态及流体成份，本发明的结构与传统浮子式流计有着显著的不同。以下通过具体实施例对本发明详细说明如下。

图1是根据本发明一个实施例的原油流量计量装置的部分结构。在本实施例中，传感器采用霍尔传感器，对应的浮子连接杆末端的检测部为磁铁。参见图1，所述的原油流量计量装置包括测量部和计量部，其中，所述的测量部包括测量管11，其包括进液口111和出液口112，测量管11包括直管和与其套接在一起的倒置锥形管。锥形管的底部为进液口111，出液口112设置在直管侧壁上，测量管11整体的管内径自进液口111向出液口112逐渐增大。通过改变锥形管的不同锥角，可以适应流量不同的被测石油。流量大，采用大锥角，流量小，采用小锥角。根据经验证实，锥形管采用不大于20度的锥角在计量一定的流量范围流量时可以很好地满足精度要求。在本发明中，锥形管与直管活动嵌套连接，可根据当前被测石油管道中流量，选择锥角不同的锥形管与直管配合。

在一些实施例中，所述出液口距离所述测量管顶端的距离不小于所述浮子的垂直方向的最大工作距离。如图1中所示，所述出液口112距离所述测量管顶端，即上法兰下表面的距离D1不小于浮球121的直径Rf。当被测石油流体中包括有粘结成块的油团时，在其进入到测量管11内时，即使不能立刻经出液口112流出测量管11，当液体流量在足够大时，浮球121向上升起，让出液体流通通道，从而可以经出液口112流出测量管，而不会长时间滞留在测量管中而堵塞测量管。

所述测量管11中内置有浮子组件12，包括浮子121及与其一体连接浮子连接杆122。本实施例中的浮子121为实心的金属球体，例如密度为7.8kg/m³的不锈钢球体，其直径大于进液口111。因而，相对于现有浮子式流量计中的浮子，本实施例中的浮子121重量较大，可以很好地适应由于原油粘度造成的流动性差的流量环境。

浮子连接杆122的末端开设有安装槽，采用缩口铆接方式将所述磁铁123安装于所述安装槽内。浮子连接杆122上下移动时，在达到霍尔传感器的感知点时，可被霍尔传感器感知。本发明中的磁铁123可采用磁性较强的永磁体，如钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁等。

浮子在垂直方向上的移动路径移动时，为了扶正浮子，在一个更好地实施例中，所述浮子连接杆122末端连接有浮子稳定结构124，如图2所示，浮子稳定结构124包括柱体和多个沿柱体轴向突出于所述柱体侧表面的侧棱。本实施例中的侧棱共有4个，在柱体横截面上看，4个侧棱构成十字结构。磁铁123的安装槽可开设在浮子稳定结构124的柱体上。浮子连接杆122的另一端嵌入浮子121的中心槽中，从而与浮子连接为一体。

测量管11的顶端连接有下法兰31，下法兰31具有与测量管11中直管内径相同的通孔。上法兰32与下法兰31之间设置有密封垫、密封圈等装置，以使上法兰32与下法兰31密封连接。上法兰32上固定有固定座，壳体41固定在固定座上，从而构成检测腔以保护内部的位置检测元件。上法兰32中心设置有导管33，例如其为金属管，其与上法兰32密封连接，且与连接杆套筒125的开口端密封连接，浮子连接杆122能够自由、垂直穿过导管33而伸入到连接杆套筒125内。当所述浮子连接杆122位于所述连接杆套筒125中时，所述浮子杆末端的十字结构能够扶正浮子连接杆122，使得浮子和浮子连接杆122在竖直方向上运动。另外，通过所述浮子杆末端的十字结构可以有效减少浮子连接杆122与连接杆套筒125内壁的接触面积，从而减少浮子连接杆122在上下运动时与连接杆套筒125内壁摩擦力，同时也能防止在连接杆套筒125中有水和油的情况下产生负压，吸住浮子连接杆122，导致浮子连接杆122不能正常回落到测量管中。

在本实施例中，计量部包括位置检测模块和处理模块，位置检测模块位于由壳体41构成的检测腔内。在本实施例中，位置检测模块包括传感器阵列21，其设置在一套筒(可以得知的是，所述套筒可以是一个独立部件，如图中所示，也可以是连接杆套筒125)上。套筒底部与上法兰32固定连接，多个霍尔传感器构成的传感器阵列21设置在套筒外表面，并且，所述多个霍尔传感器沿浮子连接杆垂直上下移动方向排列，并位于浮子连接杆末端磁铁123的移动范围内。所述处理模块连接所述传感器阵列21的信号输出端，根据接收到的霍尔传感器数据计算被测原油的流量。

如图3所示，图3是浮子为浮球时的原油流量计量装置计算原理示意图。其为测量管轴截面部分示意图，测量管为一锥形，浮子在未上升时，位于锥形测量管底部，与锥形测量管顶点距离为h1。浮子在被测原油的作用下向上运动。当浮子在测量管中受力平衡时，其稳定在一个高度，此时浮子上升的高度为△h。原油流量计量装置的体积流量计算公式1-1为：

q_v为体积流量，α为本装置的流量系数，ε为被测流体为气体时的气体膨胀系数(本发明用于原油计量，原油为不可压缩流体ε＝1)，g为重力加速度，V_f为浮子或浮球体积，ρ_f为浮子材料密度，ρ为被测原油密度，F_f为浮子最大工作处的横截面面积，ΔF为流通环形面积，θ为测量管的锥角，Δh为浮子从其最低处到当前测量位置的上升高度。

当所述浮子为球体时，R_f为浮球半径；Rp为浮球所在处对应的测量管的工作半径。

其中，Rp＝(R_f+Δhsin(θ/2)) 1-2

ΔF＝πRp²-F_f 1-3

F_f＝πR_f ² 1-4

将上述三个公式带入公式1-1，得到以下公式1-5：

在公式1-5中，除了浮子从其最低处到当前测量位置的高度Δh其他参数都为已知参数，当通过传感器感应到浮子上升的高度值Δh，即可以通过公式1-5计算出被测原油的瞬时流量，通过以下公式1-6可以得到一段时间的累积流量。

其中，Q_t表示t时刻累计流量，Q₀表示t＝0时刻累计流量，q_t表示t时刻瞬时流量，t表示时间(单位s)。

本发明中的浮子除了球体形状外，还可以为任意一种工作横截面为圆形、且沿垂直中心线对称的结构体，例如圆柱体、圆锥体、椭球体、球体等，也可以是上述各种形状结合之后得到的结构体，可以使浮子的各方受力情况均匀，从而能够稳定地在被测原流流体中上下移动。本实施例的浮子为球体，浮球与测量管11内壁的接触为线接触，相较于其他形状，其一，浮球与测量管内壁接触时产生的摩擦可以忽略，因而减化了浮球的受力情况，从而使得计算过程更加准确，从而提高了测量的精度，其二，当被测流体为原油等具有一定粘性的液体时，浮子的曲面表面有利于减少粘性液体对浮子在液体中上下移动的阻碍。

如图4所示，图4是浮子为陀螺状时的原油流量计量装置计算原理示意图。当浮子为陀螺状时，在受到大流量流体的冲击时，通过自身的旋转减少在横向的晃动，从而可以在垂直方向稳定地上下移动。图4为测量管轴截面部分示意图，原油流量计量装置的体积流量公式如公式1-1：

q_v为体积流量，α为流量计的流量系数，ε为被测流体为气体时的气体膨胀系数(本发明用于原油计量，原油为不可压缩流体ε＝1)，g为重力加速度，Vf为浮子体积，ρ_f为浮子材料密度，ρ为被测原油密度，F_f为浮子的最大横截面面积，ΔF为流通环形面积，θ为测量管的锥角，Δh为浮子从其最低处到当前测量位置的高度，Rp为浮子所在处对应的测量管的工作半径，Rf为浮子工作半径。

其中，Rp＝(Rf+Δhtan(θ/2)) 1-7

ΔF＝πRp²-F_f 1-3

F_f＝πR_f ² 1-4

将上述三个公式带入公式1-1，得到以下公式1-8：

在公式1-8中，除了浮子从其最低处到当前测量位置的高度Δh其他参数都为已知参数，当通过传感器感应到浮子上升的高度值Δh，即可以通过公式1-8计算出被测原油的瞬时流量，并通过以上公式1-6可以得到一段时间的累积流量。

图5A-5C是根据本发明一个实施例的计量部中传感器阵列的示意图。在本实施例中，第一传感器阵列210包括一个芯片板211，其上均匀排列有多个霍尔传感器212，其排列方向与浮子连接杆122上下移动方向相同，即垂直排列。在所述芯片板211背面设有信号插座213，其中，所述芯片板211为线路板，例如印刷线路板，其上对应霍尔传感器212的多个管脚印刷有相应的导电条；多个霍尔传感器212的管脚分别连接在线路板上相应的导电条上，所述信号插座213的各个接口分别连接在相应的导电条上。例如，霍尔传感器212的管脚分别对应为电源正极、地线、时钟、锁存及数据等管脚，因而所述芯片板211共有五个对应的导电条，所述信号插座213共有五个接口，分别连接在相应的导电条上。所述芯片板211的两端分别设有固定孔214，方便固定在相关支座或支架上。

芯片板211上的每个霍尔传感器212具有唯一的位置，并与浮子在测量管中的上升高度一一对应。例如，芯片板211上最下面的一个霍尔传感器2120与浮子未上升时、位于测量管底部时的位置相对应，即此时霍尔传感器2120对应的浮子在测量管中的一个上升高度为0，霍尔传感器2121对应的浮子在测量管中的上升高度为2mm，霍尔传感器2122对应的浮子在测量管中的上升高度为4mm……以此类推，芯片板211上最上面的一个霍尔传感器21216对应的浮子在测量管中的上升高度为30mm，从而可知，芯片板211上的多个霍尔传感器2121-21216构成的传感器阵列的总感知高度为30mm。因而，本发明为第一传感器阵列210中的每一个霍尔传感器设置位置信息，例如，为每一个霍尔传感器按照从下到上依次编号0000、0001、0002……0015，并保存有传感器位置信息与高度的对应表。第一传感器阵列210在发送传感数据时，每一个传感数据既包括霍尔传感器感测到的电压信息，即为数据信息，还包括发出所述数据信息的传感器的位置信息，所述位置信息可以通过其编号代表，以方便处理模块分析传感数据时，根据传感数据中的传感器编号确定对应的位置，从而也就确定了浮子在测量管中的上升高度。

在计量过程中，被测石油流体从底部的进液口进入测量管时，浮子总体上受到的向上的力，浮子121向上移动，浮子连接杆122末端的磁铁123随之上升。当磁铁123经过第一传感器阵列210中的霍尔传感器212时，磁铁123的磁场施加到霍尔传感器212，霍尔传感器212产生电信号。霍尔传感器212将产生的电信号、其位置信息组成传感数据，经第一传感器阵列210的信号输出端输出。处理模块定期采集第一传感器阵列210的信号输出端，当采集到该传感数据时，通过识别传感数据中的位置信息，可以确定发出产生该传感数据中电信号的霍尔传感器的位置，进而通过查询位置与高度的对应表可以确定磁铁123在测量管中的上升高度，从而通过公式1-5即可以计算得到被测原油的瞬时流量。

图6为根据本发明另一个实施例的计量部2中传感器阵列的整体结构示意图。在本实施例中，霍尔传感器阵列21包括6个图5中的第一传感器阵列210，在一个实施例中，6个第一传感器阵列210固定在第一传感套筒40侧面外表面上，且在第一传感套筒40的圆周方向呈螺旋上升排列，第一传感套筒40末端与上法兰32固定在一起，排列有霍尔传感器212的芯片板面向第一传感套筒40内部。第一传感套筒40内部套设连接杆套筒125，连接杆套筒125与上法兰中的导管33密封连接。浮子连接杆122的末端通过导管33进入到连接杆套筒125中，在其中随着被测原油上下自由移动。在另一些实施例中，6个第一传感器阵列210可粘贴在连接杆套筒125外表面，以连接杆套筒125作为支撑结构。

在本实施例中，所述多个第一传感器阵列210在第一传感套筒40上沿浮子连接杆上下移动方向呈螺旋上升排列，多个第一传感器阵列210的信号插座213依次串联连接。参见图7，其为将图6中的六个第一传感器阵列210展开后的示意图。从图7中可见，每个第一传感器阵列210中的相邻两个霍尔传感器感知点相隔距离d＝D，通过另外五个呈螺旋上升排列的第一传感器阵列210，可以将一个第一传感器阵列210中的感知距离D平均分成六份，即当前霍尔传感器阵列的两个相邻霍尔传感器的感知距离d＝D/6，因而，本实施例中的传感器阵列的检测精度相比只有一个第一传感器阵列210提高了6倍。通过设置一个第一传感器阵列210中两个相邻霍尔传感器的距离d和第一传感器阵列210的数量，可以得到不同精度的感知距离。所述感知距离的精度对应着浮子上升高度的计量精度。从最低处传感器的感知点到最高处传感器的感知点构成了本实施例传感器阵列21的总感知高度h_T，根据应用场景中的实际测量范围设置对应的感知总高度h_T。

同理，在本实施例中，每个传感器具有唯一的位置信息，例如，采用四位数字代表一个传感器的位置信息，其中，前两个数字代表第一传感器阵列的编号，后两个数字代表在第一传感器阵列中垂直排列的位置编号。例如，位置信息为0210表示的传感器为第二个第一传感器阵列中的第10个传感器。

计量部中的处理模块22根据实际需要，可以设置在由壳体41(参见图1)构成的检测腔中，或者位于另外的第二壳体中，根据需要，所述第二壳体制成表头，其与壳体41相连通，以连接壳体41中传感器阵列21的信号输出端。

图8是根据本发明一个实施例的处理模块的原理框图，所述处理模块22包括数据采集单元221、数据处理单元222和无线传输模块223，对应地，其可以位于由壳体41构成的检测腔内部，并通过设置的通孔或窗口使无线传输模块223的天线置于壳体41外部，以进行无线信号的发射和接收，如图1所示。所述的通孔或窗口与壳体41之间设置有密封装置，如密封条、密封胶等。数据采集单元221、数据处理单元222和无线传输模块223等元件置于线路板上，并固定在壳体41内部的适当位置，如图1所示，线路板220固定在壳体41顶部，天线2230通过壳体顶部的通孔伸出。线路板220上的数据采集单元221与传感器阵列21的信号接口相连接，按照预置采集周期采集传感器阵列21的传感器信号以得到传感数据。数据处理单元222与所述数据采集单元221相连接，用以处理传感数据，计算被测原油流体的流量。本发明所述的无线传输模块223与所述数据处理单元222相连接，用于与外界合法设备建立无线连接，向合法设备输出所述被测原油的流量数据，并能够接收合法设备的指令、数据等给所述数据处理单元222。例如，当被测原油流体发生变化时，外界的合法设备将新的被测原油流体参数通过无线的方式发送给本装置，无线传输模块223接收新的被测原油流体参数并发送给所述数据处理单元222，所述数据处理单元222使用新的被测原油流体参数计算被测原油流体流量。

另外，本实施例中的处理模块22也可以包括由显示屏和按键等组成的人机交互界面224。如图9所示，处理模块222设置表头42中，其外置有人机交互界面224，包括按键2241和显示屏2242。显示屏2242可以显示瞬时、累积流量及各个选项的参数，按键2241可用于选择不同的选项，修改相应参数等。例如，公式1-5、和公式1-8中使用的各种参数，在一种方式中，可以通过无线传输单元223发送给数据处理单元222，在另一种方式中，可以由具有权限的工作人员通过人机交互界面224中输入。所述的权限可以通过设置的密码经过验证确认。当然，可以采用触摸屏实现人机交互界面224。

在一个实施例中，处理模块22可由微处理器及对应的外围电路构成，微处理器的I/O接口连接传感器阵列21的信号接口及人机交互界面224，并与蓝牙、WiFi或ZigBee等无线模块223连接，从而将计算得到的被测原油的流量数据传输到远处的外部设备，工作人员无需到测量现场读取数据。

图10是根据本发明一个实施例的流量计量方法流程图，该方法基于前述的原油流量计量装置，按照预置的数据采集周期采集数据，对采集到的数据进行处理、计算以得到流量值。其中，数据处理频率可以与数据采集频率相同，也可以是数据采集频率的倍数，在数据处理时，可以一次只处理一个数据，也可以一次处理多个数据。例如，每秒采集一次数据，在数据处理时，每5秒处理一次数据，一次处理5个数据，每次处理得到一个基于5个原始数据的流量平均值。以下按照数据采集周期为1秒、数据处理周期为5秒、一次处理数据数量为5个为例，对本发明所述的计量方法详细说明如下：

步骤S1，采集传感器阵列信号。以图1中的原油流量计量装置为例，当被测流体从底部的进液口进入测量管，并从出液口流出的过程中，浮球向上浮动，对应的，浮子连接杆122末端的磁铁123向上浮动。在磁铁123向上移动的过程中，其周围传感器阵列中的霍尔传感器受到磁铁123产生的磁场的作用，产生电信号并组成传感数据。所述传感数据中包括位置信息和数据信息，位置信息为传感器在传感器阵列中的位置，处理模块22每秒对传感器阵列21的信号输出端采集一次数据，从而得到一个传感数据。

步骤S2，从传感数据中识别出位置信息，通过位置信息得到受磁铁123磁场作用的具体霍尔传感器的位置。

步骤S3，由步骤S2中得到的受磁铁123磁场作用的具体霍尔传感器的位置，查询处理模块22中存储的传感器位置与其高度值的对应表，从而确定浮球向上浮动的高度值△hi。

步骤S4，判断是否获得了预置数量的数据，即判断本实施例中是否得到了5个数据，如果目前为5个数据，则在步骤S5计算一次流量值，结束一次数据处理过程。如果没有得到足够数量的数据，则返回步骤S1。

在步骤S5中计算流量值时可以采用两种方式计算：

方式一：依据每一个高度值△hi，利用公式1-5或1-8计算得到一个流量值q_vi，再计算5个流量值q_vi的平均值

作为本次计算的流量值。

方式二：首先计算高度平均值

再根据公式1-5或1-8计算得到流量值q_v。

根据需要按照公式1-6计算一段时间的累积流量，例如，每天或每周计算一次累积流量，通过显示屏显示或发送到外部合法设备中。

在另一个实施例中，可通过以下步骤确定公式1-5或1-8中使用的参数△h：

首先，根据传感数据中的位置信息确定发出数据信息的传感器在传感器阵列中的位置。

然后，根据所述发出数据信息的传感器在传感器阵列中的位置确定同一第一传感器阵列中未发出传感数据的多个第二传感器的感知距离d；以及

而后，从所述第一传感器阵列的总感知距离D_T减去未发出传感数据的多个第二传感器的感知距离d以得到浮子在当前检测位置对应的高度△h_i。

再执行前述步骤S5中的任一计算方式得到流量值。

处理模块22中包括有存储器，将计算得到的流量值存储到存储器中。计算得到的流量值可实时显示到显示屏中，或者，同时经无线方式传输到远端的其他设备上，以供远程读数。

在以上的实施例中，连接杆套筒125与测量管11连通，其共同为液体腔。该液体腔仅在导管33处与外界相通，相通面积小，采用常规的密封方式，如密封条、密封胶等对导管33处进行密封，即可达到很好的密封效果。因而，位置检测模块采用罩于连接杆套筒125外部的传感器套筒，并在其上设置传感器阵列，或者传感器阵列直接分布在连接杆套筒125外表面，即可以获得浮子高度检测信号。不需要传动机构，无连接的信号检测方式增加了装置检测的可靠性和精确性。

本发明还可以通过设置在检测腔内的图像采集装置或光电传感器配合刻度尺检测到浮子的上升位置。

如图11A所示，在连接杆套筒125a外面设置有支架126a，其中设置滑道127a，与磁铁123a对应的位置设置有移动块129a，移动块129a连接刻度尺128a。在一个实施方式中，移动块129a为铁块。当浮子在测量管内上升时，其末端的磁铁123a上升，其吸引移动块129a一起上升，与移动块129a连接的刻度尺128a同时上升。对应连接杆套筒125a末端、在壳体41a上安装图像采集装置130a，如摄像头。刻度尺128a的刻度自顶部向底部标记，即在浮子位于最底部时，刻度尺128a最顶部与图像采集装置130a对应的位置为起始位置0，从0开始向下，直到移动块129a所在位置为最大刻度。当浮子上升，其末端的磁铁123a吸引移动块129a带动刻度尺128a上升，图像采集装置130a采集当前刻度尺图像，通过处理模块的图像识别可以得到浮子上升高度。

如图11B所示，在本实施例中，刻度尺128b与支架126b固定，刻度尺128b的起始位置为最下端移动块129b处。并且，其刻度由深度代表。移动块129b上设置有光电传感器。当移动块129b随着磁铁123a上升时，光电传感器的光发射器发出的光照向刻度尺128b，光接收器接收从刻度尺128b反射回的光，根据接收到的光信号的光能量的变化确定出当前刻度尺128b的刻度。

另外，也可以采用其它方式实现移动块与磁铁的跟踪运动。例如，在移动块129a、129b上设置霍尔传感器和直线电机。当霍尔传感器感应到磁铁123a、123b时，直线电机驱动刻度尺128a和光电传感器跟随磁铁123a、123b移动。

如图11C所示，在本实施例中，设置一传感器套筒40c，其套置在支架126c、滑道127c和移动块129c外部。在另一些实施例中，不需要在支架126c上设置刻度尺，而是在传感器套筒40c上设置多个光电传感器构成传感器阵列用以确定位置。传感器套筒40c的截面如图12A所示。传感器阵列由多个垂直排列在传感器套筒40c侧面内表面的光电传感器组成，每个水平位置上的光电传感器包括光发射部2121c和光接收部2122c，二者固定在传感器套筒40c上，其中，光发射部2121c和光接收部2122c构成的路径2123c与移动块129c的上下垂直运动路径相交。所述浮子连接杆在所述第二传感套筒125c内上下移动，带动传感器套筒40c内的移动块129c在滑道127c上移动，当其遮挡住一个光电传感器的光发射部2121c和光接收部2122c构成的路径2123c时，所述光电传感器发送信号。根据发出信号的光电传感器的位置可以确定所述浮子连接杆的位置，从而可以得到浮子自最低处上升到检测位置时的上升高度。

在另一个实施例中，如图12B所示，传感器套筒40d上的所述传感器阵列由多个光电传感器的光接收部2122d组成，多个光接收部2122d安装在所述传感套筒40d内壁上，光发射部2121d安装在移动块129d上。所述光发射部2121d始终发光，当移动块129d在滑道上沿支架126d移动时，光发射部2121d发出的光可被不同高度的光接收部2122d接收，并发出电信号。根据发出电信号的光电传感器的位置可以确定所述浮子连接杆的位置。

处理模块中存储有传感器位置与高度的对应关系表，处理模块根据传感器位置查询该对应关系表从而得到浮子的上升高度，从而可以计算出被测原油的流量。具体过程可以参照采用霍尔传感器为传感器阵列的实施例，在此不再赘述。

以上位置检测模块及对应的结构仅仅揭示了相关位置检测手段，本领域的普通技术人员可以根据实际需要选择以上检测手段中的任何一种，或者是在以上检测手段的启示下得到相关位置检测结构。

图13是本发明提供的原油流量计量装置的一个应用实施例的剖面示意图。在本实施例中，原油流量计量装置100a的进液口连接进液管400a，进液管400a为一呈反S形的管道，其末端通过弯管连接有法兰401a，用于与原油输送管道相连接。在进液管400a上连接有插入式的含水率检测装置连接座500a和压力传感器连接座600a。原油流量计量装置100a的出液口连接出液管300a，末端通过弯管连接有法兰301a，用于与原油输送管道相连接。在本应用实施例中，原油流量计量装置增加了进液管和出液管，并通过连接法兰处的弯管，可以实现与各种传输方向的原油输送管道连接。如当前的图示，原油输送管道与原油流量计量装置100a的安装方向同向，即都为垂直方向。当原油输送管道为水平方向时，转动与法兰301a、401a相连接的弯管，可分别与水平方向的原油输送管道相连接。由于在原油开采后，除了计量流量以计算产量外，通常还需要测量含水率、管道压力等。由于原油流量计量装置100a串联连接在输送管道内，因而在进液管400a上连接有含水率检测装置和压力传感器的连接座500a、600a，在需要时将含水率检测装置和压力传感器直接插入到连接座即可，既不再需要在原油输送管道打孔，又安装简便。并且，利用原油流量计量装置中的处理模块、无线连接模块等可以接收含水率检测装置测得的含水率、压力传感器测得的压力数据，通过表头(图中未示出)显示，或发送到远端。

图14是本发明提供的原油流量计量装置的另一个应用实施例的示意图。在本实施例中共有三段管道300b、400b、700b及其上的阀门302b、402b、702b，法兰401b、301b分别连接下段原油输送管道和上段原油输送管道。同理，在管道上可设置含水率检测装置和压力传感器的连接座，以方便连接含水率检测装置和压力传感器。在本实施例中，已安装有含水率检测装置500b和压力传感器600b。法兰301b、401b分别用于连接原油输送管道。本实施例设置了三段管道及对应的阀门，可以控制是否需要进行流量、含水率及压力检测，如不需要进行这些项目的测量、检测时，关闭阀门302b、402b，打开阀门702b，下段原油输送管道中的原油经过管道700b流入上段原油输送管道。如果需要进行流量、含水率及压力检测时，关闭阀门702b，打开阀门302b、402b，下段原油输送管道中的原油经过管道400b进入原油流量计量装置100b再经管道300b流入上段原油输送管道，在原油流经过程中，既测量了其流量，也测得了含水率和压力。

综上所述，本发明提供的原油流量计量装置既可以单独连接在原油输送管道中，实现流量的计量，能够长期稳定工作，符合计量精度，同时还可以与其它检测装置集成在一起，方便安装及日常维护。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (15)

1.一种原油流量计量装置，其中包括：

测量部，其包括：

测量管，其包括进液口和出液口，测量管的内径自进液口向出液口逐渐增大；以及

浮子组件，其内置于所述测量管，包括浮子及与其一体连接的浮子连接杆，浮子连接杆的末端连接检测部；以及

计量部，其包括：

位置检测模块，其位于测量管上方、由第一壳体构成的检测腔内，在浮子连接杆末端的检测部伸入到检测腔内时，通过检测所述浮子连接杆末端检测部的位置以获得浮子高度检测信号；以及

处理模块，其连接所述位置检测模块，根据浮子高度检测信号计算被测原油的流量。

2.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中所述浮子为球体，所述处理模块根据公式1-5计算得到被测原油的流量：

其中，q_v为体积流量，α为本装置的流量系数，g为重力加速度，V_f为浮球体积，ρ_f为浮球材料密度，ρ为被测原油密度，θ为测量管的锥角，Δh为浮球从其最低处到当前测量位置的高度，R_f为浮球半径。

3.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中所述测量管包括直管和与其活动套接在一起的倒置锥形管，所述锥形管的锥角不大于20度。

4.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中所述浮子为工作横截面为圆形、且沿垂直中心线对称的结构体，所述处理模块根据公式1-8计算得到被测原油的流量：

其中，q_v为体积流量，α为本装置的流量系数，g为重力加速度，V_f为浮子体积，ρ_f为浮子材料密度，ρ为被测原油密度，θ为测量管的锥角，Δh为浮子从其最低处到当前测量位置的高度，R_f为浮子最大工作半径。

5.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中还包括：

连接杆套筒，其位于检测腔内，并与测量管连通；以及

浮子稳定结构，其连接在所述浮子连接杆末端，包括柱体和多个沿柱体轴向突出于所述柱体侧表面的侧棱；

其中，在浮子从底端上升时时，所述浮子连接杆及所述浮子稳定结构伸入到所述连接杆套筒中。

6.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中所述进液口位于测量管底部，出液口位于测量管侧壁。

7.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中所述位置检测模块为传感器阵列，当浮子连接杆末端的检测部在检测腔内上下移动时，传感器阵列中的传感器检测到所述检测部时输出浮子高度检测信号。

8.根据权利要求7所述的原油流量计量装置，其中所述传感器阵列由多个霍尔传感器组成，多个霍尔传感器沿浮子连接杆上下垂直移动方向排列成第一阵列，所述浮子连接杆末端的检测部为磁铁。

9.根据权利要求8所述的原油流量计量装置，其中所述第一阵列为多个，沿浮子连接杆上下移动方向呈螺旋上升方式排列在第一传感套筒侧面外表面，所述浮子连接杆在所述第一传感套筒内上下移动，每个传感器对应一个唯一检测位置。

10.根据权利要求7所述的原油流量计量装置，其中所述传感器阵列由多个排列在第二传感套筒侧面内表面的光电传感器组成，每个光电传感器对应一个唯一检测位置。

11.根据权利要求7-10任一所述的原油流量计量装置，其中所述传感器阵列输出的检测信号中包括位置信息和数据信息，所述位置信息为发出所述数据信息的传感器在所述传感器阵列中的位置。

12.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中所述位置检测模块包括设置在检测腔内的图像采集装置或光电传感器，及用于表明所述浮子上升高度的刻度尺。

13.根据权利要求1所述的原油流量计量装置，其中在所述第一壳体上安装有表头，其与所述第一壳体连通，所述处理模块位于所述表头。

14.根据权利要求1或13所述的原油流量计量装置，其中所述处理模块包括：

数据采集单元，其与所述位置检测模块相连，经配置按照预置采集周期采集位置检测模块输出的检测信号以得到检测数据；

数据处理单元，其与所述数据采集单元相连接，经配置以处理所述检测数据，并计算得到被测原油的流量；以及

输出单元，其与所述数据处理单元相连接，经配置以输出所述被测原油的流量数据。

15.根据权利要求14所述的原油流量计量装置，其中所述输出单元为人机交互界面，和/或无线传输模块。

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