CN201464327U

CN201464327U - 原油含水自动化验仪

Info

Publication number: CN201464327U
Application number: CN200920100495XU
Authority: CN
Inventors: 李云祥; 乐建君
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2019-07-29

Abstract

一种原油含水自动化验仪。主要解决现有技术中缺乏一种能够对原油含水率进行化验的较好方法的问题。其特征在于所述仪器内有线阵CCD图像传感器；所述仪器内有一个由步进电机控制转动的转环，在转环上沿同一圆周开有若干试管固定孔以插入盛装原油的试管，在所述转环的内、外侧沿试管轴向分别对称固定有发光管阵列和光敏二极管阵列，所述光敏二极管阵列来自于上述线阵CCD图像传感器；所述仪器内有一个微波破乳单元；所述仪器内有一个重量检测单元；所述仪器内有一个由移相调压器和两个电极组成的电脱水单元。该种仪器能够对多个井口油样同时检测，避免了人为误差，使所测得的原油含水率更加准确，同时使原油含水化验更加简便，节省了人工。

Description

原油含水自动化验仪

技术领域：

本实用新型涉及油田开发领域中所用的一种化验装置，具体的说是涉及一种可对原油含水率进行化验的装置。

背景技术：

目前，在油田开发领域中对所采出原油进行含水率化验主要采取两种方式。第一种是人工井口取样后手动化验，即操作人员取出一定数量的油样，在化验室内使用蒸馏法、电脱法、离心法等测定油样的含水量，从而获得油井含水量参数。这是目前我国油田采用的主要检测方法。第二种是在线计量，即在原油管线上安装在线仪表，使用密度计、电容、微波等仪器在线测量液体的含水率。以上两种现有技术，经过长时间的应用被发现都存在着一些缺陷：第一种人工井口取样法，由于井口取样-化验室化验含水，化验过程中停留在手工操作上，存在工作程序繁杂、准确率不高的问题。并且其检测结果与具体操作者的技能水平有很大关系，误差较大。第二种在线计量法是利用油水的介电常数不同，深入分析温度、矿化度等对原油含水测量的影响，通过大量的实验找出原油含水与输出信号关系，运用数学分析出一条相关曲线，并运用特殊的电路，结合双重检测，来拟合此条曲线，再通过换算计算出原油含水的比例。此方法与压力、流量、温度、管径、密度、原油的物性以及含水比例有关，从资料和现场使用上看准确率不是很理想。并且价格昂贵，无法普及到单井。

实用新型内容：

为了解决现有技术中缺乏一种能够对原油含水率进行化验的较好方法的问题，本实用新型提供一种原油含水自动化验仪，该种原油含水自动化验仪虽然仍基于人工井口采油样，但是能够将几十个井口油样放置在仪器内同时检测，几十分钟内便可打印出全部含水化验值，克服了因操作人员技术水平不同而带来的误差，使所测得的原油含水率更加准确。

本实用新型的技术方案是：该种原油含水自动化验仪，在仪器壳体内以单片机作为中央微处理器并配置扩展存储器，且具有显示单元、打印单元，其特征在于：

所述仪器内有线阵CCD图像传感器，由所述单片机端口为其输出四路驱动信号，分别是时钟信号、转移脉冲信号、复位时钟信号和采样保持时钟信号，由此线阵CCD图像传感器所提取的变化的电压信号经过二值化处理输送到所述单片机；

所述仪器内有一个由步进电机控制转动的转环，在转环上沿同一圆周开有若干试管固定孔以插入盛装原油的试管，在所述转环的内、外侧沿试管轴向分别对称固定有发光管阵列和光敏二极管阵列，所述光敏二极管阵列来自于上述线阵CCD图像传感器；

所述仪器内有一个微波破乳单元，由均匀固定于所述转环周围的若干磁控管以及相应控制电路组成，由所述单片机为该电路起停继电器的吸合与断开提供控制信号；

所述仪器内有一个重量检测单元，由置于试管下的压力传感器以及接收此压力传感器信号后进行放大和模数转换的电路构成，所转换成的数字信号，输送到所述单片机的数据输入口；

所述仪器内有一个由移相调压器和两个电极组成的电脱水单元，所述两个电极分别位于所述试管的上、下端。

本实用新型具有如下有益效果：应用本实用新型中所述的这种仪器进行原油含水率化验时，原油首先在微波的作用下实现微波破乳，之后在高压电场的作用下实现电脱水，然后通过线阵CCD图像传感器将油、水界面高度值传送给微处理器，再结合测得的重量以及油和水的密度即可得出原油含水率。随着步进电机控制转环的转动，可以将内置的多个试管油样，甚至是将几十个井口油样放置在仪器内同时检测，几十分钟内便可打印出全部含水化验值，克服了因操作人员技术水平不同而带来的误差，使所测得的原油含水率更加准确。此外，通过与微处理器联接的数据接口可以利用网络将原油含水资料及时准确地输入到开发数据库中，自动更新含水指标，使该指标排除人为因素影响，更准确，更科学。并且这种仪器由于集中封闭操作，使得节能、破乳脱水效果好，远高于常规加热方法，使工人的劳动强度大为简化，提高了工作效率。

附图说明：

图1是本实用新型中转环的结构示意图。

图2是本实用新型中线阵CCD图像传感器感应油水界面高度示意图。

图3是本实用新型中微处理器及扩展存储器电气原理图。

图4是本实用新型中线阵CCD图像传感器的电气原理图。

图5是本实用新型中温度检测单元的电气原理图。

图6是本实用新型中重量检测单元的电气原理图。

图7是本实用新型中步进电机控制电气原理图。

图8是本实用新型中微波破乳单元电气原理图。

图9是本实用新型中电脱水单元电气原理图。

图10是本实用新型中LCD显示电气原理图。

图11是本实用新型中打印部分的电气原理图。

图12是本实用新型加入串口通信的电气原理图。

图13是本实用新型所加入的矩阵键盘的电气原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

此种自动原油含水化验仪，在仪器壳体内以单片机作为中央微处理器并配置扩展存储器，且具有显示单元、打印单元，分别如图3、图10、图11所示。所述单片机选用微软公司51系列的C8051F060型单片机，扩展存储器选用IDT71V124SA型芯片。此外，仪器还包括下列部分：

首先，所述仪器内有线阵CCD图像传感器，如图4所示。“CCD”即“Charge Coupled Device”意即电荷耦合器件，在实际制作时，选用NEC公司的UPD3575D芯片，芯片为20脚DIP封装，芯片上像敏单元数目为1024，单元大小为14μm×14μm×14μm，相邻像元中心距为14μm，光敏区域采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元，内置采用保持电路、输出放大电路，外观尺寸为25.5mm×10mm.

该芯片工作时，通过单片机端口输出其四路驱动信号分别是：时钟Φ10、转移脉冲ΦTG、复位时钟ΦR0和采样保持时钟ΦSHO，当线阵CCD图像传感器被驱动后因其光电特性会有视频模拟信号Vout输出，模拟信号Vout在线阵CCD图像传感器扫描到油区和水区有明显的幅值大小区别，要提取的信息就是这个变化的电压信号。Vout通过二值化处理就能得到单片机能够直接处理的数字信号，然后通过CPU内预先固化的算法程序就能得到相应的原油以及水的高度。

其次，所述仪器内有一个由步进电机控制转动的转环，如图1所示，在转环上沿同一圆周开有若干试管固定孔以插入盛装原油的试管。在所述转环的内、外侧的某一个位置上，沿试管轴向分别对称固定有发光管阵列和光敏二极管阵列，所述光敏二极管阵列来自于上述线阵CCD图像传感器。当发光管发出的光遇到黑色的油后被挡住，相应的光敏二极管阵列感应为“0”，遇到透光的水和油上方的空间后，相应的光敏二极管阵列感应为“1”。由于所选用的线阵CCD图像传感器中感应元素以及元素之间隙在几十微米至几微米之间，足以满足我们对精度的需要。在转环设计方案中，每测量完一个样品试管，就需要转环转动一定的角度以测量下一个样品，为了使转动后试管的位置和测量探头能够准确契合，进而得到精确的测量结果，必须对控制转环转动的步进电机进行精确的控制。图7是本实用新型中步进电机控制电气原理图，在实际制作时，我们可以采用基于L297/298驱动器的混合式步进电机，其中L297是步进电机控制器，L298是用来驱动步进电机的集成电路，采用双全桥接方式驱动，用L297输出信号可控制L298双桥驱动集成电路，用来驱动电压最高为46V，总电流为4A以下的步进电机。L297的核心是其内部的译码器，通过译码器L297产生三种相序信号，以对应三种不同的工作模式：即半步模式、整步一相励磁模式、整步两相励磁模式。译码器受L297的方向输入引脚信号-CW/CCW，和半步方式/整步方式-HALF/FULL，输入引脚信号所控制。译码器内部是一个3BIT的计数器，加上一些组合逻辑，产生格雷码时序信号用于控制L298驱动步进电机。

再次，所述仪器内有一个微波破乳单元，其电气原理图如图8所示，由均匀固定于所述转环周围的若干磁控管以及相应控制电路组成，由所述单片机为该电路起停继电器的吸合与断开提供控制信号。本单元的工作原理为：水在原油中有四种存在形式，包括游离水、悬浮水、乳化水和溶解水，待将油样倒入试管中时，游离水沉入试管底部，原油中存有悬浮水、乳化水、溶解水三种，其中乳化水分离较难。通过在3×10⁸～3×10¹¹Hz之间选择频率的微波照射能大幅提高原油中乳状液的破乳脱水率。本例中选用2450MHz～915MHz。由于微波辐射形成的高频变化的电磁场，使极性分子高速旋转，破坏油水界面的Zeta电位，当液珠失去Zeta电位的作用后，容易碰撞聚并，导致油水分离，这样原油中的悬浮水、乳化水、溶解水聚并成小水滴，在重力的作用下，向下沉淀，又由于微波形成的磁场还能使非极性的油分子磁化，形成与油分子轴线成一定角度的涡旋电场，该电场能减弱分子间的引力，降低油的粘度，从而增大油水的密度差，使乳状液更易破乳脱水。

本例中，可将4个磁控管匀称地安放在微波室前后，为了使微波均匀，可采用先后次序地辐射，在系统中通过微处理器发出指令信号，使与CPU通用I/O口相连的控制磁控管电源的继电器吸合，磁控管工作进行微波破乳。

与上述微波破乳单元相承接的为电脱水单元，本仪器内有一个由移相调压器和两个电及板组成的电脱水单元，所述两个电极板分别位于所述试管的上、下端，其电气原理图如图9所示.在微波破乳后，为了加速油水的分离速度，在试管上下两端施以3-5万伏交、直流高压，继续破乳、分离，但此时更侧重于分离.水滴在高压电场中，发生变形和产生静电力，从而促使水滴克服油膜的障碍而彼此聚结成粒径较大的水滴，从原油中沉降分离出来.达到油水快速分离目的，联合站中五合一罐便是一个交直流电脱水法分离的例子.不过，此过程也可以不要，但静止时间稍长，可达五十分钟左右.在此单元中，高压电源通过市电经由一个移相调压器输出后升压实现，移相调压器的型号为EUV-65A，可通过调节变阻器的阻值，改变输出从而得到脱水效果最好的电压.

此外，所述仪器内有一个重量检测单元，如图6所示，由置于试管下的压力传感器以及接收此压力传感器信号后进行放大和模数转换的电路构成，所转换成的数字信号，输送到所述单片机的数据输入口。这样，利用压力传感器，置于试管下，当微弱的电流流过传感器时，由于压力发生变化，压力传感器两端电压发生变化，经放大、模数转换器处理后转换成数字信号，传到微处理芯片处理，结合其他参数可以得出此次化验油样的比重。

除上述组件外，为了保证破乳效果，还可以加入一个温度检测单元，如图5所示，利用温度传感器，置于试管上，当微弱的电流流过传感器时，由于温度发生变化，温度传感器两端电压发生变化，经放大、模数转换器处理后转换成数字信号，传到微处理芯片处理，当达到设定值时，停止微波辐射，做到模块单元个性化微波辐射，使破乳效果更好。可以使用数字式温度传感器DB1820实现温度检测，该传感器只有三个管脚，分别是电源、地以及用于直接向CPU输入数字信号的DQ管脚，使用起来非常方便，编程简单。

本实用新型的具体操作过程如下：

1、将仪器放在工作台上，调整装置以保证其处于水平状态。

2、打开电源按钮，在单片机空之下除高压、微波电源外开始自检，包括CCD线阵列、温度检测、重力检测、显示、打印等。

3、化验员通过特制工具，将样桶中的油样取出，倒入试管中。将试管放入转环中，同时通过矩阵键盘输入样品标号和待测样品的数量，并通过LCD显示，按顺序将待测所样本放置完毕后，执行下一步。

4、关闭上盖，按启动按钮，根据微处理芯片的指令，磁控管控制继电器吸合，驱动微波室里相应的磁控管开始工作，同时温度检测单元开始实时检测微波室内的温度，在达到预设的微波辐射时间或在没有达到辐射工作时间而提前达到温度预定值时，继电器断开，相应磁控管停止工作。此过程大概不超过三分钟。

5、微波处理过后，乳化液破乳脱水，为了达到快速彻底的分离，通过高压电源在试管上下两端加3-5万伏交直流高压，继续破乳分离，此过程大概需要25分钟。预设的加压时间到时，断开高压电源。如果3-5万伏静止高压后，温度仍未降下来，微处理器将根据实际情况通过冷却控制继电器吸合，打开风扇冷却。

6、通过线阵CCD图像传感器检测油水界面高度，通过CPU的驱动，发光二极管LED阵列发出蓝光，线阵CCD图像传感器中光敏二极管阵列接收从LED透射穿过待测试管的光信号，如图2所示，通过透镜的聚焦感应光信号强度的变化，根据CPU程序预设的算法，计算出油水界面的高度，再结合上面所测得的重量以及其它已知参数得出原油中的含水值。

具体计算如下：设试管的内截面积为S，通过感应光信号强度的变化，可知液面高度h_y和h_s的液面高度。

原油比重r_o的计算：

先计算第一支试管，以第一号试管为标准样品试管，根据试管中液的高度h_y、油水面高度h_s、重量G_y、水的比重为1，计算出油的比重：

r_o＝(G_y-h_sS)/((h_y-h_s)S)

r_o可作为这一地区的原油比重，也可人为输入原油比重，但不灵活。在这里我们指定CCD阵列所处试管位置为测试位置。

在第一支试管检测完毕后，控制步进电机带动转环转动一定角度，将待测样品试管置于测试位置上，通过公式：h_s/(h_s+(h_y-h_s)r_o)即可计算出原油含水值。

经过大量的试验证明，本实用新型与常规加热化验方法相比有如下优点：

1)使原油含水资料能及时准确地联入开发数据库，自动更新含水指标，使该指标排除人为因素影响，更准确，更科学。

2)节能、破乳脱水效果好。远高于常规加热方法。

3)使工人的劳动强度大为简化，提高了工作效率。

4)应用简便、直观，LED显屏显示含水率；提供数据打印功能；提供RS232标准通讯接口。

5)安装方便、运行可靠、高环保、长寿命。

Claims

1.一种原油含水自动化验仪，在仪器壳体内以单片机作为中央微处理器并配置扩展存储器，且具有显示单元、打印单元，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的原油含水自动化验仪，其特征在于：所述仪器内有一个温度检测单元。

3.根据权利要求2所述的原油含水自动化验仪，其特征在于：所述线阵CCD图像传感器为NEC公司UPD3575D型线阵CCD图像传感器，所述单片机选用微软公司51系列的C8051F060型单片机，扩展存储器选用IDT71V124SA型芯片。