CN202974920U - 存储式电导探针含水率计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种存储式电导探针含水率计，该存储式电导探针含水率计由电导探针阵列、驱动电路、电池组、电路筒、电池组筒、进液口、出液口组成。其中，电导探针阵列可由1~8根不锈钢介质的电导探针组成，并分布于管道内同一截面局部点上，用于测量各局部点含水率信号；驱动电路密封在不锈钢电路筒中，用于控制多路AD采集模块、数据融合模块、存储器模块和串行通信接口的工作模式；电池组密封在不锈钢电池组筒中，电池组可由1~5节具有超长放电时间、耐温特点的电池组成，为整个仪器提供电源；根据电导探针测量原理，油气水或油水混合物由进液口流入，出液口流出，穿过管道内同一截面中电导探针阵列时产生不同点的局部含水率信号，并采用多传感器数据融合方法进行电导探针阵列信号融合处理。该仪器具有测量精度高、性能可靠、耐高压、耐高温、结构精巧、体积小等优点，非常适合油井井下狭小空间内对油气水或油水多相流的含水率进行实时在线测量。

Description

存储式电导探针含水率计

技术领域

本实用新型涉及一种存储式含水率测量仪器，特别是关于一种可用于深井下或地面测量多相流管道中含水率的存储式电导探针含水率计。 

背景技术

现代油田工业的开发、测试、生产过程中，对其测量技术的研究具有重要的意义，多相流参数检测技术已成为多相流研究领域的一个制约性因素。在油田开发处于高含水阶段，含水率的准确测量对油田的动态监测具有十分重要的意义，所以迫切需要能准确可靠测量含水率的仪器。尽管目前国内外学者做了大量的研究工作，但迄今为止商品化的井下含水率测量仪器较少，含水率检测技术仍是一个亟待探索的研究领域。 

所有文献提到的目前使用油气水三相流或油水两相流含水率测量仪器有如电容含水分析仪、振管密度计和放射性密度计等，其中电容含水分析仪适用于油为连续相的情况下，在特高含水期精度较低，目前已经很少使用；放射性密度计性能可靠，但价格昂贵，且存在安全隐患；振管密度计测量精度较高，但易受结垢等因素的影响，而且流体中含气也对测量造成较大误差。 

由于油田开采属于深井作业，一般都在1000米以下，所以油井内的压力和温度变化范围较大，压力变化范围从几兆帕到几十兆帕，温度变化从十几℃到上百℃，以往的仪器在测量过程中，将井下传感器输出的模拟信号经过预处理后，通过测井电缆传输至地面，再由地面分析仪器中的采集处理模块完成运算。这种传输方式存在衰减大，易受外界信号干扰，以及 需要多芯电缆进行传输等问题。 

根据油井井下苛刻的环境需要仪器具有耐高温，耐高压、体积小等特点，这就使得当前较为成熟的地面流体组分测量仪器难以推广到井下作业。由此可见，为满足油田生产的实际要求，迫切需要研制一种适合油井井下苛刻环境下能够长时期测量油水或油气水多相流含水率的存储式含水率计。 

发明内容

针对上述存在的问题，本实用新型的目的是提供一种能够适合油井井下恶劣环境或地面工作的，具有结构简单、体积小、便于操作和可靠性高等特点并可长期自动监测油井含水率动态变化的存储式电导探针含水率计。 

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案： 

一种存储式电导探针含水率计，它包括—电导探针阵列、—驱动电路、—电池组、—电路筒、—电池组筒、—进液口、—出液口。其中驱动电路被密封在不锈钢保护电路筒内，电池组被密封在不锈钢的电池筒内。 

所述仪器外径为20mm~85mm。 

所述电导探针阵列可由1~8根不锈钢介质的电导探针组成，并分布于管道内同一截面各局部点上。 

所述电导探针的材质为不锈钢导电介质，其探针直径为200μm～1200μm。 

所述驱动电路包括-多路AD采集模块、-微控制器模块、-存储器模块、-串行通信接口、-定时模块，其中： 

多路AD采集模块采用具有集成多路AD采集的微控制器实现。 

微控制器模块采用具有高速、低功耗、耐温、耐压、超强抗干扰特性的集成高速8路AD采集的STC系列微处理器芯片，工作电压为2.2V~3.6V；且下载控制程序、传输控制命令及存储器中的数据采用微控制器自带异步串行通信接口。 

存储器模块采用具有低功耗、可百万次擦写、耐温、耐压等特点，工作电压为1.7v~5.5v，支持串行I²C总线的E2PROM存储介质，通过I²C总线进行级联构成存储阵列；存储阵列可由1~4片E2PROM存储介质组成，已满足存储容量。 

定时模块采用循环定时器来自动控制电导探针阵列和驱动电路的供电，可设定2~24小时工作采集1~10次的时间间歇地通电工作。 

所述的电导探针阵列信号采用如算术平均值法、面积加权平均值法、算术/加权平均与递推估计、自适应加权融合估计等融合处理的方法进行含水率估计。 

所述的存储式电导探针含水率计整个仪器正常工作耐温为（-45℃~+125℃）、耐压为（0～30Mpa）。 

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点： 

1、本实用新型由仪器外径可为20mm~85mm，实现仪器小型化特点，满足油井井下的狭小空间内对油水或油气水多相流的含水率测量的要求。 

2、本实用新型由电导探针测量原理利用电导探针阵列对管道内截面局部多点含水率进行测量，并利用多传感器数据融合的方法进行平均截面含水率估计，进而提高仪器的测量持水率精度。 

3、本实用新型由集成高速多路AD采集模块的STC系列微处理器为核心控制器，从而在整体上简化了系统软硬件的设计和实现。 

4、本实用新型由存储器模块采用具有功耗低、可百万次擦写、工作电压范围宽、耐温、耐压等特点的非易失性的EEPROM组成存储器阵列，系统采集的多路信号实时存于EEPROM存储器阵列内，从而避免了因原始信号从井下直接由电缆传输至地面过程中存在的信号衰减、受外界信号干扰、以及需要多芯电缆进行传输等问题；待仪器出井后利用上位机连接异步串行通信接口回放存储器阵列中的数据，以便对油井的进一步分析。 

5、本实用新型由定时模块采用低功耗的循环定时器来自动控制电导探针阵列和驱动电路的供电，设定一定的时间间歇通电工作，大大降低了系统的供电消耗。 

6、本实用新型由仪器驱动电路模块简洁化使得系统功耗小，即仪器采用具有供电时间长、耐温、耐压等特点的电池组作为仪器电源，省去了井下为仪器提供电源所需的电缆问题。 

7、本实用新型由仪器具有耐温、耐压、小型化特点满足了井下高温、高压及狭小空间内测量的需求，保证了仪器可以正常稳定的工作。 

本实用新型可广泛应用于深井下或地面的多相流管道中含水率测量。 

附图说明

图1是本实用新型存储式电导探针含水率计的结构示意图。 

图2是本实用新型存储式电导探针含水率计的原理图。 

图3是本实用新型存储式电导探针含水率计的单电导探针工作示意图。 

图4是本实用新型存储式电导探针含水率计微控制器控制程序流程图。 

图5是本实用新型存储式电导探针含水率计微控制器控制电路原理图。 

图6是本实用新型存储式电导探针含水率计存储阵列电路原理图。 

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本实用新型一种存储式电导探针含水率计进行详细的描述。 

如图1所示，本实用新型一种存储式电导探针含水率计的结构主要由电导探针阵列6、驱动电路4、电池组2、电路筒3、电池组筒1、进液口7、出液口6组成。其中电池组2和驱动电路4分别密封在不锈钢的电池组筒1、驱动电路筒3中，电池组2为整个仪器工作提供稳定的电源；驱动电路4将控制整个仪器的工作模式；根据电导探针测量原理，油气水或油水混合物从进液口7流入，出液口5流出，通过电导探针阵列6时将产生管道内同一截面不同点局部含水率信号，并利用驱动电路2中微处理器采用多传感器数据融合方法进行电导探针阵列信号的融合处理，以便估计出较准确的平均截面含水率值。 

如图2所示，本实用新型一种存储式电导探针含水率计原理图包括电导探针阵列信号8、多路AD采集模块9、微控制器模块10、存储器模块11、串行通信接口12、定时模块13、数据融合模块14和电源15。其中，电导探针阵列信号8由电导探针阵列测量多相流含水率产生的信号并传输至多路AD采集模块9；多路AD采集模块9将接收的电导探针阵列信号8进行数模转换并传输至微控制器模块10；微控制器模块10为存储式电导探针含水率计的核心，主要功能包括：控制多路AD采集模块9采集电导探针阵列信号9，将采集的多路信号实时存储到存储器模块11中；控制串行 通信接口12，用于下载控制程序、传输控制命令及传输存储器中的数据，待仪器出井后，利用上位机软件回放存储器模块11的数据，以待进一步分析处理； 

存储器模块11用于存储微控制器模块10处理的数据； 

串行通信接口12用于将微控制器模块10接收的或存储器模块11中读取的电导探针阵列数据传输至上位机，也用于下载微控制器模块10的应用控制程序； 

定时模块13用于控制仪器定时供电进行含水率测量，系统选取具有低功耗的CMOS循环定时器系列来自动控制微控制器和电导探针阵列驱动电路的供电，使之按设定的时间间歇地通电工作。 

数据融合模块14用于处理电导探针阵列信号的数据，由于在垂直上升管内的动态环境下，同一截面内各局部点的持水率处于动态变化，同一时间内测量各点持水率有所不同，即系统可以采用如下等方法对电导探针阵列信号进行进一步的处理，以便获取更加准确的平均截面持水率值； 

1）算术平均值法 

当管道内同一截面分布N多个电导探针进行测量，则可以对电导探针阵列获取的各个局部持水率值利用简单的算术平均的方法估计出平均截面持气率值，该方法简单、容易编程实现。 

2）面积加权平均法 

对于指定半径的圆管及电导探针，根据其圆管截面的对称性，长时间测量中，每个电导探针测量所在的径向环状位置的局部持水率可以看作为基本相同，对于有限个电导探针获取的局部持水率利用单个 探针的有效测量面积所占总的有效测量面积的比值作为各局部持水率的权值进行平均截面含水率的估计。 

3）算术/加权平均与递推估计 

由1）和2）方法仅仅实现了数据的空间的融合，而该方法可在1）和2）方法的空间融合基础上，利用平均值与递推估计的方法对测量局部点持水率进行空间和时间想结合的数据融合。 

4）自适应加权融合估计 

该方法的思想就是利用各测量的数据结果与期望值的方差的大小决定各局部持水率估计的权值，非常适合运用于各测量结果处于动态变化状态进行融合估计。 

电源模块15采用电池组供电，由于系统要求在井下稳定工作至少长达半年，选用高能的锂亚硫酰氯电池，其额定输出电压为3.6V，工作电压随负荷而变化，一般在3.0V~3.6V之间。锂亚硫酰氯电池的主要特点为：(1)锂亚硫酰氯电池的质量比能量高达500WH/Kg，体积比能量高达1000WH/L，是目前电池中最高的。(2)锂亚硫酰氯电池特别适合长时间放电使用，负荷电压及其平稳，90%以上的容量可以在电压几乎不变的高平台上放出。(3)锂亚硫酰氯电池可以在极端恶劣的环境中使用，常规电池可在-55℃~+85℃的环境中使用，特制电池可以在高达150℃环境中使用；该电池在常温下年自放电率小于1%，在低于35℃的环境下储存期可达15年。即非常适合为井下仪器提供电源。 

如图3所示的本实用新型一种存储式电导探针含水率计中单电导探针的工作示意图，管道内中自下而上流动的油气水三相混合物中，油相和气 相均为不良导电介质，水的导电率相对较大。因而可利用水、油和气导电率的显著差别，设置电导探针A端置为高电平，当电导探针B端与水接触，即为水相时，电导探针B端电平被拉低，从而使电导探针输出信号为低电平；相反，当为油或气相时，电导探针B端电平未被拉低，探针输出信号为高电平。随着油气水三相流体交替穿过电导探针B端，将使整个电导探针输出随时间连续变化的高低电平的电压信号，即所述其中电导探针阵列中的信号；该电导探针阵列信号经过预处理后送入AD采集模块后并利用微控制器及数据融合模块，通过信号处理，即可得到截面的局部瞬时含水率，并电导探针阵列信号利用多传感器数据融合技术的方法估计出管道内油气水三相流平均截面含水率。 

如图4所示的本实用新型一种存储式电导探针含水率计中微控制器控制程序流程图，系统电路使用STC系列单片机AD采集及E2PROM存储器完成电路设计，具体步骤如下： 

(1)系统初始化(主要有I/O，串口，及定时器初始化)。 

(2)调用读取函数，读E2PROM，判断上次AD采集是否处理完256字节；若处理完，即数据地址低八位为0xFF；判断E2PROM是否存满，若满，则停止运行，否则定时等待t S；若未处理完，则无需等待t S，直接转入步骤(6)进行AD采集。 

(3)打开串口(接收串口中断)。 

(4)开始定时器，定时t S，若t s之内接收到串口中断数据，则判断命令是否为读、擦除E2PROM；若是读，则按照接收的指定的数据地址，一次向上位机传送256字节；若为擦除命令，则将指定数据地址的256字节 空间写为0xFF；上位机发送字节的数据格式为：命令+块地址+数据首地址+0xFF，以0xFF作为接收数据结束标志；例如： 

读操作格式为：“0x55 0xA0  0x0000 0xFF”； 

擦除操作格式为：“0xAA 0xA0  0x0000 0xFF”； 

(5)定时时间到t S，未接收到串口中断，关串口中断。 

(6)定时1s，开始AD采集，进行N路AD采集，AD采样间隔为1s，并将AD采集结果和数据当前地址存储在E2PROM中，每路AD采集256个字节，即系统运行一次，处理256*N个字节，耗时256*Ns。 

(7)处理完每通道的256个字节后，结束AD采集，关定时器，根据电导探针工作原理计算出各探针的局部持水率，再利用多传感器数据融合方法估计出平均截面持水率值，最后上电继续步骤(1)。 

如图5所示的本实用新型一种存储式电导探针含水率计中微控制器控制电路原理图，单片机控制电路主要负责实时采集电导探针阵列输出的电压值及进行信号的融合处理，并将其存储至外部EEPROM数据存储阵列中。单片机控制电路所使用的核心芯片为宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机STC系列，具有ADC0~ADC7的8路高速8位A/D转换(即30万次/秒)；I²C总线外扩存储阵列；外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器，下载应用程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；通用全双工异步串行口，供调试、下载及传输命令和数据，满足仪器系统的要求。 

如图6所示的本实用新型一种存储式电导探针含水率计中数据存储阵列电路原理图，井下含水率监测仪需要存储大量数据，必须选择合适的耐 高温存储介质。由于硬盘体积较大，而井下工作空间狭小，无法安装；满足耐温性能的大容量Flash芯片又不易获得；而EEPROM满足设计要求的产品较多，且易于获取，其中支持串I²C总线的EEPROM芯片占用管脚资源少，仅需1根时钟线SCL及1根数据线SDA即可完成单片机与EEPROM间的双向数据传输。Microchip公司的24AA××××系列串行EEPROM芯片支持I²C总线，具有功耗低、可百万次擦写、工作电压范围宽、工作温度可达125℃的特点，故选取其作为所设计的井下电子测井仪器的存储芯片。 

由于单片24AA××××芯片的存储容量较小，为使存储器的存储容量满足设计要求，需要将多片24AA××××通过I²C总线进行级联构成存储阵列。因为一对I²C总线上只可级联4片24AA××××芯片，因此本系统外扩了4片24AA××××系列芯片。 

单片机通过I²C总线与存储器阵列进行通信，完成标定参数、采样数据、持水率的融合估计值的读取和存储等功能。在利用I²C总线进行数据传输，需要配合好传输信号的时序，I²C总线的SCL时钟线用来控制主器件与从器件之间的时钟同步，SDA数据线用来传输控制信号、应答信号和数据信号等。当单片机对存储芯片进行读写操作时，SDA数据线上信号的传输必须满足读写操作时序才能进行数据读取和存储。 

Claims (7)

1.一种存储式电导探针含水率计，它包括—电导探针阵列、—驱动电路、—电池组、—电路筒、—电池组筒、—进液口、—出液口，其中驱动电路被密封在不锈钢保护电路筒内，电池组被密封在不锈钢的电池筒内。 

2.根据权利要求1所述的一种存储式电导探针含水率计，其特征是：所述仪器外径为20mm~85mm。 

3.根据权利要求1所述的一种存储式电导探针含水率计，其特征是：所述电导探针阵列可由1~8根不锈钢介质的电导探针组成，并分布于管道内同一截面各局部点上。 

4.根据权利要求1或3所述的一种存储式电导探针含水率计，其特征是：所述电导探针的材质为不锈钢导电介质，其探针直径为200μm～1200μm。 

5.根据权利要求1所述的一种存储式电导探针含水率计，其特征是：所述驱动电路包括—多路AD采集模块、—微控制器模块、—存储器模块、—串行通信接口、—定时模块，其中： 

1）多路AD采集模块采用具有集成多路AD采集的微控制器实现， 

2）微控制器模块采用具有高速、低功耗、耐温、耐压、超强抗干扰特性的集成高速8路AD采集的STC系列微处理器芯片，工作电压为2.2V~3.6V；且下载控制程序、传输控制命令及存储器中的数据采用微控制器自带串口通信接口， 

3）存储器模块采用具有低功耗、可百万次擦写、耐温、耐压等特点，工作电压为1.7v~5.5v，支持串行I2C总线的E2PROM存储介质，通过I2C总线进行级联构成存储阵列；存储阵列可由1~4片E2PROM存储介质组成，已满足存储容量要求， 

4）定时模块采用循环定时器来自动控制电导探针阵列和驱动电路的供电，可设定2~24小时工作采集1~10次的时间间歇地通电工作。 

6.如权利要求1所述的存储式电导探针含水率计，其特征在于：所述的电导探针阵列信号采用如算术平均法、面积加权平均法、算术/加权平均与递推估计、自适应加权融合估计等融合处理的方法进行含水率估计。 

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的存储式电导探针含水率计，其特征在于：所述的存储式电导探针含水率计整个仪器正常工作耐温为（-45℃~+125℃）、耐压为（0～30Mpa）。 

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