CN211577013U - 基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，该系统包括一丝网传感器传感器，所述丝网传感器传感器包括两层电极丝，每一层电极丝平行设置，且两层电极丝之间垂直设置，构成网格结构；其中一层电极丝为信号发送端，另一层电极丝为信号接收端；所述信号发送端连接有微波信号发生系统，所述信号接收端连接有信号采集系统，所述微波信号发生系统和所述信号采集系统均与一中控系统连接。基于微波丝网传感器传感器采用一种非接触式测量手段，相比于电导法接触式测量，电极沾污不会显著影响持水率测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及测量技术领域，具体涉及一种基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统。
背景技术
原油含水率是石油开采、石油化工行业中的一个重要参数，是油田生产和油品交易中的关键数据，对原油的开采、脱水、储运销售及原油炼制加工等都具有重要的意义。我国先后开发出多种不同形式的原油含水率测试仪，投入油田使用后，虽然取得了一定的效果，但由于工艺和技术水平原因，其稳定性、准确性、实时性、可靠性及成本情况难以适应我国高含水油田生产实际的要求。在这一前提下，通过新型传感器测量石油开采过程中的管道含水率，就显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本实用新型提供一种基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统。
本实用新型提供一种基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：该系统包括一丝网传感器传感器，所述丝网传感器传感器包括两层电极丝，每一层电极丝平行设置，且两层电极丝之间垂直设置，构成网格结构；其中一层电极丝为信号发送端，另一层电极丝为信号接收端；
所述信号接收端连接有微波信号发生系统，所述信号发送端连接有信号采集系统，所述微波信号发生系统和所述信号采集系统均与一中控系统连接。
优选地，电极丝采用0.2mm的铜漆包线制作。
优选地，所述丝网传感器传感器采用8×8结构，层间距为1.6mm相邻电极丝的距离为7.14mm。
优选地，所述微波信号发生系统包括一微波信号发生模块，所述微波信号发生模块一端与所述中控系统连接，接收所述中控系统的控制指令，产生微波信号；另一端与所述信号发送端连接，向所述丝网传感器传感器的信号发送端施加微波激励信号。
优选地，所述微波信号发生模块与所述丝网传感器传感器的信号发送端之间连接有一微波信号过滤模块，用于实现对微波信号进行滤波。
优选地，所述微波信号发生系统还包括一微波信道切换模块，所述微波信道切换模块的输入端与所述微波信号发生模块连接，接收所述微波信号发生模块发出的不同频率的微波信号，并根据不同的输入频率来切换滤波信道；输出端与所述微波信号过滤模块连接。
优选地，所述微波信号发生系统还设置有一功率分配器，所述功率分配器的输入端与所述微波信号过滤模块的输出端连接，所述功率分配器的输出端分别与所述丝网传感器传感器的发送端和所述信号采集系统中微波信号比较模块连接。
优选地，所述信号采集系统包括微波信号比较模块，所述微波信号比较模块的输入端分别与所述丝网传感器传感器的信号接收端和所述微波信号发生系统的功率分配器的其中一路连接。
优选地，所述信号采集系统还包括微波信号采集模块，所述微波信号采集模块的输入端与所述微波信号比较模块的输出端连接，所述微波信号采集模块的输出端与一中控模块连接，微波信号采集模块受所述中控模块控制。
优选地，每组信号发送端连接有发送端控制开关，每组信号接收端连接有接收端控制开关，所述微波信号发生系统通过发送端控制开关与所述微波信号发送端连接，所述信号接收端通过接收端控制开关与所述信号采集系统连接；所述发送端控制开关和所述接收端控制开关均与所述中控系统连接。
本实用新型具有的优点和积极效果是：首先，基于微波丝网传感器传感器采用一种非接触式测量手段。相比于电导法接触式测量，电极沾污不会影响持水率测量精度。其次，多相流流过丝网传感器传感器，计算机设备能够通过采集接收电极的数据，生成基于不同流相相对介电常数值的横截面分布图像。基于微波的丝网传感器传感器的空间分辨率等于相邻两根电极之间的距离。可以根据具体需要减小管径、增加电极数量提高空间分辨率。再次，基于微波的丝网传感器传感器，使用微波作为激励信号，激励频率相比于电导式和电容式更高，这为采样率提高提供了更大的提升空间，选择更优的采集电路与采集设备，可以提高截面分布图像单位时间内采集的帧数。
附图说明
图1是基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统的结构示意图；
图2是基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统的电路结构原理图；
图3是基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统的另一个实施例的电路结构原理图。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型，下面结合具体实施例和附图对本实用新型进行进一步的描述。
如图1所示，本实用新型提供一种基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，该系统包括一丝网传感器传感器10，所述丝网传感器传感器 10包括两层电极丝，每一层电极丝平行设置，且两层电极丝之间垂直设置，构成网格结构；其中一层电极丝为信号发送端102，另一层电极丝为信号接收端101；
所述信号接收端101连接有信号接收系统，所述信号发送端连接有微波信号发生系统，所述微波信号发生系统和所述信号采集系统均与一中控系统连接。
丝网传感器是一种用于测量原油中含水率的金属网状传感器，最早由 JohnsonID.在1987年提出。通过测量丝网传感器传感器的响应信号，得到丝网的电导率分布与介电系数分布，从而进行层析成像，获取油水体积分数与油泡形态。
目前丝网传感器主要有电容式与电导式两种。传统电导式在捕获方面存在局限性，分散相的高分集严重影响测量。Hammer等人使用电容法进行测量，电容法采用管道内所有混合流体的平均法测量，适合于工况条件下两相流流型复杂的要求。但是，电容法的量程范围小，可调性差，仅适合于含水率低于84％的油田。并且油水的玷污对测量精度影响很大。
微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，近年来，微波技术除了在通讯领域应用广泛，也被广泛应用在成像技术、测量技术当中。作为一种非接触式测量手段，微波法在两相流及二元溶液中的应用受到关注。由于微波法对流体介电常数变化敏感，所以经常用来检测液体的类型，尤其是不易直接检测的各种二元溶液。
本实用新型将微波技术与丝网传感器传感技术相结合，微波法是一种高频下的电介质测量方式，对于油水两相流，由于油水相间介电常数存在差异，不同配比的油水混合物对微波信号的吸收不同，据此可实现油水两相流相含率测量。在微波频率下，根据透过油水混合物后微波信号的相移和幅度衰减值，可得到油水混合物持水率。
丝网传感器传感器由互相垂直且相隔很近的两层平行电极丝组成，形成传感器网络。在实际应用过程中，将丝网传感器传感器安装于管道内垂直于两相流流动方向的截面上，油水两相流将垂直通过网格面。
在本实用新型一个具体的实施例中，所述电极丝采用0.2mm的铜漆包线制作，所述丝网传感器传感器采用8×8结构，层间距为1.6mm相邻电极丝的距离为7.14mm。其中纵向设置的电极丝为信号发送端，横向设置的电极丝为信号接收端；所述信号发送端连接所述微波信号发生系统，向发送端电极施加微波激励信号。所述信号接收端连接所述信号接收系统，输出能够反映两相流状态的信号。丝网传感器传感器是基于两相流混合物的瞬时电导率进行测量，通过信号发送端发送微波信号，然后信号接收端输出电信号，信号采集系统对电信号分析判断，来代替二进制信号的积分来实现数据的采集。
首先，基于微波丝网传感器传感器采用一种非接触式测量手段。相比于电导法接触式测量，电极沾污不会影响持水率测量精度。
我们以油水两相流测量为例。在传统的电导接触式测量方法中，电极需要直接接触到溶液。在研究管内油与水的流动时，是根据油水两相的电阻率和相对介电常数有差异，来分辨油水两种介质。油水两相流中，流过的油滴经常会沾污在传感器电极上，影响之后的测量精度，并且金属材质的传感器容易产生结垢、表面腐蚀、堵塞或损坏等情况，同样给测量精度造成一定的误差。
微波法是利用油水相间介电常数的差异，油与水对微波的吸收情况不同，根据流过油水混合物之后微波信号幅值与相位的变化来判断出混合溶液的持水率。基于微波的丝网传感器传感器采用高质量漆包线作为电极材料，与油水混合物直接接触为不易沾污的绝缘外表面，因此，它可以有效地减小电极沾污等问题为测量带来的影响。同时微波传输性能良好，在传输过程中不易受其他外界因素干扰，适合于水溶液分析。
其次，多相流流过丝网传感器传感器，计算机设备能够通过采集接收电极的数据，生成基于不同流相相对介电常数值的横截面分布图像。基于微波的丝网传感器传感器的空间分辨率等于相邻两根电极之间的距离。可以根据具体需要减小管径、增加电极数量提高空间分辨率。
再次，基于微波的丝网传感器传感器，使用微波作为激励信号，激励频率相比于电导式和电容式更高，这为采样率提高提供了更大的提升空间，选择更优的采集电路与采集设备，可以提高截面分布图像单位时间内采集的帧数。
进一步地，如图2所示，所述微波信号发生系统包括一微波信号发生模块，所述微波信号发生模块一端与所述中控系统连接，接收所述中控系统的控制指令，产生微波信号；另一端与所述信号发送端连接，向所述丝网传感器传感器的信号发送端发送微波信号。
在本实用新型的一个优选的实施例中，采用PXI-5671作为微波信号发生模块；PXI-5671矢量信号发生器具有正交数字上变频功能，减少了波形下载和信号生成的时间，是一款通用矢量信号发生器，可生成标准调制格式，如AM、FM、PM、ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、QPSK、PAM和QAM。它可以产生50MHz～2.7GHz内任意频率的信号。使用PXI-5671作为作为微波信号发生模块，可以保证高质量的激励信号。
进一步地，由于所述微波信号发生模块输出的微波信号存在少量谐波，所述微波信号发生模块与所述丝网传感器传感器的信号接收端之间连接有一微波信号过滤模块，用于实现对微波信号进行滤波。
进一步地，由于需要根据不同的输入频率，对滤波信道进行选择，因而需要设置微波信道切换模块。所述微波信道切换模块的输入端与所述微波信号发生模块连接，接收所述微波信号发生模块发出的不同频率的微波信号，并根据不同的输入频率来切换滤波信道；输出端与所述微波信号过滤模块连接。
在本实用新型的一个优选的实施例中，所述微波信道切换模块选择 HMC241QS16。HMC241QS16是一款四通道微波通道切换芯片，覆盖频率范围为0～3500MHz，并具有良好的通道隔离性能，隔离损耗在0.5dB以下；所述微波信号过滤模块选用LFCN系列低通滤波器组，通过不同的微波信道的切换，对不同频率的微波信号进行滤波，具有衰减低，体积小的优良特性。
进一步地，本实用新型还设置有一功率分配器，所述功率分配器的输入端与所述微波信号过滤模块的输出端连接，所述功率分配器的输出端分别与所述丝网传感器传感器的信号发送端和所述信号采集系统连接，所述功率分配器将微波信号分为两路，一路作为测量输入信号接入丝网传感器传感器，丝网传感器传感器的输出信号接入所述信号采集系统；而功率分配器的另外一路作为比较信号，接入所述信号采集系统，所述信号采集系统对两路信号进行比较。
在本实用新型的实施例中，所述微波信号发生系统包括：微波信号发生模块、微波信道切换模块、微波信号过滤模块以及功率分配器，所述微波信号发生模块的输入端与所述中控系统连接，接收所述中控系统的控制指令，产生微波信号；所述微波信道切换模块的输入端与所述微波信号发生模块的输出端连接，接收所述微波信号发生模块的微波信号，并且输出指定频率的微波；所述微波信号过滤模块的输入端与所述微波信道切换模块的输出端连接，接收所述微波信道切换模块输出的而不同频率的微波信号，并对微波信号中的谐波进行过滤；所述功率分配器的输入端与所述微波信号过滤模块的输出端连接，所述功率分配器的输出端分别与所述丝网传感器传感器的信号发送端和所述信号采集系统连接。
在本实用新型的实施例中，所述中控系统控制所述微波信号发生模块产生指定频率的微波信号，并根据信号频率的不同，由所述微波信道切换模块选择不同的微波信道，并通过不同的微波信道将该微波信号传输给所述微波信号过滤模块，由于所述微波信号发生模块输出的微波信号存在少量谐波，需要所述微波信号过滤模块对不同频率的微波信号进行滤波；经过滤波的微波信号传输至所述功率分配器，所述功率分配器将微波信号分为两路，一路作为测量输入信号接入丝网传感器传感器，丝网传感器传感器的输出信号接入所述信号采集系统；而功率分配器的另外一路作为比较信号，接入所述信号采集系统，所述信号采集系统对两路信号进行比较。
进一步的，所述信号采集系统包括微波信号比较模块以及电压采集模块，所述微波信号比较模块的输入端分别与所述丝网传感器传感器的信号接收端和所述微波信号发生系统的功率分配器的其中一路连接，从所述丝网传感器传感器接收一测量信号，从所述微波信号发生系统的功率分配器接收一比较信号，并且将测量信号和所述比较信号进行比较，以电压的方式，将相位与幅度两个特性参数输出；所述电压采集模块的输入端与所述微波信号比较模块的输出端连接，所述电压采集模块的输出端与一中控模块连接，所述电压采集模块负责采集所述微波信号比较模块输出的电压，并上传至计算机设备。
在本实用新型的一个优选的实施例中，所述微波信号比较模块选用 AD8302，AD8302是一款RF/IF幅度和相位测量芯片，从幅度与相位两个维度，对两个信号进行比较解释，幅度测量范围可达到60dB，相位测量范围可达到180°。
为保证原始数据尽可能高的采样率，电压采集模块采用PXI多功能I/O 模块—PXI-6123，它是一款同步采样多功能数据采集设备。它提供了模拟输入、数字I/O、两个24位计数器和数字触发。在本实用新型中，单通道采样率为500KHz。
所述中控系统采用STM32F105RBT6，STM32F105RBT6是一款基于 ARM平台的32位处理，支持SPI、USART、I2C等多种通信外设，具有低功耗、低成本、高性能、高稳定性的特点。STM32F105RBT6作为系统中控，通过SPI等通信总线，控制所述微波信号发生模块的发出的微波信号的信号频率与所述微波信道切换模块的信号切换，并接受所述电压采集模块的回传数据。
进一步地，如图3所示，每组信号发送端连接有发送端控制开关，每组信号接收端均连接有接收端控制开关，所述微波信号发生系统通过发送端控制开关与所述微波信号发送端连接，所述信号接收端通过所述接收端控制开关与所述信号采集系统连接；所述发送端控制开关和所述接收端控制开关均与所述中控系统连接。
由于所述丝网传感器传感器的横向电极丝和纵向电极丝相互交错形成传感器网络，在每一组纵向电极丝即信号接收端连接有接收端控制开关，可以通过所述中控系统控制该接收端控制开关的开启以及关闭，从而实现对每一组纵向电极丝即信号接收端的信号输入进行选择，即实现微波信号的选择性输入；同时，在每一组横向电极丝即信号发送端连接有发送端控制开关，可以通过所述中控系统控制该发送端控制开关的开启及关闭，从而实现对每一组横向电极丝即信号发送端的信号的输出进行选择；通过在每一组信号接收端和每一组信号发送端分别设置有接收端控制开关和发送端控制开关，可以实现对传感器网络中某一点的精确测量，并且实现对不同点的油水两相流做出具体的分析。
本实施例中，信号接收端采用切换采集，在保证信号的同步一致性的同时，有效降低了成本，减小了传感器系统的体积，更加有利于实际的应用。
以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：该系统包括一丝网传感器传感器，所述丝网传感器传感器包括两层电极丝，每一层电极丝平行设置，且两层电极丝之间垂直设置，构成网格结构；其中一层电极丝为信号发送端，另一层电极丝为信号接收端；
所述信号发送端连接有微波信号发生系统，所述信号接收端连接有信号采集系统，所述微波信号发生系统和所述信号采集系统均与一中控系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：电极丝采用0.2mm的铜漆包线制作。
3.根据权利要求1所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：所述丝网传感器传感器采用8×8结构，层间距为1.6mm相邻电极丝的距离为7.14mm。
4.根据权利要求1所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：所述微波信号发生系统包括一微波信号发生模块，所述微波信号发生模块一端与所述中控系统连接，接收所述中控系统的控制指令，产生微波信号；另一端与所述信号接收端连接，向所述丝网传感器传感器的信号接收端发送微波信号。
5.根据权利要求4所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：所述微波信号发生模块与所述丝网传感器传感器的信号接收端之间连接有一微波信号过滤模块，用于实现对微波信号进行滤波。
6.根据权利要求5所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：所述微波信号发生系统还包括一微波信道切换模块，所述微波信道切换模块的输入端与所述微波信号发生模块连接，接收所述微波信号发生模块发出的不同频率的微波信号，并根据不同的输入频率来切换滤波信道；输出端与所述微波信号过滤模块连接。
7.根据权利要求6所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：所述微波信号发生系统还设置有一功率分配器，所述功率分配器的输入端与所述微波信号过滤模块的输出端连接，所述功率分配器的输出端分别与所述丝网传感器传感器的发送端和所述信号采集系统中微波信号比较模块连接。
8.根据权利要求7所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：所述信号采集系统包括微波信号比较模块，所述微波信号比较模块的输入端分别与所述丝网传感器传感器的信号接收端和所述微波信号发生系统的功率分配器的其中一路连接。
9.根据权利要求8所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：所述信号采集系统还包括微波信号采集模块，所述微波信号采集模块的输入端与所述微波信号比较模块的输出端连接，所述微波信号采集模块的输出端与一中控模块连接。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的基于微波丝网传感器的油水两相流含水率测量系统，其特征在于：每组信号发送端连接有发送端控制开关，每组信号接收端均连接有接收端控制开关，所述微波信号发生系统通过发送端控制开关与所述微波信号发送端连接，所述信号接收端通过所述接收端控制开关与所述信号采集系统连接；所述发送端控制开关和所述接收端控制开关均与所述中控系统连接。
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| CN112378980A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-02-19 | 上海交通大学 | 一种丝网探针浓度探测装置的校正系统及方法 |
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2019
- 2019-11-20 CN CN201922012271.XU patent/CN211577013U/zh not_active Expired - Fee Related
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