專利名稱：一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多相流動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，主要涉及多相流相含率的測(cè)量領(lǐng)域，尤 其是一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，它基于雙螺旋電容傳感器，能夠?qū)?油氣水三相流相含率進(jìn)行精確測(cè)量。技術(shù)背景在石油、化工、能源、動(dòng)力等工業(yè)過(guò)程中，多相流動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)、各相流 量的計(jì)量，是在許多工藝過(guò)程中所共同面臨的難題，其直接影響甚至決定了 工藝過(guò)程、過(guò)程裝備等的安全性與效率。例如，油水、油氣兩相和油氣水多 相流量的在線連續(xù)計(jì)量技術(shù)，嚴(yán)重制約著油氣田經(jīng)濟(jì)與高效開(kāi)發(fā)模式的發(fā)展， 影響油氣開(kāi)發(fā)、集輸與處理等的運(yùn)行成本，自動(dòng)化安全生產(chǎn)水平難以提高。多相流量的計(jì)量需要用到以下的參數(shù)各相在管道截面上的平均相含率 和平均密度；管道截面上的平均流速；流體的溫度、壓力。由于流型的多值 性與相界面的隨機(jī)性，多相計(jì)量與單相計(jì)量相比有其自身的復(fù)雜性各相并 非混合均勻，其流型的分布具有時(shí)間與空間不均勻性的特點(diǎn)；特征參數(shù)比單 相流系統(tǒng)多，它取決于各相之間的相對(duì)速度、流體特性、管路結(jié)構(gòu)及流動(dòng)方 向等；各相之間存在著界面效應(yīng)和相對(duì)速度，相含率在時(shí)間和空間上變化較 大；相與相之間相互作用復(fù)雜。目前測(cè)量多相流相含率的方法主要有電學(xué)法，快關(guān)閥門法，射線吸收法， 射線散射法，光學(xué)測(cè)量法，核磁共振法，熱學(xué)法和微波法等。這些方法存在不能實(shí)時(shí)測(cè)量，造價(jià)昂貴，干擾流場(chǎng)，易受污染，易損壞，只能測(cè)量局部相 含率，受流型干擾很嚴(yán)重等缺點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能夠?qū)崟r(shí)在線對(duì)管道內(nèi)的相含率進(jìn)行測(cè)量。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn) 一種油氣水 三相流相含率測(cè)量裝置，其特征在于，包括至少一個(gè)雙螺旋電容傳感器， 信號(hào)處理電路，分別與信號(hào)處理電路連接的微弱電容測(cè)量電路和含水率測(cè)量 電路；所述雙螺旋電容傳感器選擇性地連接微弱電容測(cè)量電路或含水率測(cè)量 電路；當(dāng)管道中為油氣時(shí)，所述雙螺旋電容傳感器與微弱電容測(cè)量電路連接， 信號(hào)處理電路輸出油的相含率，當(dāng)管道中含水時(shí)，所述雙螺旋電容傳感器與 含水率測(cè)量電路連接，信號(hào)處理處理電路輸出水的相含率。本發(fā)明的進(jìn)一步特點(diǎn)在于所述雙螺旋電容傳感器，包括有機(jī)玻璃圓 管，同向螺旋粘貼在有機(jī)玻璃圓管上的兩片銅電極板，設(shè)置在銅電極板外側(cè) 的屏蔽外殼，銅電極板和屏蔽外殼之間填充有絕緣介質(zhì)，兩片銅電極板的幾 何中心分別引出導(dǎo)線。所述銅電極板的展開(kāi)圖為平行四邊形，其短邊與有機(jī)玻璃圓管軸向平行， 長(zhǎng)邊螺旋粘貼；所述平行四邊形的高度等于有機(jī)玻璃圓管的周長(zhǎng)，短邊等于 有機(jī)玻璃圓管的1/3周長(zhǎng)所述兩片銅電極板軸向間距等于有機(jī)玻璃圓管的1/6周長(zhǎng)。所述導(dǎo)線帶有屏蔽網(wǎng)，屏蔽網(wǎng)與所述屏蔽外殼電連接。由于本發(fā)明采用雙螺旋結(jié)構(gòu)的電容傳感器，均勻化了管道內(nèi)的電場(chǎng)，減小了流型對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的誤差，同時(shí)該種結(jié)構(gòu)的傳感器分布在管道外壁， 相比其他的測(cè)量方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高，非接 觸式測(cè)量、不干擾流場(chǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等；針對(duì)油氣兩相流條件下微弱電 容的測(cè)量設(shè)計(jì)了高精度測(cè)量電路，設(shè)計(jì)了用于油水兩相及油氣水三相流動(dòng)條 件下含水率測(cè)量電路，為實(shí)時(shí)在線精確測(cè)量多相流相參數(shù)提供了一種先進(jìn)的 解決方案，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。


圖1是雙螺旋電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的徑向剖視圖；圖3是雙螺旋電容傳感器的表面結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖；圖4是微弱電容測(cè)量電路圖；圖5是含水率測(cè)量電路圖；圖6信號(hào)處理電路框圖；圖7油氣兩相流標(biāo)定曲線；圖8油水兩相流標(biāo)定曲線；圖9油氣水三相流標(biāo)定曲線。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)Dl、圖2、圖3制作雙螺旋電容傳感器。在一段有機(jī)玻璃圓管5外 同向螺旋粘貼兩片銅電極板3。如圖3所示，銅電極板3的展開(kāi)圖為平行四邊 形，其高度為^ (;rc/表示圓周周長(zhǎng)，d表示有機(jī)玻璃圓管的外徑)，銅電極 板高度不能過(guò)短，否則會(huì)造成邊緣處的電場(chǎng)不夠均勻，影響測(cè)量精度；平行 四邊形短邊長(zhǎng)l/3;rc/，短邊與有機(jī)玻璃圓管5軸向平行，長(zhǎng)邊螺旋粘貼。銅電極板厚度2cm。兩片銅電極板軸向間距為1/6;rc/。在兩片銅電極板的幾何中 心處共引出兩根帶屏蔽網(wǎng)的導(dǎo)線1、 2，然后在銅電極板外面敷上一層大約2mm 厚的絕緣材料，可選用不導(dǎo)電的塑料；最后套上鐵質(zhì)屏蔽筒4，以防止外界的 電磁干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。將導(dǎo)線l、 2的屏蔽層和鐵質(zhì)屏蔽筒4焊接在一 起，然后將鐵質(zhì)屏蔽筒4外層接地，這樣就可以做到屏蔽外界的電磁干擾， 以及導(dǎo)線的電容串?dāng)_。做好的雙螺旋電容傳感器，通過(guò)法蘭串接在石油管道 中。雙螺旋電容傳感器的測(cè)量原理如下帶電體的電容C為帶電體所帶電荷電 量Q與電勢(shì)U之比，也即金屬表面電荷密度P與周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系式 t/p = e(x， y， z)j&ZQ雙螺旋電容傳感器包含的空間里對(duì)空間的積分與電勢(shì)的比值，如下式 其中U——外加在電容傳感器兩電極之間的電勢(shì)； S——極板面積；q——為雙螺旋電容傳感器包含的空間；——空間積分微元； s(u，O—介電常數(shù)關(guān)于空間坐標(biāo)的分布函數(shù)；^——電場(chǎng)強(qiáng)度；SQ——真空介電常數(shù)； ^——相對(duì)介電常數(shù)。由上式可以看出，雙螺旋電容傳感器的電容只和管道內(nèi)的介質(zhì)分布有關(guān)。 而對(duì)于被測(cè)管道內(nèi)某一相介質(zhì)所占全部被測(cè)管道空間的總和就是某一相的體 積相含率，因此傳感器的電容信號(hào)輸出與相含率是一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于管道 內(nèi)的流動(dòng)是十分復(fù)雜的，因此決定了電容C關(guān)于管道內(nèi)介質(zhì)分布的關(guān)系也是 十分復(fù)雜的。為了得到它們的關(guān)系還需要進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。參照?qǐng)D4，微弱電容測(cè)量電路，是針對(duì)油氣兩相流時(shí)雙螺旋電容傳感器電 容很小，專門設(shè)計(jì)的高精度測(cè)量電路。油氣兩相流條件下的雙螺旋電容傳感 器輸出電容變化范圍只有3—5pF。本實(shí)施例，采用美國(guó)Analog Device公司 推出的AD7746芯片，芯片AD7746的1， 2， 16管腳分別接信號(hào)處理電路的I2C 通信接口SCL、 nRDY、 SDA; 7、 8管腳，9、 10管腳為兩路雙螺旋電容傳感器 輸出電容的輸入接口。本實(shí)施里選用7、 8做為雙螺旋電容傳感器輸出電容的 輸入接口，具體接口JP2，接口 JP2的EXCA端子懸空。輸入的電容信號(hào)經(jīng)過(guò) AD7746芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)l, 2， 16管腳經(jīng)由I2C總線傳輸 輸出，具體為接口JP1。 JP1接口的5個(gè)端子分別為VCC， nRDY， SDA， SCL， GND，其中VCC和GND為電源的正負(fù)極，為芯片供電，供電電壓不得超過(guò)5 . 25V; SCL (串行時(shí)鐘I2C時(shí)鐘輸入和輸出)，SDA (串行數(shù)據(jù)I2C時(shí)鐘輸入和輸出) 和nRDY (1力總線就緒信號(hào))為I2C總線的通信信號(hào)線。參照?qǐng)D5，為含水率測(cè)量電路，含水率測(cè)量電路針對(duì)多相流動(dòng)中含有水的 情況下而設(shè)計(jì)。本實(shí)施例采用CAV424芯片，其管腳l、 2、 3、 5、 6分別與電 阻RC0SC、電阻RCX1、電阻RCX2、電阻RL1、電阻RL2連接；管腳4、 12、 13、 14、 15、 16分別接電容器C2、電容器Cosc、電容器CL2、可變電容CX2、電容器CL1。電容器CX1。其中CX2是雙螺旋電容傳感器的輸入電容，即連接為管 腳10、 14;輸出接口 JP3接在管腳5、 6上。通過(guò)接口 JP4連接管腳10、 11 來(lái)供電。芯片CAV424是一 款將輸入電容轉(zhuǎn)換為電壓輸出的集成電路，它的特點(diǎn)是-具有對(duì)電容檢測(cè)的高靈敏度并可以克服寄生電容和環(huán)境變化的影響，電路簡(jiǎn) 單可靠。電路的測(cè)量范圍為10pf-2nf。其中CX2為電容輸入，接螺旋電容傳 感器的兩個(gè)輸出線，接口 JP3為電壓輸出，輸出轉(zhuǎn)化后的與電容一一對(duì)應(yīng)的 電壓值。JP4為電源供電，輸入電壓為5V。芯片CAV424測(cè)量電容的原理為通過(guò)芯片內(nèi)部自帶的晶振產(chǎn)生一定的頻率 f。s。加在參考電容CX1和輸入電容CX2上，產(chǎn)生電壓L和Vx2 ，則輸出的轉(zhuǎn)換 電壓V,與L、 、2滿足如下關(guān)系參照?qǐng)D6，為信號(hào)處理電路框圖。信號(hào)處理電路采用ZLG EasyARM2200開(kāi) 發(fā)板設(shè)計(jì)。EASYARM2200開(kāi)發(fā)板是一款功能強(qiáng)大的32位ARM處理器開(kāi)發(fā)板， 采用了 Philips公司的ARM7TDMI-S內(nèi)核、總線開(kāi)放的芯片LPC2210，具有JTAG 調(diào)試功能，開(kāi)發(fā)板提供各種接口如鍵盤輸入、LCD液晶接口、 RS232串口、 IDE 硬盤接口 、 CF存儲(chǔ)卡接口 、以太網(wǎng)接口和MODEM接口等，具有零等待128K/256K 字節(jié)的片內(nèi)flash, 16K字節(jié)的sram，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高性能和可靠性。 以芯片LPC2210為中心，微弱電容測(cè)量電路的輸出接口 JP1的數(shù)字信號(hào) 通過(guò)I2C總線輸入，含水率測(cè)量電路的輸出接口 JP3的電壓信號(hào)通過(guò)AD采樣 電路輸入，經(jīng)芯片LPC2210處理后，輸出到液晶顯示模塊，也可以輸入到PC 機(jī)。芯片LPC2210由穩(wěn)壓電源供電，操作輸入設(shè)備為2X8鍵盤。圖7、圖8、圖9分別給出油氣兩相流、油水兩相流、油氣水三相流下的 標(biāo)定曲線，給出相含率與輸出電容信號(hào)在靜態(tài)下的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖7中電 容信號(hào)C通過(guò)AD7746芯片轉(zhuǎn)化，得到的數(shù)字值0x000000—0xFFFFFF之間， 再除以O(shè)xFFFFFF得到測(cè)量數(shù)據(jù)。由于油氣兩相的介電常數(shù)比較接近，電容值 比較小，因此采用微弱電容測(cè)量電路。圖7中是通過(guò)CAV424芯片將電容信號(hào) 轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。由于油氣和水的介電常數(shù)相差比較懸殊，信號(hào)值變化范圍 也比較大，因此選用精度相對(duì)稍低的含水率測(cè)量電路。為了方便將擬合標(biāo)定曲線的公式輸入測(cè)量?jī)x器中，采用多項(xiàng)式擬合的方 法，擬合公式一般形式為<formula>formula see original document page 9</formula>其中-"——管道截面某相的平均相含率；^一一通過(guò)測(cè)量電路得到的電容測(cè)量值(相對(duì)應(yīng)于圖7中的電容C;圖8 和圖9中的電壓V);fl、 6、 c、 d、 e——為多項(xiàng)式系數(shù)。信號(hào)處理電路根據(jù)上述擬合曲線，修正測(cè)量數(shù)據(jù)；當(dāng)管道中為油氣時(shí)， 所述雙螺旋電容傳感器與微弱電容測(cè)量電路連接，信號(hào)處理電路輸出油的相含率，計(jì)算出氣的相含率；當(dāng)管道中含水時(shí)，所述雙螺旋電容傳感器與含水率測(cè)量電路連接，信號(hào)處理處理電路輸出水的相含率，計(jì)算出油或油氣的相 含率。本發(fā)明中的雙螺旋電容傳感器可以采用一個(gè)，在微弱電容測(cè)量電路和含水率測(cè)量電路之間，根據(jù)管道中的介質(zhì)種類進(jìn)行切換；也可采用兩個(gè)，分別 與微弱電容測(cè)量電路、含水率測(cè)量電路連接。
權(quán)利要求
1、一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，其特征在于，包括至少一個(gè)雙螺旋電容傳感器，信號(hào)處理電路，分別與信號(hào)處理電路連接的微弱電容測(cè)量電路和含水率測(cè)量電路；所述雙螺旋電容傳感器選擇性地連接微弱電容測(cè)量電路或含水率測(cè)量電路；當(dāng)管道中為油氣時(shí)，所述雙螺旋電容傳感器與微弱電容測(cè)量電路連接，信號(hào)處理電路輸出油的相含率，當(dāng)管道中含水時(shí)，所述雙螺旋電容傳感器與含水率測(cè)量電路連接，信號(hào)處理處理電路輸出水的相含率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，其特征在 于，所述雙螺旋電容傳感器，包括有機(jī)玻璃圓管，同向螺旋粘貼在有機(jī)玻 璃圓管上的兩片銅電極板，設(shè)置在銅電極板外側(cè)的屏蔽外殼，銅電極板和屏 蔽外殼之間填充有絕緣介質(zhì)，兩片銅電極板的幾何中心分別引出導(dǎo)線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，其特征在 于，所述銅電極板的展開(kāi)圖為平行四邊形，其短邊與有機(jī)玻璃圓管軸向平行， 長(zhǎng)邊螺旋粘貼。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，其特征在 于，所述平行四邊形的高度等于有機(jī)玻璃圓管的周長(zhǎng)，短邊等于有機(jī)玻璃圓 管的l/3周長(zhǎng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，其特征在 于，所述兩片銅電極板軸向間距等于有機(jī)玻璃圓管的1/6周長(zhǎng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，其特征在 于，所述導(dǎo)線帶有屏蔽網(wǎng)，屏蔽網(wǎng)與所述屏蔽外殼電連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于多相流動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，主要涉及多相流相含率的測(cè)量領(lǐng)域，尤其公開(kāi)了一種油氣水三相流相含率測(cè)量裝置，它基于雙螺旋電容傳感器，能夠?qū)τ蜌馑嗔飨嗪蔬M(jìn)行精確測(cè)量。它包括至少一個(gè)雙螺旋電容傳感器，信號(hào)處理電路，分別與信號(hào)處理電路連接的微弱電容測(cè)量電路和含水率測(cè)量電路；所述雙螺旋電容傳感器選擇性地連接微弱電容測(cè)量電路或含水率測(cè)量電路；當(dāng)管道中為油氣時(shí)，所述雙螺旋電容傳感器與微弱電容測(cè)量電路連接，信號(hào)處理電路輸出油的相含率，當(dāng)管道中含水時(shí)，所述雙螺旋電容傳感器與含水率測(cè)量電路連接，信號(hào)處理處理電路輸出水的相含率。
文檔編號(hào)G01N27/22GK101324186SQ20081015025
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者晶 葉, 張西民, 郭烈錦, 陳聯(lián)偉 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)