專利名稱：同軸電導(dǎo)傳感器、油水兩相流含油率測量系統(tǒng)和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同軸電導(dǎo)傳感器及其測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)油水兩相流含油率的在線精確測量。
背景技術(shù)：
在原油的開采及輸送過程中，油水兩相流分相含率的在線精確測量具有重要價值。電導(dǎo)法具有結(jié)構(gòu)及原理簡單、響應(yīng)速度快、價格低廉和無輻射等優(yōu)點，被廣泛用于多相流的測量研究。電導(dǎo)法是根據(jù)油水電導(dǎo)率不同進行測量的方法。在分相含率與混合物電導(dǎo)率關(guān)系的研究方面，眾多研究者已經(jīng)進行了大量的研究。其中應(yīng)用較多的為Maxwell模型 [1’12’"]與 Bruggeman 模型[2,14,15]。為了獲得更好的測量效果，研究者們設(shè)計了很多形式的電導(dǎo)傳感器，電導(dǎo)探針D’4’ 5]主要用于相含率分布的測量；平行板[6’7]結(jié)構(gòu)具有電場分布均勻的優(yōu)點，由于其結(jié)構(gòu)限制主要應(yīng)用于方形管道的測量；弧形電極[8]，為適用于圓形管道測量，將平行板電極變化為半圓型結(jié)構(gòu)，雖可應(yīng)于圓形管道測量，但截面電場分布不均勻；截面多電極結(jié)構(gòu)[9’1(1]，該結(jié)構(gòu)主要用于電阻層析成像(ERT)以及縱向環(huán)型多電極[11]。傳統(tǒng)的電導(dǎo)傳感器除平行板結(jié)構(gòu)外，其他傳感器電場分布的不均勻影響了含率測量精度，而平行板電極雖具有電場分布均勻的優(yōu)點，但僅限于方形管道的測量，實際應(yīng)用管道多為圓形管道，限制了其廣泛應(yīng)用。在電導(dǎo)傳感器設(shè)計中，提高電導(dǎo)傳感器中電場的均勻性，是提高含率在線測量精度的關(guān)鍵。參考文獻[l]Maxwell J C, Treatise on Electricity and Magnetism. UK :0xford UniversityPress ；1873.[2] Bruggeman DAG, Berechnung verschiedener phy s ikal i scher Konstantenvonheterogenen Substanzen. Annalen der Physik 1935 ；24 :636-641.[3]Vigneaux P, Chenais P, Hulin JP, Liquid-liquid flows in an inclined pipe, AIChEJ,1988,34(5) :781 789.[4]Angeli P and Hewitt G F,Flow structure in horizontal oil-water flow, International Journal of Multiphase Flow,2000,26(7) :1117 1140.[5] Zhao D, Guo L, Hu X, Zhang X, Wang X, Experimental study on localcharacteristies of oil—water dispersed flow in a vertical pipe, Interpretation ofMultiphase Flows,2006 ；32 (10-11) :1254 1268.[6]Coney MffE, The theory and application of conductance probes for themeasurement of liquid film thickness in two-phase flow, J. Phys. E :Sci. Instrum. ，1973,6 :903 910.[7]Dykesteen Ε,Hallanger A,Hammer E etc.,Non-intrusive three-component ratiomeasurement using an impedance sensor, J. Phys. E :Sci.Instrum. ,1985,18 540 544.
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種電場分布更均勻，檢測更為準確的電導(dǎo)傳感器，并提供一種采用此種電導(dǎo)傳感器的測量系統(tǒng)及測量方法，以此提高油水兩相流含率測量的精度。一種用于油水兩相流含油率檢測的同軸電導(dǎo)傳感器，包括呈同軸的環(huán)形外電極、 內(nèi)電極和兩個保護電極；兩個保護電極分別固定在內(nèi)電極的兩端，它們與內(nèi)電極之間設(shè)置有絕緣墊片，兩個保護電極和內(nèi)電極的半徑相等。作為優(yōu)選實施方式，所述的用于油水兩相流含油率檢測的同軸電導(dǎo)傳感器，由內(nèi)電極、兩個保護電極和兩個絕緣墊片構(gòu)成同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電極組件，該內(nèi)部電極組件的軸向長度與外電極的軸向長度相等；所述的同軸電導(dǎo)傳感器，在使用時，固定在垂直上升或垂直下降管道。本發(fā)明提供一種采用上述電導(dǎo)傳感器的油水兩相流含油率測量系統(tǒng)，包括傳感器，激勵模塊、測量模塊、采集模塊、解調(diào)模塊和計算單元，所述的傳感器為同軸電導(dǎo)傳感器，包括同軸的環(huán)形外電極、內(nèi)電極和兩個保護電極；兩個保護電極分別固定在內(nèi)電極的兩端，它們與內(nèi)電極之間設(shè)置有絕緣墊片，兩個保護電極與內(nèi)電極的半徑相等并與其同電勢， 激勵模塊生成正弦激勵信號和兩個相位差為90°的參考信號，兩個參考信號被送入解調(diào)模塊，激勵信號被加載在作為激勵電極的內(nèi)電極或外電極上，作為檢測電極的內(nèi)電極的輸出 信號依次經(jīng)過測量模塊和解調(diào)模塊后，得到實部信號，再經(jīng)過采集模塊被送入計算單元，由 計算單元根據(jù)采集的實部信號計算油水兩相流含油率。作為優(yōu)選實施方式，計算單元根據(jù)該測量系統(tǒng)的解調(diào)模塊輸出的實部信號，計算 被測油水兩相流等效阻容并聯(lián)電路的并聯(lián)電阻值，然后利用Maxwell模型計算油水兩相流 含油率，如果測得的含油率大于50%，再利用Bruggeman模型計算含油率，利用兩個模型的 計算結(jié)果平均值進行修正，得到油水兩相流含油率大于50%時的測量值。本發(fā)明還提供一種采用上述油水兩相流含油率測量系統(tǒng)實現(xiàn)的測量方法，包括下 列步驟(1)由激勵模塊生成正弦激勵信號和兩個相位差為90°的參考信號；(2)對激勵電極施加正弦激勵信號，將兩路參考信號送入解調(diào)模塊；(3)對檢測電極的輸出信號經(jīng)測量模塊后與參考信號進行解調(diào)得到實部信號；(4)根據(jù)實部信號計算油水兩相流含油率。其中的步驟，具體可包括下列步驟(1)計算被測油水兩相流的電阻值，進而得到其電導(dǎo)率；(2)利用Maxwell模型計算油水兩相流含油率；(3)如果計算的含油率大于50 %，再利用Bruggeman模型計算含油率，利用兩個模 型的計算結(jié)果平均值進行修正，得到油水兩相流含油率大于50%時的測量值。本發(fā)明的內(nèi)電極與外電極采取同軸結(jié)構(gòu)，其間電場分布更均勻，同時還在內(nèi)電極 兩端增加了保護電極，進ー步減小了邊緣效應(yīng)的影響。采用本發(fā)明的傳感器和測量系統(tǒng)，能 夠提高測量精度，特別是在高含水率下的測量精度得到了改善在含油率小于50%時，該 傳感器測量含油率的測量誤差在2%以內(nèi)；含油率大于50%時測量誤差較大，含油率70% 時測量最大誤差為5%。該裝置在油水兩相流的測量中具有重要的現(xiàn)實意義。


圖1為本發(fā)明裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明裝置的傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明裝置傳感器與測量電路的連接方式示意圖，(a)和(b)各為ー種連 接萬式。圖中1、PC機2、激勵模塊3、同軸電導(dǎo)傳感器4、測量模塊5、解調(diào)模塊6、采集模塊7、固定臺階8、保護電極9、絕緣墊片10、內(nèi)電極11、外電極12、有機玻璃棒13、傳感器管壁14、固定環(huán)
具體實施方式
下面結(jié)合實例附圖和實施例說明本發(fā)明的用于油水兩相流含油率測量的同軸電導(dǎo)傳感器及其測量系統(tǒng)。本發(fā)明所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1所示，包括同軸電導(dǎo)傳感器3、激勵模塊2、測量模塊4、數(shù)據(jù)采集模塊6、解調(diào)模塊5和PC機(計算單元)1。同軸電導(dǎo)傳感器主要由內(nèi)電極 10、外電極11、兩個保護電極8、固定臺階7、固定環(huán)14組成，如附圖2所示，本實施例傳感器的兩端可以通過法蘭安裝在豎直管道上。外電極11為圓筒結(jié)構(gòu)，固定在傳感器段的管道內(nèi)壁，且與管壁13絕緣；內(nèi)電極10也為圓筒結(jié)構(gòu)，置于管道內(nèi)與外電極同軸；在內(nèi)電極10的兩端各連接一個與內(nèi)電極同軸且同半徑的保護電極8。本實施例中外電極11的半徑與管道內(nèi)壁相同，為25mm，內(nèi)電極10的半徑為15mm，長度為100mm，每個保護電極8的長度為25mm， 各通過一個絕緣墊9與內(nèi)電極相連接。在每個保護電極與傳感器端部之間各連接一個有機玻璃棒12 ；兩有機玻璃棒(與內(nèi)電極和保護電極半徑相同)，有機玻璃棒的一端與保護電極相連接，另一端通過一固定臺階與固定環(huán)組合，上下兩個固定環(huán)以及兩個有機玻璃棒將內(nèi)電極、兩個保護電極固定于傳感器中，內(nèi)電極10、兩個保護電極8、兩個絕緣墊9以及兩個有機玻璃棒12之間的固定連接均采用螺紋連接方式。內(nèi)電極10、兩個絕緣墊片9及兩個保護電極8在軸向上的長度與外電極11長度相同，此同軸結(jié)構(gòu)可使傳感器內(nèi)電場分布更均勻， 更適于含率測量。激勵模塊可同時產(chǎn)生一路正弦激勵信號和兩路參考信號(0°、90° )，參考信號應(yīng)用于解調(diào)模塊；測量模塊主要是將傳感器測量的阻抗信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再送到解調(diào)模塊進行解調(diào)，得到實部電壓值和虛部電壓值，可求出被測對象的阻抗信號，解調(diào)方法有開關(guān)解調(diào)、乘法解調(diào)和數(shù)字解調(diào)等。解調(diào)后的信號經(jīng)采集模塊采集后送入PC機進行含率計算。多次實驗結(jié)果表明對于含油率在50%以下的應(yīng)用條件，采用Maxwell模型[1’12’13] 進行含油率計算，對于含油率在50%以上的應(yīng)用條件，采用Maxwell模型與Bruggeman模型 [2’14’15]含油率計算值的平均值作為最終的含油率計算結(jié)果。其中，測量系統(tǒng)與電極的配合方式有兩種一、采用外電極激勵，保護電極接地，內(nèi)電極連接測量模塊，其電勢與保護電極相同(如圖3(a)) ；二、采用外電極接地、內(nèi)電極既作為激勵電極，也同時作為檢測電極，保護電極保持與內(nèi)電極等勢(如圖3 (b))。在油水兩相流實驗裝置上進行實驗，選擇DN50的管道，傳感器3垂直安裝于實驗管道，可避免油水分層對測量結(jié)果造成影響。傳感器3與測量電路的配合方式選擇外電極激勵，保護電極接地，內(nèi)電極連接測量模塊4的方式(如圖3 (a))，外電級交流激勵信號Vi 由激勵模塊2提供。測量模塊4將流經(jīng)傳感器3的油水阻抗信號(等效為電容C和電阻R
凡(1+ jmRC)
的并聯(lián)電路)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朧tjl輸出，計算式為
權(quán)利要求
1.一種用于油水兩相流含油率檢測的同軸電導(dǎo)傳感器，包括呈同軸的環(huán)形外電極、內(nèi)電極和兩個保護電極；兩個保護電極分別固定在內(nèi)電極的兩端，它們與內(nèi)電極之間設(shè)置有絕緣墊片，兩個保護電極和內(nèi)電極的半徑相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于油水兩相流含油率檢測的同軸電導(dǎo)傳感器，由內(nèi)電極、 兩個保護電極和兩個絕緣墊片構(gòu)成同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電極組件，該內(nèi)部電極組件的軸向長度與外電極的軸向長度相等。
3.根據(jù)權(quán)利1或2所述的傳感器，所述的同軸電導(dǎo)傳感器，在使用時，固定在垂直上升或垂直下降管道。
4.一種油水兩相流含油率測量系統(tǒng)，包括傳感器，激勵模塊、測量模塊、采集模塊、解調(diào)模塊和計算單元，其特征在于，所述的傳感器為同軸電導(dǎo)傳感器，包括同軸的環(huán)形外電極、 內(nèi)電極和兩個保護電極；兩個保護電極分別固定在內(nèi)電極的兩端，它們與內(nèi)電極之間設(shè)置有絕緣墊片，兩個保護電極與內(nèi)電極的半徑相等并與其同電勢，激勵模塊生成正弦激勵信號和兩個相位差為90°的參考信號，兩個參考信號被送入解調(diào)模塊，激勵信號被加載在作為激勵電極的內(nèi)電極或外電極上，作為檢測電極的內(nèi)電極的輸出信號依次經(jīng)過測量模塊和解調(diào)模塊后，得到實部信號，再經(jīng)過采集模塊被送入計算單元，由計算單元根據(jù)采集的實部信號計算油水兩相流含油率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所油水兩相流含油率測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感器，由內(nèi)電極、兩個保護電極和兩個絕緣墊片構(gòu)成同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電極組件，該內(nèi)部電極組件的軸向長度與外電極的軸向長度相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的外電極作為激勵電極，兩個保護電極接地，內(nèi)電極作為檢測電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，外電極接地，兩個保護電極接激勵信號，內(nèi)電極既作為激勵電極，也同時作為檢測電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，計算單元根據(jù)該測量系統(tǒng)的解調(diào)模塊輸出的實部信號，計算被測油水兩相流等效阻容并聯(lián)電路的并聯(lián)電阻值，然后利用 Maxwell模型計算油水兩相流含油率，如果測得的含油率大于50%，再利用Bruggeman模型計算含油率，利用兩個模型的計算結(jié)果平均值進行修正，得到油水兩相流含油率大于50% 時的測量值。
9.一種采用權(quán)利要求4所述的油水兩相流含油率測量系統(tǒng)實現(xiàn)的測量方法，包括下列步驟(1)由激勵模塊生成正弦激勵信號和兩個相位差為90°的參考信號；(2)對激勵電極施加正弦激勵信號，將兩路參考信號送入解調(diào)模塊；(3)對檢測電極的輸出信號經(jīng)測量模塊后與參考信號進行解調(diào)得到實部信號；(4)根據(jù)實部信號計算油水兩相流含油率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量方法，其特征在于，步驟4包括(1)利用測量得到的實部信號計算被測油水兩相流的電阻值，進而得到其電導(dǎo)率；(2)利用Maxwell模型計算油水兩相流含油率；(3)如果計算的含油率大于50%，再利用Bruggeman模型計算含油率，利用兩個模型的計算結(jié)果平均值進行修正，得到油水兩相流含油率大于50%時的測量值。
全文摘要
本發(fā)明屬于油水兩相流測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于油水兩相流含油率檢測的同軸電導(dǎo)傳感器，包括呈同軸的環(huán)形外電極、內(nèi)電極和兩個保護電極；兩個保護電極分別固定在內(nèi)電極的兩端，它們與內(nèi)電極之間設(shè)置有絕緣墊片，兩個保護電極和內(nèi)電極的半徑相等。本發(fā)明同時提供一種采用上述同軸電導(dǎo)傳感器的測量系統(tǒng)，并提供了采用此種測量系統(tǒng)實現(xiàn)的測量方法。該測量系統(tǒng)包括激勵模塊，同軸電導(dǎo)傳感器，測量模塊，解調(diào)模塊，采集模塊和計算單元。本發(fā)明的傳感器和測量系統(tǒng)提高了測量精度，特別是在高含水率下的測量精度得到了改善。
文檔編號G01N27/08GK102435641SQ20111024720
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者劉琴, 吳東月, 王超 申請人:天津大學(xué)