一种含水率监测装置及方法与流程

本申请属于仪表仪器技术领域，特别是涉及一种含水率监测装置及方法。

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。若原油含水量监测不准，则对于确定油井出水、出油层位，估计原油产量，预测油井的开发寿命等将直接造成影响。

早期的原油含水率测量主要通过取样送至实验室进行蒸馏分离或者离心分离的方法来分析原油的含水率。但是由于取样化验的方法，操作复杂，数据信息获取滞后等因素，不能实时反映正在生产的油井的含水率变化。因此实时在线含水率装置需求日益迫切，诸多科研机构和企业针对原油含水率监测做了多方面的探索，分别采用电导率法、电容法、红外线法、射线法、射频衰减法、微波谐振法、微波传输线法等多种方法来实现原油含水率的测量。

但是现有的在线原油含水测量方法普遍为局部含水率测量，无法代表管道内部整体含水率情况。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

基于现有的在线原油含水测量方法普遍为局部含水率测量，无法代表管道内部整体含水率情况问题，本申请提供了一种含水率监测装置及方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种含水率监测装置，包括管体，所述管体内设置有电学层析成像传感器和微波传感器，所述电学层析成像传感器与信号采集处理单元连接，所述微波传感器与所述信号采集处理单元连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述电学层析成像传感器包括若干接头，所述接头沿着管体截面均匀分布。

本申请提供的另一种实施方式为：所述接头包括第一传输线、第一绝缘介质和第一密封圈，所述第一密封圈设置于所述第一传输线上，所述第一绝缘介质设置于所述管体内，所述第一密封圈设置于所述第一绝缘介质内；

所述第一传输线上设置有信号输入输出端，所述信号输入输出端与所述信号采集处理单元连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述微波传感器包括若干第二密封圈、若干第二传输线和若干第二绝缘介质，所述第二密封圈设置于所述第二传输线上，所述第二密封圈设置于所述第二绝缘介质内，所述第二绝缘介质设置于所述管体内，所述第二传输线与射频连接线一端连接，所述射频连接线另一端与所述信号采集处理单元连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述信号采集处理单元包括第一电路、第二电路、第三电路、控制电路、人机交互界面和远程通信模块，所述第一电路用于电学层析成像传感器的激励产生和检测，所述第二电路用于微波传感器的驱动和检测，所述第三电路用于温度传感器的驱动和检测，所述控制电路用于控制所述第一电路、所述第二电路和所述第三电路，所述控制电路用于实现多传感器融合算法，所述人机交互界面用于显示含水结果，所述远程通信模块用于将含水结果进行远端传输。

本申请提供的另一种实施方式为：所述电学层析成像传感器通过计算扰动引起的电容变化，同时结合深度学习算法得到介电常数，通过判断介电常数分布情况判断液相处于油连续相或者水连续相。

本申请提供的另一种实施方式为：所述管体为金属管体，所述金属管体被限定流体流动路径；所述金属管体为空心圆管段，所述金属管体通过法兰或者卡箍与外部管体连接。

本申请提供的另一种实施方式为：还包括温度传感器，所述温度传感器、所述电学层析成像传感器和微波传感器依次设置，所述温度传感器与信号采集处理单元连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述温度传感器包括温度探头，所述温度探头伸入管体内部，所述温度传感器、通过螺纹或者焊接的方式与管体连接；所述温度传感器用于在不同液体温度下实现水的介电常数的补偿。

本申请还提供一种含水率监测方法，将所述含水率监测装置应用于原油在线含水率监测。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的含水率监测装置的有益效果在于：

本申请提供的含水率监测装置，涉及原油开采输送环节的监测计量装置器仪表领域，采用多传感器融合技术，是一种高精度的原油含水率在线监测装置。

本申请提供的含水率监测装置，为一种多传感器融合的原油在线含水率监测装置。

本申请提供的含水率监测装置，组合了电学层析成像、微波传输线传感器、温度传感器等多传感器融合方案的原油在线含水率监测装置。其中电学层析成像传感器用于监测管道内部流体的流变特性，尤其时油水转相点特性、识别管道内部流形流态，得出截面含气率。

本申请提供的含水率监测装置，微波传感器根据电学层析成像传感器监测结果和温度传感器结果来对微波传感器测量的含水率进行数据补偿，从而得到最终的含水率。

本申请提供的含水率监测装置，实现了含水率的全量程测量。

本申请提供的含水率监测装置，低功率微波传感器和电学层析成像传感器无辐射危险，对人体无危害，不存在安全管理问题。

本申请提供的含水率监测装置，电学层析成像传感器加上微波传感器的组合，结合管道前端的混流器，保证了油水混合均匀的前提下，实现了管道内部气液流形流态的识别，传输线测量结果足以代表管道内部整体含水率情况。

本申请提供的含水率监测装置，电学层析成像传感器的引入使得管道内部流体的流变特性，主要是油水转相特性变得已知，通过判断管道内瞬时满液时刻，从而实现微波传感器仅测量油水两相流，排除了气体的影响。

附图说明

图1是本申请的含水率监测装置结构示意图；

图2是本申请的微波传感器结构示意图；

图3为本申请的电学层析成像传感器结构示意图；

图4为本申请的信号采集处理单元原理示意图；

图5为本申请的微波驱动检测电路结构示意图；

图中：1-管体；2-电学层析成像传感器；3-微波传感器；4-第一传输线；5-第一绝缘介质；6-第一密封圈；7-信号输入输出端；8-第二密封圈；9-第二传输线；10-第二绝缘介质；11-第二信号输入输出端。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

电导率法主要是通过阻抗测量来实现含水率的测量，因此对于低含水的测量，由于阻抗较大，信号衰减严重，难以获得准确的测量信号，仅能测量水连续相情况下的原油；电容法通过测量传感器两电极片之间的电容来监测介电常数的方法进行含水率的监测，主要用来进行低含水的测量，当含水率较高时，油水介电常数差异较大，导致灵敏度大大降低，常用在油连续相的情况下；红外线含水率测量是基于油水对红外线光谱吸收能力的差异来进行含水率的测量，只要提取被水吸收的特定波长，通过分析被测介质的透光率的变化即可得到相应的含水率，因此精度较高，可以实现全量程的测量，但是被测流体中如果水油混合不均匀，将带来较大误差，结垢结蜡等影响会大幅度影响测量精度，同时红外线法的设备价格相对较高，且安装和维护的成本也相对较大；射线法是采用低能射线透射散射法来进行原油含水率的测量，采用γ放射源作为激励，通过监测穿过原油后的γ射线的衰减来进行含水率的测量，测量精度较高，同样能够实现0-100％全量程的测量，但是带来了现场放射源管理的问题，同时结垢结蜡和水中盐度变化同样会给对测量造成较大影响；射频衰减法则是通过监测微波信号穿过原油后的能量损耗来监测含水率，但当含水率较高时，高频微波信号会大幅度衰减，从而造成较大的测量误差，一般用在水连续相的情况。微波谐振腔法和微波传输线法是近年来兴起的含水率测量方法，其中谐振腔法是利用腔体中流体的混合介电常数的变化引起谐振频率变化的原理来监测介电常数，从而获得原油的含水率，但其使用受限于水中盐度大小，通常只用于油连续相的情况。微波传输线法是利用微波在传输线上进行传输时，传输线周围的介质会影响微波的传输速度和能传输能量，速度降低会导致信号发生相移，而能量的减弱会影响微波的衰减，如果待测介质中存在自由电荷载体或极性材料(例如水分子)，则这种影响会成比例增加。水对信号的影响大约是其他成分(如原油)的影响的40倍。

因此，很清楚测量对水浓度的选择性敏感程度。水分和干物质之间的相关性使得可以在原油生产的所有阶段中非常精确地测量水的含率。与电容法相比，微波传输线法灵敏度较高，但微波传输线法的传感线多为点线式，与流体接触面较小，当腔内流体中混合气体时，将会大大降低测量精度，因此一般需要在管道内布置多个传感器来提高精度，但对于多传感器数据的判别多采用平均法，并不能很好的改善测量精度和稳定性。

综合来看，上述几种在线原油含水测量方法中主要存在以下几方面的问题：

1.存在无法实现全量程含水率测量的情况。

2.存在安全管理问题。

3.受温度、水的盐度、结蜡结垢等因素影响严重。

4.普遍为局部含水率测量，无法代表管道内部整体含水率情况。

5.无法判断管道内部流体的流变特性，主要是油水转相特性。

6.无法探知管道内部流体的流型流态，对于气体影响没有准确定量分析。

“微波”这个名字是不言而喻的。，通常是指波长介于红外线和无线电波之间的电磁波。微波的频率范围大约在300mhz至300ghz之间。所对应的波长为1米至1mm之间。微波频率比无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。在微波测量仪器中，来自发射器的微波以波的形式辐射产品，并被接收器检测到。如果发送器和接收器组成一个单元，则这些设备可以是谐振器，散射传感器或反射型。在发射和接收单元分开的情况下，这称为传输测量。微波传输测量广泛用于多相混合物的组分和水盐度的测量。

传输线是电子工程中的专用电缆或者其他结构，用于传输无线电频率的交变电流，也就是说，电流的频率高到一定程度时必须考虑它们波的性质，包括但不限于双导体传输线，包含平行线、同轴电缆、带状线和微带线。

参见图1～5，本申请提供一种含水率监测装置，包括管体1，所述管体1内设置有电学层析成像传感器2和微波传感器3，所述电学层析成像传感器2与信号采集处理单元连接，所述微波传感器3与所述信号采集处理单元连接。

其他原理的流型流态测量方法和含水率测量方法的组合结构，比如电学层析成像原理结合γ射线原理的含水率测量方案也可以。

基于多传感器融合的微波传输线原油在线含水率监测装置和含水率测量方法。

电学层析成像传感器2提供管道内部流形流态的判断。

电学层析成像传感器2提供转相点判断。

所述管体1前端设置有混流器，保证了油水混合均匀。

进一步地，所述电学层析成像传感器2包括若干接头，所述接头沿着管体截面均匀分布。

进一步地，所述接头包括第一传输线4、第一绝缘介质5和第一密封圈6，所述第一密封圈6设置于所述第一传输线4上，所述第一绝缘介质5设置于所述管体1内，所述第一密封圈6设置于所述第一绝缘介质5内；所述第一传输线4上设置有信号输入输出端7，所述信号输入输出端7与所述信号采集处理单元连接。

电学层析成像传感器2包括金属管体，开路金属传输线即第一传输线4，第一绝缘介质5和o型密封圈即第一密封圈6、配置成给低频电磁场提供约束并允许电磁场在一定频率下通过其传输，包括信号输入端和信号输出端，通过同轴线连接外部信号激励和测量系统；第一绝缘介质5是隔绝开路金属传输线与管壁的电气连接，构成电磁场信号传输的必要结构，可包括树脂，硬化树脂，聚合物树脂，环氧树脂或类似物；由于管道内部压力较高，为了防止流体通过第一绝缘介质5与管壁接触部位泄漏，第一绝缘介质5与金属管体间采用锥螺纹结构实现有效密封；为了防止流体通过开路金属传输线和第一绝缘介质5间的缝隙渗透出来，采用o型圈用于开路金属传输线和第一绝缘介质5间的密封，通过以上措施实现电学层析成像传感器2部分的密封可靠性；具体来说，电学层析成像传感器共有8个接头，8个接头沿管道截面方向均匀分布，每个接头包含开路金属传输线，第一绝缘介质5和o型密封圈三个部件，首先将o型密封圈套在开路金属传输线上面，再将第一绝缘介质5拧进管体内，然后把套有o型密封圈的金属传输线从第一绝缘介质5的一端开口处插入管体内，保证金属传输线端面与第一绝缘介质5端面齐平，信号输入输出端7与信号采集处理单元连接。

进一步地，所述微波传感器3包括若干第二密封圈8、若干第二传输线9和若干第二绝缘介质10，所述第二密封圈8设置于所述第二传输线9上，所述第二密封圈8设置于所述第二绝缘介质10内，所述第二绝缘介质10设置于所述管体1内，所述第二传输线9与射频连接线一端连接，所述射频连接线另一端与所述信号采集处理单元连接。

微波传感器3包括金属传输线即第二传输线9，第二绝缘介质10和o型密封圈即第二密封圈8、配置成给电磁场提供约束并允许电磁场在一定频率下通过其传输；金属传输线用于高频电磁场信号传输，包括第二信号输入端输出端11，通过同轴线连接外部信号激励和测量系统；第二绝缘介质10是隔绝金属传输线与管壁的电气连接，构成电磁场信号传输的必要结构，可包括树脂，硬化树脂，聚合物树脂，环氧树脂或类似物；由于管道内部压力较高，为了防止流体通过第二绝缘介质10与管壁接触部位泄漏，第二绝缘介质10与金属管体间采用锥螺纹结构实现有效密封；为了防止流体通过金属传输线和第二绝缘介质10间的缝隙渗透出来，采用o型圈用于金属传输线和第二绝缘介质10间的密封，通过以上措施实现微波传感器3部分的密封可靠性；具体来说，首先将2个o型密封圈套在金属传输线上面，再将2个第二绝缘介质10拧进管体内，然后把套有o型密封圈的金属传输线从绝缘介质的一端开口处插入管体内，保证金属传输线端面与绝缘介质端面齐平，2根射频连接线的一端分别与信号输入端和信号输出端连接，2根射频连接线的另一端与信号采集处理系统连接。

图5给出了微波传感器3驱动和检测电路的基本结构图，微波传感器3的驱动和检测电路为了减少和避免微波信号在传输过程的损耗，需要进行特征阻抗匹配，特征阻抗为50欧姆，这是提高微波电路一致性和稳定的重要手段，定向耦合器可以使微波信号以不同的功率分配为两路频率相位一致的信号，如果用作参考路的信号功率和驱动传感器的信号功率接近时，当微波信号经过传感器之后的衰减过大或者过小，都会导致检波器不敏感，从而失去检测精度，而耦合的加入可以使得作为检波器参考路的微波信号功率与驱动传感器的微波信号成比例的降低，从而提高检波器幅值测量的敏感度，从而实现矿化度的检测。

微波传感器3监测含水率是基于微波在传输线上传输时传输线周围介电常数决定了微波的传输速度的原理。将微波信号分为参考信号和驱动信号，当流经微波传感器3的驱动信号相对参考信号的幅值和相位产生变化时，则意味着传感器周围介质的介电常数发生了变化，由于油和水的介电常数已知，因此通过计算，就可得到混合液的介电常数，从而得到含水率。具体来说，通过测量电磁波经过介质的相移和衰减，可以确定待测介质的介电常数。电磁波在有耗介质中传播的基本原理在众多文献中已经得到很好的描述，具体来说，用于具有电场的x分量和y分量的正向传播的电磁波的电场在z方向传播的一般等式通过下面的等式1进行描述：

其中

e：电场矢量，e1:x方向的电场，e2:y方向的电场，ψ:x分量和y分量之间的相位角，k:相位常数或波数。

对在有耗介质中，如油水混合物中传播的电磁波来说，波数k为复数，如下等式2所示：

k＝α+jβ等式2

其中，α:电磁波功率衰减系数，β:电磁波相位常数。

e^-jkz＝e^-αze^-jβz等式3

功率衰减系数和相位常数可以用等式4和等式5表示：

其中：ε′:介质的复介电常数的实部，ε″:介质的复介电常数的实部，ω:工作角频率，μ:介质的磁导率。

其中介质的复介电常数ε可以根据等式6来描述：

ε＝ε′-jε″等式6

对于空气，原油来说，介电常数的虚部是等于0的，对于水来说，水的复介电常数可以通过单德拜豫弛定律来描述，如等式7所示：

其中，ε水:水的复介电常数，ε∞:无穷大频率下的介电常数，εs:静态介电常数，ω:工作角频率，σ水:水的电导率，ε0:玻尔兹曼常数。

水的介电常数实部可以推导为等式8：

其中，εs:静态介电常数，ε∞:无穷大频率下的介电常数，τ:偶极子弛豫时间。

根据平面波理论，衰减常数和相移常数可由衰减量和相位偏移量得到，如等式9和等式10所示：

m0和θ0为初始幅值和相位，mm和θm为测量的幅值和相位，l为传输线长度。通过等式9和等式10计算得出电磁波经过待测介质的衰减常数和相位偏移系数，结合等式4和等式5，计算出待测介质的混合介电常数，结合修正过的水介电常数，根据介电常数和含水率的关系方程得到含水率。由于原油和水混合物中主要存在混合状态，分别是油连续相(油为外相、水为内相)和水连续相(水为外相、油为内相)，两种情况下相同介电常数对应的含水率不同，需要分开进行计算。

进一步地，所述信号采集处理单元包括第一电路、第二电路、第三电路、控制电路、人机交互界面和远程通信模块，所述第一电路用于电学层析成像传感器的激励产生和检测，所述第二电路用于微波传感器的驱动和检测，所述第三电路用于温度传感器80的驱动和检测，所述控制电路用于控制所述第一电路、所述第二电路和所述第三电路，所述控制电路用于实现多传感器融合算法，所述人机交互界面用于显示含水结果，所述远程通信模块用于将含水结果进行远端传输。

信号采集处理单元包含了电学层析成像传感器2的激励产生和检测电路、微波传感器3的驱动和检测电路、温度传感器80的驱动和检测电路、用于控制上述电路和实现多传感器融合算法的控制电路、用于提供本地人机交互界面的按键和显示电路以及用于提供远程通信的总线接口和rj45接口和驱动电路等；

信号采集处理单元的整体构成如图4所示，电学层析成像传感器2、微波传感器3、温度传感器80的驱动和检测电路由控制电路完成控制和检测结果的数据分析和计算，经过转换和处理和得到的含水结果，在本地直接显示在人机交互界面上，远端可通过tcp/ip或者rs485总线传输。

进一步地，所述电学层析成像传感2器通过计算扰动引起的电容变化，同时结合深度学习算法得到介电常数，通过判断介电常数分布情况判断液相处于油连续相或者水连续相。

电学层析成像传感器2的激励采用dds技术产生频率在100khz-3000mhz之间的某个的正弦波激励信号，激励信号通过压控恒流源转换为对应的电流信号，通过电流信号来驱动传感器。电学层析成像传感器2为多电极传感器，通过驱动电路上的模拟开关芯片来切换不同的通道，使激励源施加于不同的电极，同时测量激励电极外的其他电极对接收到的信号，从而监测到不同方向、不同流层的电磁信息，从而判断流过传感器的流型。

基于本申请提出的可靠密封方法的微波传输线传感器结构，保证了在工业生产环境应用的安全性

本发明提出的可靠密封方法的电学层析成像传感器结构。

进一步地，所述管体1为金属管体，所述金属管体被限定流体流动路径。所述金属管体为空心圆管段，所述金属管体通过法兰或者卡箍与外部管体连接。

进一步地，还包括温度传感器80，所述温度传感器80、所述电学层析成像传感器和微波传感器依次设置，所述温度传感器80与信号采集处理单元连接。

进一步地，所述温度传感器80包括温度探头，所述温度探头伸入管体内部，所述温度传感器80通过螺纹或者焊接的方式与管体连接；所述温度传感器80用于在不同液体温度下实现水的介电常数的补偿。

温度传感器80位于管体的前部，电学层析成像传感器2位于管体中部，微波传感器3位于管体后部，信号采集处理系统与温度传感器80、微波传感器3、电学层析成像传感器2通过电气连接，用于采集并处理各传感器的信号。

温度传感器80用于测量介质温度，提供预警，提供补偿。

温度传感器80的温度探头伸入金属管体内部，用于在不同液体温度下实现水的介电常数的补偿，采用螺纹或者焊接等方式，将温度传感器80固定在管体上并实现有效密封，保证流体不泄漏。

本申请还提供一种含水率监测方法，将所述的含水率监测装置应用于原油在线含水率监测。

实施例

请参阅图1，图1是本发明提出的一种多传感技术融合的原油在线含水率监测装置的结构示意图，包括限定流体流动路径的金属管体、微波传感器2、电学层析成像传感器3、温度传感器80和信号采集处理系统。

金属管体通常采用金属材质的空心圆管段，管体1两端采用法兰、卡箍或其他过程连接方式与外部管体相连；温度传感器80位于管体的前部，电学层析成像传感器2位于管体中部，微波传感器3位于管体后部，信号采集处理系统与温度传感器80、微波传感器3、电学层析成像传感器2通过电气连接，用于采集并处理各传感器的信号。

油-气-水多相流经过金属管体时，微波发生和检测电路将检测到的衰减量和相位偏移量通过等式9和等式10得到衰减常数αm和相移常数βm，

m0和θ0为初始幅值和相位，mm和θm为测量的幅值和相位，l为传输线长度。

结合等式4和等式5，计算出待测介质的混合介电常数，结合修正过的水介电常数，判断此时待测介质属于油连续相还是水连续相，再根据介电常数和含水率的关系方程得到含水率。

由于三相流中同时存在油，气，水三种介质，气体会对含水率测量存在一定影响，为排除气体的影响，本发明中引入的电学层析成像模块能够得到实时气液分布情况，通过判断管道内瞬时满液时刻，从而实现微波传感器3仅测量油水两相流，排除了气体的影响。

本申请提出的多传感器融合方案的原油在线含水率监测装置解决了：

1.含水率的全量程测量。

2.低功率微波传感器3和电学层析成像传感器2无辐射危险，对人体无危害，不存在安全管理问题。

3.采用的含水率测量算法实现了温度、水的盐度的自动补偿，传输线的特殊涂层处理避免了结蜡结垢等因素的影响。

4.电学层析成像传感器2加上微波传感器3的组合，结合管道前端的混流器，保证了油水混合均匀的前提下，实现了管道内部气液流形流态的识别，传输线测量结果足以代表管道内部整体含水率情况。

5.电学层析成像传感器2的引入使得管道内部流体的流变特性，主要是油水转相特性变得已知，并对气体影响有了准确定量分析。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。