专利名称：同轴电导传感器、油水两相流含油率测量系统和测量方法
技术领域：
本发明涉及一种同轴电导传感器及其测量系统，可实现油水两相流含油率的在线精确测量。
背景技术：
在原油的开采及输送过程中，油水两相流分相含率的在线精确测量具有重要价值。电导法具有结构及原理简单、响应速度快、价格低廉和无辐射等优点，被广泛用于多相流的测量研究。电导法是根据油水电导率不同进行测量的方法。在分相含率与混合物电导率关系的研究方面，众多研究者已经进行了大量的研究。其中应用较多的为Maxwell模型 [1’12’"]与 Bruggeman 模型[2,14,15]。为了获得更好的测量效果，研究者们设计了很多形式的电导传感器，电导探针D’4’ 5]主要用于相含率分布的测量；平行板[6’7]结构具有电场分布均勻的优点，由于其结构限制主要应用于方形管道的测量；弧形电极[8]，为适用于圆形管道测量，将平行板电极变化为半圆型结构，虽可应于圆形管道测量，但截面电场分布不均勻；截面多电极结构[9’1(1]，该结构主要用于电阻层析成像(ERT)以及纵向环型多电极[11]。传统的电导传感器除平行板结构外，其他传感器电场分布的不均勻影响了含率测量精度，而平行板电极虽具有电场分布均勻的优点，但仅限于方形管道的测量，实际应用管道多为圆形管道，限制了其广泛应用。在电导传感器设计中，提高电导传感器中电场的均勻性，是提高含率在线测量精度的关键。参考文献[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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发明内容
本发明的目的克服现有技术的上述不足，提供一种电场分布更均勻，检测更为准确的电导传感器，并提供一种采用此种电导传感器的测量系统及测量方法，以此提高油水两相流含率测量的精度。一种用于油水两相流含油率检测的同轴电导传感器，包括呈同轴的环形外电极、 内电极和两个保护电极；两个保护电极分别固定在内电极的两端，它们与内电极之间设置有绝缘垫片，两个保护电极和内电极的半径相等。作为优选实施方式，所述的用于油水两相流含油率检测的同轴电导传感器，由内电极、两个保护电极和两个绝缘垫片构成同轴结构的内部电极组件，该内部电极组件的轴向长度与外电极的轴向长度相等；所述的同轴电导传感器，在使用时，固定在垂直上升或垂直下降管道。本发明提供一种采用上述电导传感器的油水两相流含油率测量系统，包括传感器，激励模块、测量模块、采集模块、解调模块和计算单元，所述的传感器为同轴电导传感器，包括同轴的环形外电极、内电极和两个保护电极；两个保护电极分别固定在内电极的两端，它们与内电极之间设置有绝缘垫片，两个保护电极与内电极的半径相等并与其同电势， 激励模块生成正弦激励信号和两个相位差为90°的参考信号，两个参考信号被送入解调模块，激励信号被加载在作为激励电极的内电极或外电极上，作为检测电极的内电极的输出 信号依次经过测量模块和解调模块后，得到实部信号，再经过采集模块被送入计算单元，由 计算单元根据采集的实部信号计算油水两相流含油率。作为优选实施方式，计算单元根据该测量系统的解调模块输出的实部信号，计算 被测油水两相流等效阻容并联电路的并联电阻值，然后利用Maxwell模型计算油水两相流 含油率，如果测得的含油率大于50%，再利用Bruggeman模型计算含油率，利用两个模型的 计算结果平均值进行修正，得到油水两相流含油率大于50%时的测量值。本发明还提供一种采用上述油水两相流含油率測量系统实现的測量方法，包括下 列步骤(1)由激励模块生成正弦激励信号和两个相位差为90°的參考信号；(2)对激励电极施加正弦激励信号，将两路參考信号送入解调模块；(3)对检测电极的输出信号经测量模块后与參考信号进行解调得到实部信号；(4)根据实部信号计算油水两相流含油率。其中的步骤，具体可包括下列步骤(1)计算被测油水两相流的电阻值，进而得到其电导率；(2)利用Maxwell模型计算油水两相流含油率；(3)如果计算的含油率大于50 %，再利用Bruggeman模型计算含油率，利用两个模 型的计算结果平均值进行修正，得到油水两相流含油率大于50%时的测量值。本发明的内电极与外电极采取同轴结构，其间电场分布更均勻，同时还在内电极 两端增加了保护电极，进ー步减小了边缘效应的影响。采用本发明的传感器和測量系统，能 够提高測量精度，特别是在高含水率下的測量精度得到了改善在含油率小于50%时，该 传感器測量含油率的测量误差在2%以内；含油率大于50%时测量误差较大，含油率70% 时测量最大误差为5%。该装置在油水两相流的測量中具有重要的现实意义。
图1为本发明装置的系统结构图；图2为本发明装置的传感器结构图；图3为本发明装置传感器与测量电路的连接方式示意图，(a)和(b)各为ー种连 接万式。图中1、PC机2、激励模块3、同轴电导传感器4、測量模块5、解调模块6、采集模块7、固定台阶8、保护电极9、绝缘垫片10、内电极11、外电极12、有机玻璃棒13、传感器管壁14、固定环
具体实施方式
下面结合实例附图和实施例说明本发明的用于油水两相流含油率测量的同轴电导传感器及其测量系统。本发明所述系统结构如附图1所示，包括同轴电导传感器3、激励模块2、测量模块4、数据采集模块6、解调模块5和PC机(计算单元)1。同轴电导传感器主要由内电极 10、外电极11、两个保护电极8、固定台阶7、固定环14组成，如附图2所示，本实施例传感器的两端可以通过法兰安装在竖直管道上。外电极11为圆筒结构，固定在传感器段的管道内壁，且与管壁13绝缘；内电极10也为圆筒结构，置于管道内与外电极同轴；在内电极10的两端各连接一个与内电极同轴且同半径的保护电极8。本实施例中外电极11的半径与管道内壁相同，为25mm，内电极10的半径为15mm，长度为100mm，每个保护电极8的长度为25mm， 各通过一个绝缘垫9与内电极相连接。在每个保护电极与传感器端部之间各连接一个有机玻璃棒12 ；两有机玻璃棒(与内电极和保护电极半径相同)，有机玻璃棒的一端与保护电极相连接，另一端通过一固定台阶与固定环组合，上下两个固定环以及两个有机玻璃棒将内电极、两个保护电极固定于传感器中，内电极10、两个保护电极8、两个绝缘垫9以及两个有机玻璃棒12之间的固定连接均采用螺纹连接方式。内电极10、两个绝缘垫片9及两个保护电极8在轴向上的长度与外电极11长度相同，此同轴结构可使传感器内电场分布更均勻， 更适于含率测量。激励模块可同时产生一路正弦激励信号和两路参考信号(0°、90° )，参考信号应用于解调模块；测量模块主要是将传感器测量的阻抗信号转变为电压信号，再送到解调模块进行解调，得到实部电压值和虚部电压值，可求出被测对象的阻抗信号，解调方法有开关解调、乘法解调和数字解调等。解调后的信号经采集模块采集后送入PC机进行含率计算。多次实验结果表明对于含油率在50%以下的应用条件，采用Maxwell模型[1’12’13] 进行含油率计算，对于含油率在50%以上的应用条件，采用Maxwell模型与Bruggeman模型 [2’14’15]含油率计算值的平均值作为最终的含油率计算结果。其中，测量系统与电极的配合方式有两种一、采用外电极激励，保护电极接地，内电极连接测量模块，其电势与保护电极相同(如图3(a)) ；二、采用外电极接地、内电极既作为激励电极，也同时作为检测电极，保护电极保持与内电极等势(如图3 (b))。在油水两相流实验装置上进行实验，选择DN50的管道，传感器3垂直安装于实验管道，可避免油水分层对测量结果造成影响。传感器3与测量电路的配合方式选择外电极激励，保护电极接地，内电极连接测量模块4的方式(如图3 (a))，外电级交流激励信号Vi 由激励模块2提供。测量模块4将流经传感器3的油水阻抗信号(等效为电容C和电阻R
凡(1+ jmRC)
的并联电路)转变为电压信号Vtjl输出，计算式为
权利要求
1.一种用于油水两相流含油率检测的同轴电导传感器，包括呈同轴的环形外电极、内电极和两个保护电极；两个保护电极分别固定在内电极的两端，它们与内电极之间设置有绝缘垫片，两个保护电极和内电极的半径相等。
2.根据权利要求1所述的用于油水两相流含油率检测的同轴电导传感器，由内电极、 两个保护电极和两个绝缘垫片构成同轴结构的内部电极组件，该内部电极组件的轴向长度与外电极的轴向长度相等。
3.根据权利1或2所述的传感器，所述的同轴电导传感器，在使用时，固定在垂直上升或垂直下降管道。
4.一种油水两相流含油率测量系统，包括传感器，激励模块、测量模块、采集模块、解调模块和计算单元，其特征在于，所述的传感器为同轴电导传感器，包括同轴的环形外电极、 内电极和两个保护电极；两个保护电极分别固定在内电极的两端，它们与内电极之间设置有绝缘垫片，两个保护电极与内电极的半径相等并与其同电势，激励模块生成正弦激励信号和两个相位差为90°的参考信号，两个参考信号被送入解调模块，激励信号被加载在作为激励电极的内电极或外电极上，作为检测电极的内电极的输出信号依次经过测量模块和解调模块后，得到实部信号，再经过采集模块被送入计算单元，由计算单元根据采集的实部信号计算油水两相流含油率。
5.根据权利要求4所油水两相流含油率测量系统，其特征在于，所述的传感器，由内电极、两个保护电极和两个绝缘垫片构成同轴结构的内部电极组件，该内部电极组件的轴向长度与外电极的轴向长度相等。
6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述的外电极作为激励电极，两个保护电极接地，内电极作为检测电极。
7.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，外电极接地，两个保护电极接激励信号，内电极既作为激励电极，也同时作为检测电极。
8.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，计算单元根据该测量系统的解调模块输出的实部信号，计算被测油水两相流等效阻容并联电路的并联电阻值，然后利用 Maxwell模型计算油水两相流含油率，如果测得的含油率大于50%，再利用Bruggeman模型计算含油率，利用两个模型的计算结果平均值进行修正，得到油水两相流含油率大于50% 时的测量值。
9.一种采用权利要求4所述的油水两相流含油率测量系统实现的测量方法，包括下列步骤(1)由激励模块生成正弦激励信号和两个相位差为90°的参考信号；(2)对激励电极施加正弦激励信号，将两路参考信号送入解调模块；(3)对检测电极的输出信号经测量模块后与参考信号进行解调得到实部信号；(4)根据实部信号计算油水两相流含油率。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤4包括(1)利用测量得到的实部信号计算被测油水两相流的电阻值，进而得到其电导率；(2)利用Maxwell模型计算油水两相流含油率；(3)如果计算的含油率大于50%，再利用Bruggeman模型计算含油率，利用两个模型的计算结果平均值进行修正，得到油水两相流含油率大于50%时的测量值。
全文摘要
本发明属于油水两相流测量技术领域，涉及一种用于油水两相流含油率检测的同轴电导传感器，包括呈同轴的环形外电极、内电极和两个保护电极；两个保护电极分别固定在内电极的两端，它们与内电极之间设置有绝缘垫片，两个保护电极和内电极的半径相等。本发明同时提供一种采用上述同轴电导传感器的测量系统，并提供了采用此种测量系统实现的测量方法。该测量系统包括激励模块，同轴电导传感器，测量模块，解调模块，采集模块和计算单元。本发明的传感器和测量系统提高了测量精度，特别是在高含水率下的测量精度得到了改善。
文档编号G01N27/08GK102435641SQ20111024720
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者刘琴, 吴东月, 王超 申请人:天津大学