一种旋流状态下射频含水率测量仪及方法与流程

本发明属于原油含水率测量技术领域，具体涉及一种旋流状态下射频含水率测量仪及方法。

背景技术：

原油含水测量一直是三相流测量技术中重要的一环。当前，原油含水率测量技术主要分为两大类，一类是人工测量法，也称离线测量法，主要有蒸馏法、电脱法和卡尔费休法；一类是电法测量，也称在线测量法，主要有电导法、射线法、电容法、电磁法和射频法。

现阶段，由于在线测量方法存在的各种不稳定因素及不完善性，生产一线仍然以人工测量法作为主要的原油含水测量方法。蒸馏法主要是基于产出液中不同混合物的沸点差异，经加热、冷却凝结后，得出产出液中的含水率值，蒸馏法主要弊端在于，由于实际生产条件局限，单次采样量较少，且采样周期较长，使得测试结果不具有代表性，说服力较差。电脱法和卡尔费休法同样存在上述问题，且花费较大，成本居高不下。因此，当前实际生产面临两难的局面，人工法测量结果准确、精度高，但不具代表性且费人费力；在线法测量法方便、及时，但误差较大，不能满足实际生产的要求，推广应用还有待时日，因此，原油含水率测量技术的研究亟待突破、解决。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种旋流状态下射频含水率测量仪及方法。

本发明的第一目的是提供一种旋流状态下射频含水率测量仪，包括套管，套管一端与旋流器水平连接，另一端与导管垂直连接；套管外部设置有射频信号处理模块和通信电线保护罩，通信电线保护罩通过内部电线对射频信号处理模块供电以及信号传输；套管内部设置有与射频信号处理模块连接的射频天线；所述射频信号处理模块包括嵌入式单片机、信号源发生器、信号放大器、数据检测模块和数据采集卡。

进一步的，所述射频天线与套管螺纹连接，射频天线通过固定器固定在套管的轴心处。

进一步的，射频天线由外到内的结构为聚四氟乙烯天线保护罩、镀银铜芯，射频天线的一端设有外螺纹基座，外螺纹基座设有内部馈电孔。

本发明的第二目的是提供一种旋流状态下射频含水率测量方法，包括以下步骤：

s1，将测量仪的旋流器端与原油管道连接，将已知含水率的原油通过旋流器进行测量，原油经旋流器作用后形成以油为内环、水为外环的两相流通过套管；

s2，射频天线在射频信号处理模块的信号源发生器、信号放大器作用下产生40mhz-50mhz的射频信号，并作用在步骤s1产生的两相流上；

s3，射频信号处理模块的数据检测模块检测经过原油后的射频信号，并输入到射频信号处理模块中的接收电路，得到其中测量电阻两端的电压值，记录在数据采集卡；

s4，将多组不同含水率的原油重复s1～s3操作，测得不同含水率对应的电压值；

s5，将测量的电压值数据与已知原油含水率建立对应关系，拟合出含水率预测曲线；

s6，将含水率待测的原油重复s1～s3操作，将测得的电压值在s5中得到的含水率预测曲线中标定，得到含水率值并输出显示。

本发明具有以下有益效果：

其一，射频法原油含水测量技术是一种原油含水率测量的有效方法，其测量原理是基于介质的射频阻抗理论，将含水原油作为电介质，通过测定油水混和液对射频信号所呈现的阻抗特性变化来反映原油中的含水量，具有测量精度高、工作稳定可靠、安装方便等优点，方便在线测量原油含水率。

其二，利用旋流状态测量含水率，油水在旋流器旋流作用下分层，油密度较小形成外环，水密度较大形成内环。不会有太多油水混合部分导致电容的不均匀分布，因此旋流状态的含水率测量仪在数值上更加精确，受不稳定油水分布的影响更小。

其三，可拆卸式零部件设计，能够及时清理天线表面结蜡结垢，更换部件方便，可延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明所提供的测量仪的立体结构示意图。

图2为本发明所提供的测量仪的剖视示意图。

图3为射频信号处理模块的工作流程示意图。

图4为本发明的射频天线剖视示意图。

图5为本发明的固定器主视结构示意图。

图6为本发明所提供的一种旋流状态下射频含水率测量方法流程图。

图7为本发明所提供的一种旋流状态下射频含水率测量方法的步骤s5中拟合的含水率-电压值对应曲线。

图8为原油经过旋流作用后在套管内的横截面示意图。

其中：套管1、射频信号处理模块2、固定器3、通信电线保护罩4、射频天线5、螺纹口6、天线保护罩7、镀银铜芯8、外螺纹基座9、内部馈电孔10，旋流器11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～2所示，一种旋流状态下射频含水率测量仪，包括套管1，套管1一端与旋流器11水平连接，另一端与导管1.1垂直连接；套管1外部设置有射频信号处理模块2和通信电线保护罩4，通信电线保护罩4通过内部电线对射频信号处理模块2供电以及信号传输；套管1内部设置有与射频信号处理模块2连接的射频天线5；所述射频信号处理模块2包括嵌入式单片机、信号源发生器、信号放大器、数据检测模块和数据采集卡。

如图3所示，射频信号处理模块2由嵌入式单片机stm32f407作为核心，搭载信号源模组ad9851作为信号源发生器，通过ad8310信号放大器进行信号对数放大，给射频天线提供0mhz-70mhz的输出频率。同时在接收器使用测量电阻和电阻两段的仪表放大器用于射频传出信号的数据检测并输出直流电压，和用于记录数据的数据采集卡。

钢制套管1的直径为25.4mm，左接旋流器11，根据所需性能选取不同规格的旋流器11。钢制套管1上部设置有射频信号处理模块2和通信电线保护罩4，通信电线保护罩4通过内部电线对射频信号处理模块2供电以及信号传输，射频信号处理模块2的具体尺寸根据选取的通信模块来决定。

其中射频天线5从钢制套管1右侧的螺纹口旋入，通过固定器3固定在套管1的轴心处。

如图4所示，射频天线5全长210mm，射频天线5由外到内的结构为聚四氟乙烯天线保护罩7、镀银铜芯8，射频天线5的一端设有外螺纹基座9，外螺纹基座9设有内部馈电孔10。其中聚四氟乙烯天线保护罩7外直径8mm、长度203mm；内部镀银铜芯8长度200mm、外直径7mm作为馈电天线；右侧尾部外螺纹基座9，长度10mm，外直径10mm，外圈有螺纹与管道部分螺纹口6相对应，轴心处有内部馈电孔10，直径2mm，用于给射频天线5供电及外接射频信号源。

图5为固定器3的立体结构图，固定器3中心为直径8mm、宽度1mm空心圆环，外侧由三根1mm宽、7.8mm长的矩形支架构成，三根支架将圆周三等分。射频天线5安装时穿过固定器3轴心，起到在旋流中稳定天线作用。

如图6所示，一种旋流状态下射频含水率测量仪测量含水率的方法，包括以下步骤：

s1，将测量仪的旋流器11端与原油管道连接，将已知含水率的原油通过旋流器11进行测量，原油经旋流器11作用后形成以油为内环、水为外环的两相流通过套管1；

s2，射频天线5在射频信号处理模块2的信号源发生器、信号放大器作用下产生40mhz-50mhz的射频信号，并作用在步骤s1产生的两相流上；

s3，射频信号处理模块2的数据检测模块检测经过原油后的射频信号，并输入到射频信号处理模块2中的接收电路，得到其中测量电阻两端的电压值，记录在数据采集卡；

s4，将多组不同含水率的原油重复s1～s3操作，测得不同含水率对应的电压值；

s5，将测量的电压值数据与已知原油含水率建立对应关系，拟合出含水率预测曲线(如图7所示)；

s6，将含水率待测的原油重复s1～s3操作，将测得的电压值在s5中得到的含水率预测曲线中标定，得到含水率值并输出显示。

图8为原油经过旋流作用后在套管1内的横截面示意图，正中心圆为射频天线。将射频天线外界面至油水界面、油水界面至管道内壁，视为两个不同的圆筒式电容，r为天线半径，r0为管内油截面半径即油水分界面位置，r为管道内径，天线长度l，含水率d。

环状油截面面积为s油，环状水截面面积为s水，天线截面面积为s天，管道整体液体截面面积为s液。

则

s液＝πr²-s天＝π(r²-r²)(2)

s油＝s液-s水＝(1-d)s液(3)

其中：v水为管内纯水体积；v液为管内所有液体体积；l管为测量仪管道长度。

又

s油＝πr0²-πr²(4)

根据(2)～(4)式可得：

根据圆筒电容计算公式可得：

其中：c天线-油为天线与油水分界面之间的电容值；c油-水为油水分界面与管道内壁之间的电容值；l天为天线长度；ε0为真空介电常量，取近似值为8.854187817×10^-12f/m；ε油为油的介电常量；ε水为水的介电常量。

两电容内外结合，可视为串联电容，总电容c计算如下：

当射频信号穿透该介质时，总系统阻抗z为：

r接为接收传感器等效电阻，f为射频天线发射频率，c为总电容，z为总系统阻抗，j是复数，纯粹数学符号，没有实际物理意义。

当系统阻抗确定时，接收器中的电流为：

i为接收器中的电流，u为整体电压。

添加检测电阻r测后，检测电阻r测两端的电压为：

u测＝ir测(11)

u测为测量电阻两端电压，r测为测量电阻的电阻大小。

由于含水率d不同，经旋流后油水分层，油截面半径r0发生改变，从而导致两部分圆筒式电容值改变，总电容改变，因此接收器中的系统电流发生变化。由于射频天线的频率、长度均为常数，射频发生器和接收器电压固定，从而用测量电阻两端的电压值u测与使用油品含水率d相对应，调整系数得出含水率。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。