原油含水率无线智能仪表的研究

摘　要；首先对原油含水率测量方法及国内外相关产品的研究动态进行介绍，分析了各种测量方法的基本原理、应用范围及优缺点·在此基础上完成系统的，设计、制作及软硬件的实验调试工作。硬件上使用低功耗型单片机，设计超短波的发生器、放大电路以及相位差和幅度衰减的检测电路，还有温度传感器和无线通信电路。

关键词：含水率；介电特性；低功耗：幅度相位检测

中图分类号：TP2　文献标识码：A　文章编号：1671-7597(2010)0920067-01

0　引言

油水两相流的含水率测量一直是人们关注的热点。测量的准确程度，将直接影响油井及油层动态分析，给原油集输造成很大的能源浪费，在原油炼制过程中原油含水率超标易引起突沸等恶性事故的发生，因此原油含水率的在线检测非常重要。而含水率的精确测量十分困难，因此追切需要研制宽量程含水率测量仪表。我国先后开发出多种原油含水率测试仪，投入油田使用后，虽然取得了一定的效果，但由于工艺和技术水平原因，其稳定性、准确性、实时性、可靠性及成本情况，难以适应我国高含水油田生产实际的要求。针对我国原油生产的特点，研究原油含水率的在线检测技术，研制新型传感器，开发高品质的仪表，使原油含水率测量技术迈入一个新的台阶，具有重要的社会意义和经济意义。

1　传朋的设计与建横

1.1　传感器的设计

油水混合介质在两根传输线之间流过。并成为电磁波能量传播的载体。由于电磁波在传输线内传播时的传播特性取决于介质的电学特性，则当油水混合物中水的比例变化时，电磁波的幅度和相位都将发生变化·由于介质的电导率会引起电磁波的相位常数变化，而被测介质的电导率变化的不确定性较大，不利于测量，所以有些资料中对传感器进行优化，从而达到减小介质电导率对测量影响的目的。对传感器进行优化的方法是在传感器内导体外部添加一种电导率尽量小而介电常数尽量大的包裹介质，使被测介质的等效电导率减小，等效介电常数加大，当包裹介质的介电常数远大于油水混合介质的介电常数，而电导率远小于混合介质的电导率时·电磁波相位常数变化将仅与介电常数有关。但这样会带来测量误差，所以本文同时测量与含水率有关的两个参数，即电导率和介电常数。

既要保证容易实现仪器的分辨率和一致性，又能使相位响应不出现多解性，前者要求传感器越长越易使仪罂具有较大的分辨率和较好的一致性。但传感罂的长度超过一个波长后响应就有可能出现多解性，为了两者兼顾，选择传感器的长度要小于并尽量接近电磁波的波长。

1.2　传感器的建模

由于含水率测量方程的建立完全是基于理论模型，建立含水率实际的数学模型可以提高测量精度。先搭建计算机平台进行数据分析来建立数学模型，最后采用单片机数据处理来得到含水率。测量的一般数学模型的建立步骤：

1)在不同温度下进行大量实验数据采集，这种实验必须是大量和精确的；2)抽取一些水分点和温度点进行重复性和稳定性观察实验，对某一点样本进行连续测量和记录，观察频率的漂移情况；3)分别绘制出和含水率有关参数的关系曲线，从定性分析的角度得出这些相关变量的关系；4)确定数学模型的输入、输出变量：5)根据定性分析结果，定出可供拟合的数学模型；6)对该模型进行参数计算，并求出相应的统计参数。

2　原油含水率测量系统设计

本文所设计的原油含水率测量系统框图如图1所示。

信号源产生频率为的超短波信号。其中一路信号直接送到幅度相位检测电路的一个输入端，另一路信号送至油水混合物流过的传感器中。超短波信号在油水混合介质中传播时，会产生幅度衰减和相位移变化，被接收后送至幅度相位测量电路的另一个输入端。幅度相位测量芯片把两路输入信号的幅度比和相位差都转化为电压输出，两个电压信号经过单片机内部刀转换器转换为数字信号，进行数据处理后，在液晶模块上显示原油含水率的结果，并将采用无线通信进行数据传输。

此外，由于温度会影响到油水混合物的介电常数值，还利用温度传感器进行温度补偿。整个系统中相关的器件做到性能匹配，系统中的芯片都选择低功耗的产品，同时芯片全采用贴片封装，极大地节省了电路板空间，方便携带。采用MSP430F149作为数据采集系统的微控制器，增加了系统的集成度，提升了系统的整体性能。

2.1　系统频率的确定。工作频率的选择从有利于测量流体的电性参数考虑，同时必须考虑流体中电磁场的特性以及测量条件的影响。应该选择工作频率使测量信号同时反映介电常数和电导率的信息。如果工作频率过低，测量结果将会主要是电导率的信息，而不能用于分辨介电常数的变化；如果工作频率过高，涮量结果则反之。因此，采用的电磁波频率以数十兆赫兹为宣。电磁波的工作频率越大，电磁波的相位、幅度特性或传播特性变化就越大，仪器的分辨率就越高，有利于高含水率的测量，但是电路实现就越复杂。综合考虑电路实现以及传感器尺寸对电磁波频率的限制，选择系统的工作频率为60MHz。无论传输线内的介质是水还是油水混合介质时，电磁波都会以TEM的形式传输。

2.2　超短波信号源。用模拟电路自制高频振荡器并不是容易的事。必须在所有情况下，包括极端恶劣的条件下都能可靠、稳定的振荡，而且产生的输出信号频率应保持高度稳定性，输出幅度应和负载无关。振荡器振荡频率越高，设计时遇到的困难就越严重。元件间的寄生振荡对设计性能有影响，振荡器各元器件的布局、印刷电路板的分布电感以及电路中其它有害的祸合效应、输出负载甚至电源电压的改变等因素都会影响振荡频率。

本文超短波信号源采用美国MAXIM公司生产的固定频率压控振荡器芯片MAX2605来产生60MHz的信号。它把压控振荡器、变容二极管以及差动输出驱动器集成在同一芯片上。既可以用差动输出方式作对称型高频输出，又可提供在锁相回路中满足良好祸合的两个单端输出。该芯片可提供45MHz-70MHz的固定频率。

参考文献：

[1]徐爱舫、赵长庆、赵强等，１英寸含水率仪器综述，石油仪器，2001，15(6)；5-7。

[2]郑志受、富乃成、蒋志清，原油生产中油中含水率的测控，中国计量。1998，27(2)：31—32。