[发明专利]利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置及方法

说明书

本发明公开了一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置及方法。测量装置包括MCU控制单元，微波激励单元，微波接收单元和微波谐振腔传感器。对于多相流相含率测量领域，含水率的变化影响腔体内的介电常数，进而对谐振腔的谐振频率产生影响。由于不同谐振模式的含水率响应特性规律不同，本发明提出了一种利用其双模谐振频率含水率的测量装置及方法，可实现油水两相流含水率全量程范围的准确测量。

技术领域

本发明属于多相流测量检测领域，涉及一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置及方法。

背景技术

油水两相流广泛存在于油田生产、存储、运输、炼化等各个阶段，在原油开采过程中，含水率的准确测量对于保障油田生产安全，提高采收率，延长油井开发寿命具有重要意义，而在联合站、集输站及原油外输等贸易计量场景中，更需要准确的含水率检测技术以保证双方利益。采样离线化验的方式是目前油田常用的含水率计量方式，该方法虽然可以实现含水率的准确测量，但化验仪器价格昂贵，采样及分离时间成本较高，数据时效性差，无法及时准确反应当前情况，且受采样位置和油水混合均匀程度的影响，得到结果不一定具有代表性。在“智慧油田”改造进程中，迫切需要实现油水两相流含水率的在线实时不分离测量。

现有的基于不同传感原理的含水率测量技术，如射线法，电容法，电导法等，在实际应用过程中均存在一定的局限性。射线法存在辐射安全隐患，现场安装使用需具备相应资质，且需要专业工作人员维护；电导法和电容法存在含水率测量范围的局限性。基于上述原因，研发一种结构简单、安全可靠、测量精度高的实时在线测量装置及测量方法对于油井的生产管理和优化开采方案具有极高的工程价值和切实的工程意义。

近年来，基于微波原理的含水率测量方法受到广泛关注，在土壤，谷物，纸张，木材等的湿度测量中已取得了一定的应用。由于微波对于介电材料具有穿透性，接收信号频率、幅度与相对介电常数等被测介质介电特性有关，非常适用于针对油水两相流的非侵入式测量场景。由于水的介电常数远高于油的介电常数，因此微波信号对于油水两相流中含水率的变化具有很高的灵敏度。

本专利提供了一种基于微波谐振腔传感器的油水两相流含水率检测装置，实现对含水率敏感的微波谐振频率信号的提取，并在此基础上提出了基于双模谐振频率含水率测量方法，实现了油水两相流含水率0％-100％全量程测量，提高了测量灵敏度。

发明内容

本发明的目的是为了填补现有技术中的空缺，提供一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置及方法，搭建了用于激励和接收微波信号的检测电路，在此基础上，提出了对谐振频率的归一化处理方法，并建立了基于双模谐振频率的含水率测量方法，本发明采取以下技术方案：

一种利用微波谐振腔双模态谐振频率测量含水率的装置及方法，测量装置由MCU控制单元，微波激励单元，微波接收单元和微波谐振腔传感器组成。通过微波谐振腔检测装置得到的TM010TM110双模态谐振频率信息建立预测模型实现含水率测量。

所述微波激励单元包括频率源及外围电路。为实现微波扫频测量获得谐振频率信号，所述频率源的频率范围为0.3GHz-20GHz。

所述微波接收单元由匹配电阻，检波器，接收调理电路，AD转换电路组成。所述接收调理电路由放大器和减法器组成，用于调制基准电压，提高测量灵敏度。

进一步地，所述检波器用于将微波幅值转换为电压信号。

所述微波谐振腔传感器由圆柱形金属空腔，微波发射与接收天线，透波管和金属管道组成，透波管内嵌入圆柱形金属空腔中心并于金属管道相连接。微波发射与接收天线插入金属空腔内，于透波管两侧对称布置。

进一步地，所述金属空腔传感器内径和长度尺寸分别应在金属管路内径的1.1-10倍和0.1-10倍之间。

进一步地，所述透波管由非金属低介电常数的导波材料制成，且应选用零浸润度材料避免结垢影响测量精度。透波管厚度为金属管内径的1.1-10倍之间。