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专利号: 2022102555714
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器,其特征在于,其包括电容测量模块、电导相关测量模块、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块和电路控制系统,所述电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块设置在所述电容测量模块内部,所述电导相关测量模块设置在所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块的轴向两侧且同轴布置,所述电容测量模块包括外壳、外电极、内绝缘层、内电极和测量管道,所述外壳设置在所述内绝缘层外侧且同轴布置,所述外壳内侧安装有所述外电极,所述内绝缘层外侧安装有所述内电极,所述外壳外侧和所述内绝缘层内侧均安装有所述测量管道,所述电导相关测量模块位于所述内绝缘层上;

所述电导相关测量模块包括激励电极E1、激励地电极E2、第一测量电极H1、第二测量电极H2、第三测量电极M1、第四测量电极M2、第五测量电极M3、第六测量电极M4,所述第四测量电极M2与第五测量电极M3之间放置所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块;

所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块包括上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块,所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块均设有若干近红外吸收式光纤传感器,所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外接收装置和近红外发射装置,所述近红外发射装置和近红外接收装置分别与所述内绝缘层或外壳通过螺纹密封连接,相邻所述近红外吸收式光纤传感器的所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置在所述内绝缘层和外壳中进行对调;

所述电路控制系统包括多通道程控开关、电容测量模块电路、电导相关测量模块电路、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电源模块、存储模块、AD采集模块和主控制器模块,所述多通道程控开关分别连接所述红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块、电导相关测量模块和电容测量模块,所述电容测量模块电路包括电容激励模块和电容信号处理模块;所述电导相关测量模块包括电导激励模块、电导信号处理模块、上游信号处理电路和下游信号处理电路,所述电导信号处理模块包括信号调理电路、压频转换电路和信号整形电路,所述上游信号处理电路和下游信号处理电路均包括反向滤波放大电路模块、同相放大电路模块和限幅电路模块;所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路包括光发射模块、光接收模块和信号处理模块,所述AD采集模块采集传感器输出信号,所述电源模块为所述近红外吸收式光纤传感器提供电能,所述存储模块对所述近红外吸收式光纤传感器输出电压信号进行本地存储;

所述第一测量电极H1、第二测量电极H2组成相含率测量电极,所述第三测量电极M1和第四测量电极M2组成下游测量电极,所述第五测量电极M3和第六测量电极M4组成上游测量电极,所述上游测量电极和下游测量电极分别连接至所述上游信号处理电路和下游信号处理电路;

所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块中的若干所述近红外吸收式光纤传感器呈*形、环状均匀分布且位于同一截面上;每个所述近红外吸收式光纤传感器均仅含有1个所述近红外发射装置和1个所述近红外接收装置且二者连线的延长线均过截面圆心,所有所述近红外发射装置和近红外接收装置内外交错对应分布且位于同一截面上;

所述传感器的测量过程包括:

S1、获取所有近红外吸收式光纤传感器的输出信号;

S2、借助朗伯比尔吸收定律和吸光度线性叠加定律,计算融合截面持气率;

S21、基于上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号,通过采用朗伯比尔吸收定律及吸光度线性叠加定律,获取上游径向持气率ug1,ug2,…,ugn和下游径向持气率dg1,dg2,…,dgn;

S22、采用加权融合方法,获取上游截面持气率信息ug和下游截面持气率信息dg:其中,α1,α2,…,αn表示对应于ug1,ug2,…,ugn的权重系数且均为常实数;β1,β2,…,βn表示对应于dg1,dg2,…,dgn的权重系数且均为常实数;n为近红外吸收式光纤传感器的个数,n≥1,n∈N*;

S23、计算融合截面持气率g:

g=(ug+dg)/2    (3);

S3、将上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块的近红外吸收式光纤传感器进行插值,增加至2n个,基于插值点数据估计规则对插值点数据进行估计,并通过基于广义最小残差迭代的超声层析成像重建算法进行成像;

S4、基于电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块,借助互相关运算,计算流量参数f;

S41、基于近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块中的上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号,进行互相关运算获取近红外流量参数of;

S42、基于电导相关测量模块中的上游测量电极和下游测量电极输出的电压信号,通过互相关运算获取电导流量参数cf;

S43、综合近红外流量参数of和电导流量参数cf,获取流量参数f:

f=(of+cf)/2    (4);

S5、基于电容测量模块和电导相关测量模块,计算矫正持水率w;

S51、基于电容测量模块输出频率信号,获取电容持水率ew:

其中,Fco表示当电容传感器置于全油相环境时的输出频率;Fcw表示当电容传感器置于全水相环境中时的输出频率;Fc当电容传感器置于待测油水两相流体中时的输出频率;

S52、基于电导相关测量模块中的相含率测量电极输出电压信号,通过利用Maxwell方程获取电导持水率cw:其中,σm表示混合相的电导率;σw表示水的电导率;Fm表示混相时传感器输出频率;Fw表示全水时传感器输出频率;Gm表示第一测量电极H1、第二测量电极H2在油水混相时的电导;

Gw表示第一测量电极H1、第二测量电极H2在全水时的电导;

S53、基于融合处理后进一步获取融合持水率fw:

fw=(cw+ew)/2    (8);

S54、通过持水率矫正模型获取矫正持水率w:

w=fw/(g+1)    (9);

S6、获得最终多相流参数,所述多相流参数包括流量参数f、融合截面持气率g、矫正持水率w及截面气相分布特性;

所述步骤S41和步骤S42中的所述互相关运算Rxy(τ)为:

其中,τ表示上游传感器与下游传感器获取的信号的相似波形的时间间隔,是依据实际信号获取得到的;x(t)表示上游传感器获取的信号;y(t+τ)表示下游传感器获取的信号;T表示信号周期;

所述互相关运算的峰值代表着两路流动噪声信号的最大相似,其所对应的时间τ0为流体流动噪声信号由上游到下游所经历的时间,设为渡越时间;

所述步骤S41中的所述近红外流量参数of为:

of=(L/τ0)*apo    (11)

其中,L表示上下游距离;apo表示红外吸收式环形多探测点光纤相关测量传感器管道的横截面积;

所述步骤S42中的所述电导流量参数cf为:

cf=(L/τ0)*apc    (12)

其中,apc表示电导相关流量监测传感器管道的横截面积。

2.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器,其特征在于,与所述外壳连接的所述近红外发射装置或近红外接收装置伸出所述外电极部分与所述测量管道相接触,与所述内绝缘层连接的所述近红外发射装置或近红外接收装置伸出所述内绝缘层部分与所述测量管道相接触。

3.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器,其特征在于,所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块均设有n个相同的近红外吸收式光纤传感器,n≥1,n∈N*,且其中所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置对应相同。

4.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器,其特征在于,所述近红外发射装置在光源前方加载透镜进行聚光,所述近红外接收装置接收端适当外扩以便更好接收光线。

5.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量系统,其特征在于,所述步骤S3中所述插值点数据估计规则为多近邻插值:Zi=α1Z1+α2Z2    (13)

其中,Z1、Z2分别表示靠近插值点距离最近的实际测量点的电压信号。