电导式相关流量测量传感器

互相关流量测量技术是基于来自同一流道内上、下游传感器所检测到的流体内部的流动噪声的互相关函数的测量，流动噪声的检测是相关流量测量的技术关键。在过去的几十年中，基于电容、电导、超声波、放射性、光等多种传感器的相关流量测量技术己经得到研究中，对“敏感器”和“传感器”这些名词，采用了不同的定义。在本论文中，‘’敏感器“是用来表示检测物理现象（例如，电导率、压力、介电常数等等）的基本元件。电导式敏感器敏感于油水两相流体电导率。对于油水两相流来说，当流体中离散相的油泡分布在连续相的水中时，由于油泡的空间分布和尺寸分布是随机变化的，导致了流体电导率的随机变化，形成了流体的流动噪声。如所示为电式敏感器示意图，它是由一对金属环形电极镶嵌在绝缘的敏感器内壁上构成，由于流体存在电导率，所以两环状电极存在阻抗，这样电极间流过的流体的电导率变化转化为阻抗变化。假设敏感器内为水相的时候，有一油泡自下而上、由远而近从这对电态动水kt油泡―个油泡下阻抗变化曲线示意极间流过，这时电极上的输出阻抗变化曲线如所示，多个油泡连续流过时，这对电极上就会产生阻抗连续变化曲线。当一定频率下的正弦波交变恒定电流流过时，电极间就会产生交变电压信号，其幅度随阻抗变化而变化，于是交变电压信号上下产生了随阻抗变化的包络线，形成了调幅信号V（t）。通过信号处理电路解调，检测出流体流动噪声信号，即得到随电极间阻抗变化的模拟电压信号VW，通过模拟电压信号V（的形式将流体流动噪声信号体现出来。
　　三、传感器中敏感器的结构t2依据相关流量测量的基本原理的要求，即在沿流体流动管道相距一定距离的两个截面处，分别安装有结构相同的敏感器，即上游敏感器和下游敏感器，并结合电导式传感器流动噪声检测原理，设计出了相关流量测量用电导式敏感器，其结构如所示。它是由六个不锈钢环状电极镶嵌在绝缘的敏感器主体圆筒内壁上构成。最外端的1、6电极为电导式敏感器的激励源和地，中间的4、5电极和2、3电极分别构成上游检测电极对及下游检测电极对。上游检测电极对构成相关流量测量的上游敏感器，下游检测电极对构成相关流量测量的下游敏感器。在正弦波交变恒定电流源的作用下，上、下敏感器分别输出形如所示的调幅信号。
　　四、敏感器设计原则内径定为18.5mm，以保证在上限排量100m3/d时仪器不上顶，同时又能满足在较低流量下，流体具有足够高的流速；图中上、下游敏感器间的距离L应满足下式：在本测量系统中，上、下游检测电极对即上、下游敏感器间的距离定为15mm，略小于传感器的内径D，这主要考虑到采用伞式集流器存在漏失的实际情况。另外图中各测量电极应处于1、6电极所形成的均匀场内，所以2、5电极分别距离1、6电极一定距离，为15mm，保证了各测量电极基本处于均匀场内。
　　对于电导传感器的敏感器来说，在敏感器内径一定的情况下，敏感场体积取决于两个检测电极间的距离D.给该敏感器提供20kHz左右的交变恒定电流源，于是在两相流下敏感器输出流体流动噪声调制的信号，经信号处理电路处理就得到了流体流动噪声信号。假设敏感器处于全水相时，有一油滴自下而上流过敏感器，分析过程如所示。当时，即S较长时，产生的流体流动噪声电压峰值平缓，维持时间长，频带较窄；当5=时，即S较短时，产生的流体流动噪声电压峰值较陡，维持时间短，频带较宽。图中实线代表=时的结果，虚线代表5=时的结果。上述分析是在假设流量不变的情况下进行的。所以说S越短，敏感器对流体流动噪声越敏感，也越敏感碎小、杂散油滴或油泡形成的流体流动噪声。
　　然而碎小、杂散油滴或油泡在运移过程中稳定性较差，因此在上、下游敏感器间也就难以保持相似性，从而成为有用流体流动噪声信号的干扰。通过选择合适的敏感场体积既可提篼敏感器的灵敏度又可抑制干扰。本论文所设计的电导传感器中，上游敏感器电极间距离和下游敏感器电极间距离经过折中选择和大量。激励源电路由正弦波振荡电路和交流恒定电流源构成。上、下游两路信号处理电路完全相同，每路处理电路依次为：放大，检波，带通滤波，电流放大。考虑到由于敏感器和信号处理电路间有隔直电容的存在，为减小容抗，通过电容的信号频率越高越好。同时激励源信号频率和流体流动噪声频率差别越大，越便于后级电路能够更好滤掉激励源信号，得到流体流动噪声信号。从这两方面来说要求振荡频率越篼越好。但是过篼的频率会导致各电极传输导线间，及各电极与仪器外壳间等效电容的容抗减小，使得敏感器传输出信号分流，幅度降低。所以折中考虑并通过的调幅信号，上、下游敏感器输出的调幅信号幅度较低，需经放大电路放大；检波电路和带通滤波电路构成解调器将激励源信号即载波信号去掉，得到实际的上、下游随机流体流动噪声信号，带通滤波电路既能滤掉篼频成分即激励源信号及其它高频干扰信号，又能滤掉背景基值。流体动噪声信号幅度一般都很小，还要经测井电缆传输，故需要对信号进行进一步放大。带通滤波电路为二阶，下限频率为1Hz、上限频率为2kHz.六、多相流模拟井上实验及分析实验在大庆测试技术服务分公司多相流模拟井上进行，以柴油和水为实验介质，采用D6500波形分析仪作为地面相关器，进行两路流体流动噪声信号的采集、互相关运算工作。互相关函数表达式如下：互相关函数的峰值代表着两路流动噪声信号的最大相似，它所对应的时间ib是流体流动噪声信号由上游传感器到下游传感器所经历的时间，称为渡越时间。
　　弈研究动态bookmark6上、下游流体流动噪声信号实测结果图及相关函数测量结果响W 2m3/d含水50%的相关图形r=50ms毋时间（ms）ml不同流量下上、下游流体流动噪声信号相关函数测量结果0m3/d以上每隔10m3/d为一个流量点上调到100m3/d；各个流量下含水率的调节，从90%开始每隔10%递减下调直到传感器内流体中的水为非连续相。
　　记录下给定流量、含水率的两路流体流动噪声信号互相关结果，即渡越时间tb，通过下式求得相关流速距离。
　　于是可得到不同流量下相关流速和标准流量之间的关系从而确定流量测量模型。为D6500波形分析仪所记录的一组电导式传感器检测出的上、下游流体流动澡声信号（图左）及两路信号的互相相关函数（图右），该相关函数曲线的峰值位置为所求渡越时间m.峰值幅度大小即相似度为归一化结果⑴介于1之间。0中（a）（h）为实验中所得到的不同流量下典型的上、下游流体流动噪声信号；c（t）、；y（t）经D6500互相关运算后得到的互相关函数图。从图上可以看出所求得的渡越时间随流量的增大而减小，说明渡越时间和流量间存在对应关系，经公的存在，模拟井筒内的水无法被替走，从而充满了水，因此即使含水率较低的情况下持水率也会较高。通常情况下离散相的油居中运移，因此在同一流量下采用伞式集流器集流时，低含水率下的漏失量会小于高含水率下的漏失量，从而低含水率下流过电导敏感器的流量高于高含水率下的流量。所以当流量在5m3/d以下时所测得的相关流速随含水率的升高而变低。因此可通过改变集流效果的办法加以解决。
　　七、结论相关流量测量的技术关键之一，电导式传感器利用流体阻抗的随机变化检测流体流动噪声；几何参数、合理的电路参数设计，可以改善传感器流体流动噪声的提取效果，保证上、下流体流动噪声信号具有好的相似性，保证流量的测量效果速和流量有线性关系，且与含水率关系不大，最大偏差为6.6%.流量G<5m3/d时，与流量的关系随含水率变化，可通过改变集流效果的办法加以解决。
　　通过对流动噪声检测电导式传感器的设计的系统介绍和对实验结果的分析，表明电导式传感器采用相关流量技术可以用于油/水两相流流量的测量。