原油含水率檢測線圈傳感器的優(yōu)化

常 麗， 屈 遠(yuǎn)， 葛 震

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870）

原油含水率檢測線圈傳感器的優(yōu)化

常 麗， 屈 遠(yuǎn)， 葛 震

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870）

為了提高電磁電導(dǎo)法管外測量原油含水率線圈傳感器的靈敏度，對影響靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)——線圈傳感器的距離進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在保持最優(yōu)頻率和電流強度不變的情況下，首先，使用ANSYS進(jìn)行電磁仿真，通過比較發(fā)射線圈和屏蔽線圈在管道內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強度大小確定了兩線圈之間的最優(yōu)距離為0.6 m；然后，利用MATLAB從0.1m到1m對接收線圈上的電壓進(jìn)行了數(shù)據(jù)計算，結(jié)果表明0.6m處的電壓值最大，最優(yōu)距離使原油含水率的有用信號從0.1 m或1 m的0.03μV提高到了0.6 m的1.27μV，使傳感器的靈敏度提高了41倍；最后，實際測試了兩線圈距離從0.1 m至1m接收線圈上多點電壓值，實驗結(jié)果表明0.6 m處的電壓值最大，進(jìn)一步證明了0.6m為兩個線圈間的最優(yōu)距離。

計量學(xué)；原油含水率；電導(dǎo)率；管外測量；線圈傳感器；距離參數(shù)優(yōu)化

1 引 言

對于管道原油含水率的測量，由于金屬管道的封閉性，尤其是金屬管道強烈的電磁屏蔽效應(yīng)，使現(xiàn)有的大多數(shù)測量方法的應(yīng)用受到了很大的限制。目前主要有兩種方法解決此問題，一種是采用專用的分流管道，在管道內(nèi)部放置傳感器［1］，此方法測量精度高，可以直接采用理論成熟的含水率檢測方法，然而，應(yīng)用的地點受到限制，且其隨機誤差較大，不能大面積的代表整體的含水率，由于原油中含有許多粘性物質(zhì)，這些粘性物質(zhì)較易附著在傳感器的表面，造成很大的誤差，并且在管道內(nèi)部放置傳感器的方法只能在管道中的某些固定點進(jìn)行測量。另一種方法是采用透射性強的γ射線進(jìn)行測量［2～4］，該方法可解決上述地點受限的問題，但其安全性和成本又成為了最主要的問題。

1989年，Kaufman發(fā)表基于傳輸線方程的套管井地層電阻率的測量技術(shù)［5，6］，突破了金屬套管對地層電阻率測量的傳統(tǒng)束縛，奠定了過金屬套管測井的理論基礎(chǔ)。近年來，針對過金屬套管測井技術(shù)的研究受到廣泛地關(guān)注，理論日臻完善，并且過套管測井技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場檢測中，取得了較好的結(jié)果。本文借鑒過套管測井技術(shù)中的研究方法［7］，建立管道原油含水率的三線圈系測量模型，并對其進(jìn)行理論分析和實驗驗證，得出了檢測線圈之間的最優(yōu)距離。

2 測量原理

原油中所包含的水分在礦化后，將呈現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性［8，9］，油水混合物的導(dǎo)電性跟其含水的多少成正比關(guān)系，測量其電導(dǎo)率即可間接地測得原油含水率。對發(fā)射線圈通以恒定的低頻交變電流，會在含水原油中的導(dǎo)電介質(zhì)單元環(huán)中形成電渦流，這些電渦流在接收線圈上產(chǎn)生二次感應(yīng)電動勢［10～12］，其幅值和相位均將受電渦流的大小影響，而電渦流的大小又與導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率有關(guān)［13］。導(dǎo)電介質(zhì)包括金屬管道和油水混合物兩部分，高頻時電磁場無法穿透管道，電渦流僅在管壁外部產(chǎn)生；但在低頻時，低頻電磁場能部分地穿透管道，在油水混合物中形成電渦流，這就為使用電磁電導(dǎo)法測量原油含水率提供了理論依據(jù)。

在兩線圈系中，即由一個發(fā)射線圈和一個接收線圈組成的線圈系，在接收線圈中的感應(yīng)電動勢為

式中：f為發(fā)射信號的頻率；IT為發(fā)射信號的電流強度；NT為發(fā)射線圈的匝數(shù)；NR為接收線圈的匝數(shù)；ST為發(fā)射線圈的面積；SR為接收線圈的面積；ST＝SR＝πr2，r為線圈截面積的半徑；σ為含水原油的電導(dǎo)率；L為發(fā)射線圈與接收線圈的距離；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

當(dāng)原油中不含水時，即當(dāng)σ＝0時，發(fā)射線圈在接收線圈中產(chǎn)生的直接感應(yīng)電動勢為

此感應(yīng)電動勢是發(fā)射線圈在接收線圈上產(chǎn)生的直接感應(yīng)電動勢，這是接收線圈上最大的干擾信號。

在接收線圈上的有用信號為

但由于兩線圈系會產(chǎn)生較大的誤差，所以兩線圈系只適用于進(jìn)行理論分析［14］。本文基于三線圈系結(jié)構(gòu)進(jìn)行線圈傳感器的設(shè)計，對線圈距離進(jìn)行了優(yōu)化，提高了測量原油含水率的靈敏度。

三線圈系是在兩線圈系的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，由發(fā)射線圈T、屏蔽線圈P以及接收線圈R這3部分組成，其模型見圖1。在發(fā)射線圈T和接收線圈R之間加入屏蔽線圈P。其中發(fā)射線圈T的匝數(shù)為NT，屏蔽線圈P的匝數(shù)為NP，接收線圈R的匝數(shù)為NR。在兩線圈系中發(fā)射線圈在接收線圈上產(chǎn)生的直接感應(yīng)電動勢將會把含水原油在接收線圈上產(chǎn)生的二次感應(yīng)電動勢覆蓋，對于測量十分不利。因此，在兩線圈的基礎(chǔ)上加入了屏蔽線圈P，且繞制方向與發(fā)射線圈T相反，目的就是為了消除發(fā)射線圈在接收線圈上產(chǎn)生的直接感應(yīng)電動勢。

圖1 三線圈系模型結(jié)構(gòu)

當(dāng)使用三線圈陣列時，在感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

式中：LTR為發(fā)射線圈與接收線圈的距離；LPR為屏蔽線圈與接收線圈的距離；其余各參數(shù)和兩線圈的參數(shù)設(shè)置一致。

同兩線圈系一樣，接收線圈上的有用信號為

通過加入屏蔽線圈，可以使得接收線圈上的無用信號，即直接感應(yīng)電動勢大幅度地降低，相對地提高了有用信號所占的比例，對后續(xù)的測量十分有利。由于發(fā)射線圈、屏蔽線圈以及接收線圈均是繞制在同一管道上面，因此，可設(shè)LTR＝L，LPR＝αL，其中α為比例系數(shù)。則式（7）變?yōu)?/p>

由式（11）可以看出，要想完全消除發(fā)射線圈產(chǎn)生的直接感應(yīng)電動勢，發(fā)射線圈和屏蔽線圈之間必須滿足式（11）之間的關(guān)系。式中的“－”表示發(fā)射線圈和屏蔽線圈繞制方向相反。

3 ANSYS仿真

在此利用ANSYS電磁仿真和MATLAB數(shù)據(jù)計算分析傳感器的特性。在進(jìn)行數(shù)據(jù)計算分析前，首先利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真分析。在仿真過程中，選取的最優(yōu)頻率為39 Hz，對于發(fā)射線圈和屏蔽線圈之間不同的距離進(jìn)行ANSYS仿真，最終確定了線圈之間的最優(yōu)距離。在仿真過程中石油、管道、空氣以及線圈各個材料的屬性均為中心對稱的，同時為了提高仿真的效率，只需選取其1／4的界面進(jìn)行仿真，然后再進(jìn)行三維擴(kuò)展即可。所以在本次仿真中首先進(jìn)行二維仿真，最后進(jìn)行三維擴(kuò)展。在進(jìn)行ANSYS仿真之前，首先對各個材料的屬性進(jìn)行定義，各種材料的屬性定義見表1。

表1 材料列表

此外，應(yīng)該注意：在定義線圈時應(yīng)該用實常數(shù)來表示線圈的橫截面積、線圈的匝數(shù)、線圈的體積以及線圈電流的方向矢量，同時在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，在滿足精度的前提下，對于各個單元的網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)劃分網(wǎng)格的方式，這樣既可以提高仿真速度，也可以提高仿真效率和滿足分析問題的要求［15，16］。在仿真過程中產(chǎn)生的電磁場為穩(wěn)定的電磁場，且空氣單元作為遠(yuǎn)場單元，因此空氣單元將作為仿真的邊界。

在ANSYS仿真環(huán)境下，改變距離值，從0.1 m開始，每隔0.1 m的距離進(jìn)行仿真，直到發(fā)射線圈和屏蔽線圈之間的距離為1.0 m時截止。如果兩者的距離繼續(xù)變大，產(chǎn)生的二次感應(yīng)電動勢會因為距離過大而變得十分微弱，所以在此次的仿真過程中，以1.0 m作為截止距離，在此距離內(nèi)可以有效地觀察到磁感線分布情況以及磁場強度分布情況。通過ANSYS仿真可以得出，在發(fā)射線圈和屏蔽線圈之間的最佳距離為0.6 m時，其仿真結(jié)果最好。

圖2 0.1m，1.0m，0.6m的磁感線分布

在圖2的（a）、（b）和（c）三圖中，其中曲線部分為磁感線分布情況，直線部分表示由于金屬管道的屏蔽作用被金屬管道所屏蔽的磁感線分布情況。其中進(jìn)入管道中的曲線部分為有用信號，而直線部分則為強烈的干擾信號。由圖2的（a）、（b）和（c）三圖可以看出，當(dāng)線圈之間的距離為0.1 m時，發(fā)射線圈和屏蔽線圈所產(chǎn)生的磁場相互抵消，使得有用信號幾乎被完全的湮滅。當(dāng)距離為1.0 m時，又會因為距離太大而只有少量的磁感線進(jìn)入管道內(nèi)部，由（c）圖可以看出當(dāng)兩線圈的距離為0.6 m時其磁感線分布明顯優(yōu)于0.1 m和1.0 m。

圖3 0.1 m，1.0 m，0.6 m的磁場強度分布

在圖3的（a）（b）（c）三圖中，其中的L0.1，L1.0，L0.6為管道內(nèi)部的磁場強度分布情況，L0.1，L1.0所代表的區(qū)域的磁場強度范圍在0.855 677 A／m至5.847 A／m之間，L0.6所代表的區(qū)域磁場強度范圍在7.558 A／m至14.261 A／m之間。R0.1，R1.0，R0.6則為遠(yuǎn)端邊界的磁場強度，由（a）、（b）和（c）三圖可以看出線圈距離為0.6 m時管道內(nèi)部的磁場強度最強，明顯優(yōu)于線圈距離為0.1 m和1.0 m時的磁場強度。

為了完整地觀察磁感線分布和磁場強度分布，對3個距離的磁感線分布和磁場強度分布進(jìn)行了三維視圖的擴(kuò)展，其三維擴(kuò)展結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 0.1 m，1.0 m，0.6 m的磁感線分布三維視圖

圖5 0.1 m，1.0m，0.6m的磁場強度分布三維視圖

圖4（a）、（b）、（c）三圖表明了3個距離的磁感線的三維分布情況，當(dāng)線圈距離為0.1 m時，由于線圈距離過近，兩個線圈產(chǎn)生的磁場相互抵消嚴(yán)重，磁感線基本上就分布在管道的外部亦或是被金屬管道所屏蔽，而當(dāng)線圈的距離為1.0 m時，只有少量的磁感線進(jìn)入管道內(nèi)部，當(dāng)線圈的距離為0.6 m時，就有大量的磁感線進(jìn)入管道的內(nèi)部，由圖4（c）可以十分明顯地看出進(jìn)入管道內(nèi)部的磁感線明顯優(yōu)于0.1 m和1.0 m時的情況。圖5是對圖3的三維擴(kuò)展圖，通過圖5（a）、（b）、（c）可以清晰地觀察到管道內(nèi)部的磁場強度的大小，此時也可以看出線圈距離為0.6 m時，管道內(nèi)部的磁場強度最大。

4 MATLAB數(shù)據(jù)計算

通過ANSYS仿真后，又對線圈之間的不同距離進(jìn)行了數(shù)據(jù)計算，計算結(jié)果見表2。

表2 不同距離的有用信號的電壓值

由表2可以看出，距離比較近和比較遠(yuǎn)時有用信號的電壓值小于0.6 m處的電壓值。這是因為當(dāng)距離小于0.6 m時，由于線圈的距離過近，屏蔽線圈并不能將發(fā)射線圈產(chǎn)生的直接感應(yīng)電壓完全地抵消掉，造成了在接收線圈上還是產(chǎn)生了一定數(shù)量的直接感應(yīng)電壓，這種直接感應(yīng)電壓基本上為干擾信號，由于有用信號即二次感應(yīng)電壓本身十分微弱，且?guī)缀跬耆螠缭诟蓴_信號里，同時由于兩個線圈的距離過近，由電磁場在導(dǎo)電介質(zhì)的傳播效應(yīng)可以得出，在線圈的距離較近時，由于電磁場的傳播效應(yīng)很小，電磁場的相位延遲和幅值衰減均比較小，基本上可以忽略不計，所以屏蔽線圈也會將進(jìn)入管道內(nèi)部的電磁場抵消掉，進(jìn)而使得有用信號即二次感應(yīng)電壓變得更加微弱。而當(dāng)發(fā)射線圈和屏蔽線圈的距離大于0.6 m時，由于發(fā)射線圈和屏蔽線圈距離的變大，使得屏蔽線圈在將發(fā)射線圈在接收線圈上產(chǎn)生的直接感應(yīng)電壓完全抵消的同時，屏蔽線圈在接收線圈上也產(chǎn)生了一定的直接感應(yīng)電壓，這時的直接感應(yīng)電壓也為干擾信號，同時由于線圈距離過大的原因，由電磁場在導(dǎo)電介質(zhì)的傳播效應(yīng)可以得到，發(fā)射線圈在接收線圈上產(chǎn)生的有用信號即二次感應(yīng)電壓的幅度會隨著距離的增大按指數(shù)規(guī)律衰減，使得接收線圈上產(chǎn)生的二次感應(yīng)電壓變的更加微弱。綜上所述，在發(fā)射線圈和屏蔽線圈之間的距離為0.6 m時，接收線圈上產(chǎn)生的有用信號即二次感應(yīng)電壓效果最好。

在確定了最優(yōu)距離為0.6 m后，在最優(yōu)距離下使用MATLAB對不同電導(dǎo)率（對應(yīng)含水率）進(jìn)行了數(shù)據(jù)計算分析，在電導(dǎo)率變化的情況下，其有用信號的變化情況見圖6。由圖6可以得出，在使用優(yōu)化線圈傳感器后，隨著電導(dǎo)率的增加，其有用信號也逐漸增大，這是因為發(fā)射線圈中產(chǎn)生的磁場在含水原油中產(chǎn)生了電渦流，隨著原油中水分的增多，即隨著電導(dǎo)率的增加，在含水原油中電渦流所產(chǎn)生的電流也會變大，在接收線圈上產(chǎn)生的二次感應(yīng)電壓也隨之增大，并且由于屏蔽線圈的加入，使得發(fā)射線圈在接收線圈上產(chǎn)生的直接感應(yīng)電壓基本上被屏蔽線圈產(chǎn)生的磁場屏蔽掉，進(jìn)而提高了接收線圈上的信噪比。通過數(shù)據(jù)計算分析可以得出，最優(yōu)距離使原油含水率的有用信號從0.1 m或1 m的0.03μV提高到0.6 m的1.27 μV，使傳感器的靈敏度提高了41倍。

圖6 電導(dǎo)率變化時有用信號的變化量

5 實驗驗證

為了驗證理論分析和仿真結(jié)果，對發(fā)射線圈和屏蔽線圈距離不同時接收線圈上的感應(yīng)電壓進(jìn)行了實際測量。實驗采用AD9850DDS芯片輸出頻率為39 Hz的正弦波作為激勵源，并通過由TDA7294芯片組成的功放電路進(jìn)行了放大。

實際測量時，以0.1 m為間隔測試了兩線圈距離從0.1 m至1 m的接收線圈上各點感應(yīng)電壓值，分別測量了總的感應(yīng)電壓值和直接感應(yīng)電壓值，兩者之差為二次感應(yīng)電壓值即有用信號，結(jié)果見圖7。當(dāng)發(fā)射線圈和屏蔽線圈的距離為0.1 m時，接收線圈上產(chǎn)生了0.028 V的微小電壓。當(dāng)兩線圈的距離為0.6 m時，測得的二次感應(yīng)電壓為0.316 V，數(shù)值最大。而當(dāng)發(fā)射線圈與屏蔽線圈的距離為1.0 m時，感應(yīng)電壓為0.111 V。實驗結(jié)果表明了兩線圈的距離為0.6 m時有用信號最大，即驗證了發(fā)射線圈與屏蔽線圈之間的最優(yōu)距離為0.6 m。

圖7 實際檢測到的不同距離的有用信號的電壓值

6 結(jié) 論

通過ANSYS電磁仿真和MATLAB數(shù)據(jù)計算分析以及最終的實驗，驗證了發(fā)射線圈與屏蔽線圈之間的最優(yōu)距離為0.6 m。在0.1 m至1.0 m距離范圍內(nèi)，在最優(yōu)距離0.6 m處，磁感線進(jìn)入管道內(nèi)部最多，磁場強度最大，屏蔽線圈抵消發(fā)射線圈產(chǎn)生的直接感應(yīng)電壓效果最好，從而使直接感應(yīng)電壓最小，二次感應(yīng)電壓最大，獲得傳感器的靈敏度最高。因此，當(dāng)發(fā)射線圈和屏蔽線圈之間的距離為0.6 m時，獲得的檢測效果最好。仿真和實驗研究同時驗證了三線圈傳感器結(jié)構(gòu)的可行性，屏蔽線圈起到了減少干擾信號，增加有用信號和提高傳感器靈敏度的作用。

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Optim ization of Detection Coil Senor for the Crude OilWater Content

CHANG Li， QU Yuan， GE Zhen
（School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China）

In order to improve the coils sensor sensitivity of the electromagnetic conductivity method to measure the crude oilwater content ratio，the distance of the coils sensorwhich is the key parameter to effect sensitivity is optimized.In the case of the invariants of the optimal frequency and current strength，electromagnetic simulation is done by using ANSYS firstly.The optimal distance 0.6 m between the two coils is determined with comparing themagnetic field intensity value inside the pipeline of transmitter coil and shield coil.Then the receiving coil voltages are calculated from 0.1 m to 1m by using MATLAB，and then the result shows that largest voltage is at 0.6 m，the optimal distance can improve the useful signal of the crude oilwater content from 0.03μV of 0.1m or 1m to 1.27μV of 0.6m.The sensitivity of the sensor is improved by 41 times.Finally themulti-point voltage valuesof receiving coilaremeasured actually from 0.1 m to 1 m.The experiment result shows the largest voltage is at 0.6 m，and this proves that the 0.6 m is the most optimal distance of the two coils，which lays the foundation for the accuratemeasurement of the crude oilwater content ratio.

Metrology；Water content ratio of crude oil；Conductivity；Measurement outside pipeline；Coil sensor； Optim ization of the distance parameter

TB971

A

1000-1158（2014）05-0488-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．17

2012-07-09；

2014-04-30

常麗（1971－），女，山東齊河人，沈陽工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向為精密測量與控制，智能儀器與網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)。changlianli＠163.com