電磁電導(dǎo)法測(cè)量原油含水率一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處理*

常 麗， 張 彪

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

電磁電導(dǎo)法測(cè)量原油含水率一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處理*

常 麗， 張 彪

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

利用電磁電導(dǎo)法在管外測(cè)量原油含水率時(shí)，針對(duì)一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的干擾問(wèn)題，根據(jù)電磁電導(dǎo)原理，提出了一種由兩個(gè)發(fā)射線圈和兩個(gè)接收線圈構(gòu)成的四線圈傳感器.通過(guò)增加輔助發(fā)射和接收線圈并優(yōu)化四個(gè)線圈的相對(duì)位置，抵消了一部分一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再通過(guò)信號(hào)處理分離殘留的同頻一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).根據(jù)ANSYS對(duì)管道內(nèi)磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析的結(jié)果，確定了四線圈的最優(yōu)位置，搭建傳感器對(duì)含水率在0～100%范圍內(nèi)的原油進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明，一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同頻干擾得到了有效抑制.

原油含水率； 電導(dǎo)率； 線圈傳感器； 同頻信號(hào)； 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； 電磁電導(dǎo)法； 磁場(chǎng)分布

輸油管道中原油含水率的測(cè)量方法分為兩大類(lèi)：一種是侵入式方法，將傳感器放入原油管道內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，此方法理論成熟并且測(cè)量精度高，但是應(yīng)用地點(diǎn)受到限制，且需要對(duì)已有管道進(jìn)行破壞.另外，原油中含有許多容易附著在傳感器表面的粘性物質(zhì)，會(huì)使傳感器穩(wěn)定性下降，從而對(duì)結(jié)果造成很大的影響.另一種方法是非侵入式方法，比較成熟的技術(shù)是采用透射性強(qiáng)的γ射線進(jìn)行測(cè)量[1-3]，但該方法使用的放射性物質(zhì)會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅而且價(jià)格昂貴.電磁電導(dǎo)管外測(cè)量法是利用低頻激勵(lì)穿透金屬管道屏蔽磁力線產(chǎn)生的電渦流感應(yīng)出的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)原油含水率，該方法安全性高且成本低，但如何去除一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的干擾是提高該方法精度和實(shí)用性急需解決的難題[4].

1 電磁電導(dǎo)管外測(cè)量原理

原油本身是絕緣體，但是原油中包含的礦化水分呈現(xiàn)導(dǎo)電性，原油本身對(duì)油水混合物導(dǎo)電性的影響相對(duì)于水分可以忽略不計(jì)，也即是油水混合物的導(dǎo)電性跟其含水量成正比，通過(guò)測(cè)量其電導(dǎo)率即可間接測(cè)得原油含水率.

電磁電導(dǎo)管外測(cè)量含水率的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示.對(duì)發(fā)射線圈通以恒定的低頻交變電流，會(huì)在含水原油中的導(dǎo)電介質(zhì)單元環(huán)中形成電渦流，而這些電渦流在接收線圈上產(chǎn)生二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[5-6]，其幅值和相位都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)[7].金屬管道和油水混合物都是導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)發(fā)射線圈通高頻時(shí)，由于管道屏蔽電磁場(chǎng)是無(wú)法穿透管道的，電磁波基本全部讓管道吸收；但是通低頻時(shí)，低頻電磁波能有少部分穿透管道進(jìn)入油水混合物里面，形成電渦流，這就是低頻電磁電導(dǎo)測(cè)量原油含水率的理論依據(jù).

圖1 雙線圈傳感器模型Fig.1 Model for double coil sensor

根據(jù)道爾提出的幾何因子理論[8]可知

2Eφ1=iωμJT

(1)

2Eφ2=iωμjs0

(2)

js0=σEφ1

(3)

式中：Eφ1為發(fā)射線圈的激勵(lì)電流產(chǎn)生的一次場(chǎng)；Eφ2為原油中渦流激勵(lì)的二次場(chǎng)；JT為發(fā)射電流密度；jS0為原油中的渦流密度；σ為原油電導(dǎo)率；ω為激勵(lì)角頻率；μ為磁導(dǎo)率.

以發(fā)射線圈的中點(diǎn)為原點(diǎn)，空間某點(diǎn)的一次電場(chǎng)強(qiáng)度為

(4)

式中：ST為發(fā)射線圈的面積；NT為發(fā)射線圈的匝數(shù)；IT為發(fā)射信號(hào)的電流強(qiáng)度；R1為發(fā)射線圈軸心到空間點(diǎn)的距離；r為空間點(diǎn)到發(fā)射線圈軸線的距離.

一次場(chǎng)在該點(diǎn)處產(chǎn)生的渦流電流密度為

(5)

一次場(chǎng)在接收線圈處產(chǎn)生的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(6)

接收線圈在發(fā)射線圈激勵(lì)渦流作用下，接收到的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為

U2= NR∮Eφ1dl=

(7)

原油中水分含量越高，電導(dǎo)率越大，接收線圈處的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越大，即接收線圈接收的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與原油含水率對(duì)應(yīng).二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是有用信號(hào)，但接收線圈同時(shí)也接收一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此，一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是與二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同頻的干擾信號(hào).

2 四線圈傳感器模型

由于接收線圈接收的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是直接在管外感應(yīng)產(chǎn)生的，而二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由進(jìn)入管道內(nèi)部的電磁場(chǎng)作用于原油形成電渦流，再由電渦流激勵(lì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)在接收線圈處產(chǎn)生的，原油中電渦流形成的電磁場(chǎng)大部分被金屬管道吸收，少部分通過(guò)管道的磁場(chǎng)在接收線圈處形成二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所以一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).如果不對(duì)一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行削弱，采集接收線圈的復(fù)合信號(hào)中，二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)被淹沒(méi)在一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中.實(shí)際測(cè)量中消除一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，提高二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的信噪比至關(guān)重要，本文設(shè)計(jì)了能夠削弱一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的四線圈傳感器，其模型如圖2所示.

圖2中在雙線圈模型的基礎(chǔ)上加入了一個(gè)和接收線圈繞向相反的輔助接收線圈，在接收線圈另一側(cè)加入一個(gè)與發(fā)射線圈繞向相同的輔助發(fā)射線圈.加入繞向相同的輔助發(fā)射線圈是為了提高磁場(chǎng)強(qiáng)度；加入輔助接收線圈的作用在于消去在主接收線圈處接收的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

圖2 四線圈傳感器模型Fig.2 Model for four coil sensor

主接收線圈的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

U3=UTR+UT1R

(8)

(9)

(10)

輔助接收線圈的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

U4=UTR1+UT1R1

(11)

(12)

(13)

式中：UTR和UT1R為發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈在主接收線圈處產(chǎn)生的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；UTR1和UT1R1為發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈在輔助接收線圈處產(chǎn)生的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；NT1、NR1為輔助發(fā)射、接收線圈匝數(shù)；ST1、SR1為輔助發(fā)射、接收線圈面積；L1為輔助發(fā)射線圈與主接收線圈之間的距離；L2為發(fā)射線圈與輔助接收線圈之間的距離；L3為輔助發(fā)射線圈與輔助接收線圈之間的距離.

由于四個(gè)線圈都繞制在同一個(gè)管道上，截面積相同，故ST=SR=SR1=ST1，兩個(gè)發(fā)射線圈串聯(lián)在一起，電流相同，故IT=IT1.接收線圈總的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

U1=U3+U4

(14)

當(dāng)輔助接收線圈和主接收線圈上接收到的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同時(shí)，由于這兩個(gè)線圈繞向相反且串聯(lián)在一起，那么接收到的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剛好抵消，也即消除了最主要的同頻干擾信號(hào).

由于線圈的材質(zhì)一樣且都纏繞在同一個(gè)管道上，可以得到匝數(shù)和相對(duì)位置的關(guān)系，即

(15)

(16)

3 傳感器四線圈相對(duì)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)四線圈傳感器的發(fā)射線圈加載39 Hz激勵(lì)[4，9]，利用ANSYS有限元分析技術(shù)進(jìn)行電磁仿真[10]，得到磁力線分布如圖3所示.

圖3 四線圈模型磁力線分布Fig.3 Distribution of magnetic inductionline in four coil model

從圖3中可以很明顯看到四線圈模型中發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈進(jìn)入管道內(nèi)部的磁力線.為了確定四線圈模型中當(dāng)發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線繞向相同時(shí)，使得兩個(gè)發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁波進(jìn)入管道內(nèi)部最多的最佳間距，改變兩個(gè)發(fā)射線圈的距離值依次進(jìn)行仿真.由于在兩個(gè)發(fā)射線圈中間需要放置感應(yīng)線圈，所以發(fā)射線圈與輔助發(fā)射線圈之間的差距不能太小，仿真間距從0.25 m開(kāi)始，每隔0.1 m進(jìn)行一次仿真，直到發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈之間的距離為0.75 m時(shí)截止.如果兩者的距離繼續(xù)變大，那么兩個(gè)線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)就起不到相互吸引的作用.通過(guò)比較這個(gè)范圍內(nèi)的磁力線分布情況以及磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況來(lái)確定最優(yōu)距離，不同間距下磁力線的分布圖如圖4所示.

從圖4可以看出，當(dāng)兩個(gè)線圈相距為0.55 m時(shí)，進(jìn)入管道內(nèi)部的磁力線最多.在發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈之間的距離小于0.55 m時(shí)，雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度有所增加，但是由于磁力之間相互吸引作用進(jìn)入管道內(nèi)部的反而不多，主要被金屬管道屏蔽掉了.當(dāng)發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈之間的距離大于0.55 m時(shí)，兩個(gè)線圈之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用變小.

確定了發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈的相對(duì)位置，再確定主接收線圈和輔助發(fā)射線圈之間的位置.通過(guò)仿真圖4可以看出，在兩個(gè)發(fā)射線圈中間位置，磁力線最密集，磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，當(dāng)主接收線圈置于該位置時(shí)，接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大，所以選擇L為0.25 m.

圖4 不同間距下磁力線分布Fig.4 Distribution of magnetic induction line under different spacing

設(shè)NT為100匝，NR為100匝；NT1為50匝，NR1為20匝，L1為0.2 m，由式(15)計(jì)算可得L2=0.116 m.

在確定了傳感器各線圈的相對(duì)位置之后，可仿真得到在主接收線圈和輔助接收線圈上產(chǎn)生的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖5所示.

圖5 主接收線圈和輔助接收線圈的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.5 Primary induced EMF of mainand auxiliary receiving coils

從圖5中可以看出，輔助接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)略低于主接收線圈的，疊加之后一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能夠得到很好的抑制.

4 殘留同頻一次感應(yīng)信號(hào)的處理

由于接收線圈處的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由一次磁場(chǎng)直接激勵(lì)產(chǎn)生的，它的數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原油中渦流激勵(lì)的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).通過(guò)優(yōu)化之后的四線圈傳感器雖然在一定程度上消除了絕大部分的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但是實(shí)際應(yīng)用中，由于線圈繞制誤差和周?chē)h(huán)境的影響，還會(huì)有部分殘留的一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)需要通過(guò)后續(xù)工序進(jìn)一步去除.

接收線圈采集到的信號(hào)是一次和二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的復(fù)合信號(hào)，因?yàn)橐淮魏投胃袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差π/2，故復(fù)合信號(hào)表達(dá)式為

f(t)=U1cosωt+U2sinωt=

U12sin(ωt+φ)

(17)

φ=arctan(U1/U2)

(18)

式中：U12為采集到接收線圈上的一次、二次的復(fù)合信號(hào)的幅值；φ為復(fù)合感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的夾角.

當(dāng)管道內(nèi)的介質(zhì)為空氣時(shí)，因?yàn)榭諝獾碾妼?dǎo)率為零，所以接收線圈接收的感應(yīng)電壓即是一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U1.當(dāng)管道中有原油時(shí)，采集到電動(dòng)勢(shì)為U12，則二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(19)

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建四線圈傳感器，首先測(cè)得空管道時(shí)的一次感應(yīng)電壓值0.790 V，然后對(duì)0～100%含水率進(jìn)行實(shí)際測(cè)量得到U12，最后計(jì)算得到二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2，數(shù)據(jù)如表1所示.四線圈采集到的電壓與含水率的關(guān)系曲線如圖6所示.

表1 含水率不同對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.1 Measured results correspondingto different water contents

圖6 四線圈傳感器的電壓值與含水率的關(guān)系Fig.6 Relationship between voltage value andwater content of four coil sensor

對(duì)包含殘留的同頻一次感應(yīng)信號(hào)的復(fù)合信號(hào)進(jìn)一步處理，可分離得到一次和二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以含水率80%為例，通過(guò)計(jì)算U2=0.288 4 V，φ=70°可得復(fù)合信號(hào)、一次和二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)波形如圖7所示.二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與含水率的關(guān)系曲線如圖8所示.

圖7 復(fù)合電動(dòng)勢(shì)、一次和二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)Fig.7 Signals of composite EMF，primaryand secondary induced EMF

圖8 含水率與二次感應(yīng)電壓值的關(guān)系Fig.8 Relationship between water content andsecondary induced voltage value

由圖7可知，一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)大于二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果不去除一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)則很難準(zhǔn)確提取微弱的二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).經(jīng)過(guò)四線圈傳感器設(shè)計(jì)和信號(hào)處理抵消了一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，提高了傳感器抗干擾能力，進(jìn)一步增強(qiáng)了電磁電導(dǎo)管外測(cè)量含水率的可行性和實(shí)用性.

6 結(jié) 論

通過(guò)四線圈傳感器的設(shè)計(jì)和信號(hào)處理大大濾除了干擾二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的同頻一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，提高了傳感器的抗干擾能力，使得微弱二次感應(yīng)電壓的提取具有可行性.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了四線圈傳感器結(jié)構(gòu)的合理性及抵消同頻一次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效性.

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(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Processingofprimaryinductionelectromotiveforceinelectromagneticconductivitymethodofmeasuringwatercontentofcrudeoil

CHANG Li, ZHANG Biao

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the problem that the primary induced electromotive force (EMF) has interference effect on the secondary induced EMF when the electromagnetic conductivity method is used to measure the water content of crude oil, a four coil sensor composed of two sending coils and two receiving coils was proposed according to the electromagnetic conductivity principle. Through increasing the auxiliary sending and receiving coils and optimizing the relative position of four coils, a part of primary induced EMF could be counteracted, and the residual primary induced EMF with the same frequency was separated through signal processing. According to the results of magnetic field distribution in the pipeline which was simulated and analyzed with ANSYS, the optimal locations of four coils were determined. In addition, a sensor was built to actually test the crude oil with the water content ranged from 0 to 100%. The results show that the same frequency interference of primary induced EMF gets effectively suppressed.

crude oil moisture content; conductivity; coil sensor; same frequency signal; induced electromotive force(EMF); electromagnetic conductivity method; magnetic field distribution(MFD)

TM 343

： A

： 1000-1646(2017)05-0518-06

2016-05-23.

遼寧省教育廳科技平臺(tái)基金資助項(xiàng)目(LGD2016008).

常 麗(1971-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事精密測(cè)量與控制等方面的研究.

* 本文已于2017-03-28 17∶03在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1703.018.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.08