原油含水率检测线圈传感器的优化

常 丽， 屈 远， 葛 震

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870）

原油含水率检测线圈传感器的优化

常 丽， 屈 远， 葛 震

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870）

为了提高电磁电导法管外测量原油含水率线圈传感器的灵敏度，对影响灵敏度的关键参数——线圈传感器的距离进行了优化设计。在保持最优频率和电流强度不变的情况下，首先，使用ANSYS进行电磁仿真，通过比较发射线圈和屏蔽线圈在管道内部产生的磁场强度大小确定了两线圈之间的最优距离为0.6 m；然后，利用MATLAB从0.1m到1m对接收线圈上的电压进行了数据计算，结果表明0.6m处的电压值最大，最优距离使原油含水率的有用信号从0.1 m或1 m的0.03μV提高到了0.6 m的1.27μV，使传感器的灵敏度提高了41倍；最后，实际测试了两线圈距离从0.1 m至1m接收线圈上多点电压值，实验结果表明0.6 m处的电压值最大，进一步证明了0.6m为两个线圈间的最优距离。

计量学；原油含水率；电导率；管外测量；线圈传感器；距离参数优化

1 引 言

对于管道原油含水率的测量，由于金属管道的封闭性，尤其是金属管道强烈的电磁屏蔽效应，使现有的大多数测量方法的应用受到了很大的限制。目前主要有两种方法解决此问题，一种是采用专用的分流管道，在管道内部放置传感器［1］，此方法测量精度高，可以直接采用理论成熟的含水率检测方法，然而，应用的地点受到限制，且其随机误差较大，不能大面积的代表整体的含水率，由于原油中含有许多粘性物质，这些粘性物质较易附着在传感器的表面，造成很大的误差，并且在管道内部放置传感器的方法只能在管道中的某些固定点进行测量。另一种方法是采用透射性强的γ射线进行测量［2～4］，该方法可解决上述地点受限的问题，但其安全性和成本又成为了最主要的问题。

1989年，Kaufman发表基于传输线方程的套管井地层电阻率的测量技术［5，6］，突破了金属套管对地层电阻率测量的传统束缚，奠定了过金属套管测井的理论基础。近年来，针对过金属套管测井技术的研究受到广泛地关注，理论日臻完善，并且过套管测井技术已经应用于现场检测中，取得了较好的结果。本文借鉴过套管测井技术中的研究方法［7］，建立管道原油含水率的三线圈系测量模型，并对其进行理论分析和实验验证，得出了检测线圈之间的最优距离。

2 测量原理

原油中所包含的水分在矿化后，将呈现出一定的导电性［8，9］，油水混合物的导电性跟其含水的多少成正比关系，测量其电导率即可间接地测得原油含水率。对发射线圈通以恒定的低频交变电流，会在含水原油中的导电介质单元环中形成电涡流，这些电涡流在接收线圈上产生二次感应电动势［10～12］，其幅值和相位均将受电涡流的大小影响，而电涡流的大小又与导电介质的电导率有关［13］。导电介质包括金属管道和油水混合物两部分，高频时电磁场无法穿透管道，电涡流仅在管壁外部产生；但在低频时，低频电磁场能部分地穿透管道，在油水混合物中形成电涡流，这就为使用电磁电导法测量原油含水率提供了理论依据。

在两线圈系中，即由一个发射线圈和一个接收线圈组成的线圈系，在接收线圈中的感应电动势为

式中：f为发射信号的频率；IT为发射信号的电流强度；NT为发射线圈的匝数；NR为接收线圈的匝数；ST为发射线圈的面积；SR为接收线圈的面积；ST＝SR＝πr2，r为线圈截面积的半径；σ为含水原油的电导率；L为发射线圈与接收线圈的距离；μ为介质的磁导率。

当原油中不含水时，即当σ＝0时，发射线圈在接收线圈中产生的直接感应电动势为

此感应电动势是发射线圈在接收线圈上产生的直接感应电动势，这是接收线圈上最大的干扰信号。

在接收线圈上的有用信号为

但由于两线圈系会产生较大的误差，所以两线圈系只适用于进行理论分析［14］。本文基于三线圈系结构进行线圈传感器的设计，对线圈距离进行了优化，提高了测量原油含水率的灵敏度。

三线圈系是在两线圈系的基础上改进的，由发射线圈T、屏蔽线圈P以及接收线圈R这3部分组成，其模型见图1。在发射线圈T和接收线圈R之间加入屏蔽线圈P。其中发射线圈T的匝数为NT，屏蔽线圈P的匝数为NP，接收线圈R的匝数为NR。在两线圈系中发射线圈在接收线圈上产生的直接感应电动势将会把含水原油在接收线圈上产生的二次感应电动势覆盖，对于测量十分不利。因此，在两线圈的基础上加入了屏蔽线圈P，且绕制方向与发射线圈T相反，目的就是为了消除发射线圈在接收线圈上产生的直接感应电动势。

图1 三线圈系模型结构

当使用三线圈阵列时，在感应线圈产生的感应电动势为

式中：LTR为发射线圈与接收线圈的距离；LPR为屏蔽线圈与接收线圈的距离；其余各参数和两线圈的参数设置一致。

同两线圈系一样，接收线圈上的有用信号为

通过加入屏蔽线圈，可以使得接收线圈上的无用信号，即直接感应电动势大幅度地降低，相对地提高了有用信号所占的比例，对后续的测量十分有利。由于发射线圈、屏蔽线圈以及接收线圈均是绕制在同一管道上面，因此，可设LTR＝L，LPR＝αL，其中α为比例系数。则式（7）变为

由式（11）可以看出，要想完全消除发射线圈产生的直接感应电动势，发射线圈和屏蔽线圈之间必须满足式（11）之间的关系。式中的“－”表示发射线圈和屏蔽线圈绕制方向相反。

3 ANSYS仿真

在此利用ANSYS电磁仿真和MATLAB数据计算分析传感器的特性。在进行数据计算分析前，首先利用ANSYS有限元软件进行仿真分析。在仿真过程中，选取的最优频率为39 Hz，对于发射线圈和屏蔽线圈之间不同的距离进行ANSYS仿真，最终确定了线圈之间的最优距离。在仿真过程中石油、管道、空气以及线圈各个材料的属性均为中心对称的，同时为了提高仿真的效率，只需选取其1／4的界面进行仿真，然后再进行三维扩展即可。所以在本次仿真中首先进行二维仿真，最后进行三维扩展。在进行ANSYS仿真之前，首先对各个材料的属性进行定义，各种材料的属性定义见表1。

表1 材料列表

此外，应该注意：在定义线圈时应该用实常数来表示线圈的横截面积、线圈的匝数、线圈的体积以及线圈电流的方向矢量，同时在进行网格划分时，在满足精度的前提下，对于各个单元的网格划分采用自适应划分网格的方式，这样既可以提高仿真速度，也可以提高仿真效率和满足分析问题的要求［15，16］。在仿真过程中产生的电磁场为稳定的电磁场，且空气单元作为远场单元，因此空气单元将作为仿真的边界。

在ANSYS仿真环境下，改变距离值，从0.1 m开始，每隔0.1 m的距离进行仿真，直到发射线圈和屏蔽线圈之间的距离为1.0 m时截止。如果两者的距离继续变大，产生的二次感应电动势会因为距离过大而变得十分微弱，所以在此次的仿真过程中，以1.0 m作为截止距离，在此距离内可以有效地观察到磁感线分布情况以及磁场强度分布情况。通过ANSYS仿真可以得出，在发射线圈和屏蔽线圈之间的最佳距离为0.6 m时，其仿真结果最好。

图2 0.1m，1.0m，0.6m的磁感线分布

在图2的（a）、（b）和（c）三图中，其中曲线部分为磁感线分布情况，直线部分表示由于金属管道的屏蔽作用被金属管道所屏蔽的磁感线分布情况。其中进入管道中的曲线部分为有用信号，而直线部分则为强烈的干扰信号。由图2的（a）、（b）和（c）三图可以看出，当线圈之间的距离为0.1 m时，发射线圈和屏蔽线圈所产生的磁场相互抵消，使得有用信号几乎被完全的湮灭。当距离为1.0 m时，又会因为距离太大而只有少量的磁感线进入管道内部，由（c）图可以看出当两线圈的距离为0.6 m时其磁感线分布明显优于0.1 m和1.0 m。

图3 0.1 m，1.0 m，0.6 m的磁场强度分布

在图3的（a）（b）（c）三图中，其中的L0.1，L1.0，L0.6为管道内部的磁场强度分布情况，L0.1，L1.0所代表的区域的磁场强度范围在0.855 677 A／m至5.847 A／m之间，L0.6所代表的区域磁场强度范围在7.558 A／m至14.261 A／m之间。R0.1，R1.0，R0.6则为远端边界的磁场强度，由（a）、（b）和（c）三图可以看出线圈距离为0.6 m时管道内部的磁场强度最强，明显优于线圈距离为0.1 m和1.0 m时的磁场强度。

为了完整地观察磁感线分布和磁场强度分布，对3个距离的磁感线分布和磁场强度分布进行了三维视图的扩展，其三维扩展结果见图4和图5。

图4 0.1 m，1.0 m，0.6 m的磁感线分布三维视图

图5 0.1 m，1.0m，0.6m的磁场强度分布三维视图

图4（a）、（b）、（c）三图表明了3个距离的磁感线的三维分布情况，当线圈距离为0.1 m时，由于线圈距离过近，两个线圈产生的磁场相互抵消严重，磁感线基本上就分布在管道的外部亦或是被金属管道所屏蔽，而当线圈的距离为1.0 m时，只有少量的磁感线进入管道内部，当线圈的距离为0.6 m时，就有大量的磁感线进入管道的内部，由图4（c）可以十分明显地看出进入管道内部的磁感线明显优于0.1 m和1.0 m时的情况。图5是对图3的三维扩展图，通过图5（a）、（b）、（c）可以清晰地观察到管道内部的磁场强度的大小，此时也可以看出线圈距离为0.6 m时，管道内部的磁场强度最大。

4 MATLAB数据计算

通过ANSYS仿真后，又对线圈之间的不同距离进行了数据计算，计算结果见表2。

表2 不同距离的有用信号的电压值

由表2可以看出，距离比较近和比较远时有用信号的电压值小于0.6 m处的电压值。这是因为当距离小于0.6 m时，由于线圈的距离过近，屏蔽线圈并不能将发射线圈产生的直接感应电压完全地抵消掉，造成了在接收线圈上还是产生了一定数量的直接感应电压，这种直接感应电压基本上为干扰信号，由于有用信号即二次感应电压本身十分微弱，且几乎完全湮灭在干扰信号里，同时由于两个线圈的距离过近，由电磁场在导电介质的传播效应可以得出，在线圈的距离较近时，由于电磁场的传播效应很小，电磁场的相位延迟和幅值衰减均比较小，基本上可以忽略不计，所以屏蔽线圈也会将进入管道内部的电磁场抵消掉，进而使得有用信号即二次感应电压变得更加微弱。而当发射线圈和屏蔽线圈的距离大于0.6 m时，由于发射线圈和屏蔽线圈距离的变大，使得屏蔽线圈在将发射线圈在接收线圈上产生的直接感应电压完全抵消的同时，屏蔽线圈在接收线圈上也产生了一定的直接感应电压，这时的直接感应电压也为干扰信号，同时由于线圈距离过大的原因，由电磁场在导电介质的传播效应可以得到，发射线圈在接收线圈上产生的有用信号即二次感应电压的幅度会随着距离的增大按指数规律衰减，使得接收线圈上产生的二次感应电压变的更加微弱。综上所述，在发射线圈和屏蔽线圈之间的距离为0.6 m时，接收线圈上产生的有用信号即二次感应电压效果最好。

在确定了最优距离为0.6 m后，在最优距离下使用MATLAB对不同电导率（对应含水率）进行了数据计算分析，在电导率变化的情况下，其有用信号的变化情况见图6。由图6可以得出，在使用优化线圈传感器后，随着电导率的增加，其有用信号也逐渐增大，这是因为发射线圈中产生的磁场在含水原油中产生了电涡流，随着原油中水分的增多，即随着电导率的增加，在含水原油中电涡流所产生的电流也会变大，在接收线圈上产生的二次感应电压也随之增大，并且由于屏蔽线圈的加入，使得发射线圈在接收线圈上产生的直接感应电压基本上被屏蔽线圈产生的磁场屏蔽掉，进而提高了接收线圈上的信噪比。通过数据计算分析可以得出，最优距离使原油含水率的有用信号从0.1 m或1 m的0.03μV提高到0.6 m的1.27 μV，使传感器的灵敏度提高了41倍。

图6 电导率变化时有用信号的变化量

5 实验验证

为了验证理论分析和仿真结果，对发射线圈和屏蔽线圈距离不同时接收线圈上的感应电压进行了实际测量。实验采用AD9850DDS芯片输出频率为39 Hz的正弦波作为激励源，并通过由TDA7294芯片组成的功放电路进行了放大。

实际测量时，以0.1 m为间隔测试了两线圈距离从0.1 m至1 m的接收线圈上各点感应电压值，分别测量了总的感应电压值和直接感应电压值，两者之差为二次感应电压值即有用信号，结果见图7。当发射线圈和屏蔽线圈的距离为0.1 m时，接收线圈上产生了0.028 V的微小电压。当两线圈的距离为0.6 m时，测得的二次感应电压为0.316 V，数值最大。而当发射线圈与屏蔽线圈的距离为1.0 m时，感应电压为0.111 V。实验结果表明了两线圈的距离为0.6 m时有用信号最大，即验证了发射线圈与屏蔽线圈之间的最优距离为0.6 m。

图7 实际检测到的不同距离的有用信号的电压值

6 结 论

通过ANSYS电磁仿真和MATLAB数据计算分析以及最终的实验，验证了发射线圈与屏蔽线圈之间的最优距离为0.6 m。在0.1 m至1.0 m距离范围内，在最优距离0.6 m处，磁感线进入管道内部最多，磁场强度最大，屏蔽线圈抵消发射线圈产生的直接感应电压效果最好，从而使直接感应电压最小，二次感应电压最大，获得传感器的灵敏度最高。因此，当发射线圈和屏蔽线圈之间的距离为0.6 m时，获得的检测效果最好。仿真和实验研究同时验证了三线圈传感器结构的可行性，屏蔽线圈起到了减少干扰信号，增加有用信号和提高传感器灵敏度的作用。

［1］ 张国军，申龙涉，齐瑞.原油含水率测量技术现状与发展［J］.当代化工，2012，41（1）：60－62.

［2］ 肖洪兵，王喜斌，张盛福.管道原油在线含水含气率测量仪的设计［J］.油气储运，2004，23（4）：55－57.

［3］ Nicholase W K.Multi-phase flow measurement at NET［J］.JournalofMeasurement＆Control，1998，21（10）：237－239.

［4］ 腾召胜，罗隆福，童调生.智能检测系统与数据融合［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［5］ 刘晓博，高杰，高见.不良胶结水泥环缝隙中高阻流体的过套管电阻率测井响［J］.地球物理学进展，2010，25（6）：2078－2083.

［6］ 耿敏，梁华庆，尹洪东.固井工艺对过套管电阻率测井影响的数值模拟［J］.计算机测量与控制，2012，12（2）：1467－1469.

［7］ 刘中奇，崔琳.高分辨率感应测井仪器线圈系设计［J］.测井技术，2007，31（6）：571－575.

［8］ 刘海，唐海涛，王广忠.一种新型高含水测量传感器的理论方法研究［J］.石油仪器，2001，15（3）：8－10.

［9］ 刘翠玲，李亮亮，王进旗.同轴相位法井下原油含水率温度特性的实验研究［J］.仪表技术与传感器，2012，（3）：82－84.

［10］ 刘春鑫，费跃农，汪洋.仿真研究在低频涡流探伤中的应用［J］.计算机仿真，2006，23（2）：297－301.

［11］ 任海燕，丁克勤.低频涡流检测激励频率选取的仿真研究［J］.无损探伤，2009，33（3）：18－20.

［12］ 王肄辉，郭林园，田野.油气井套管电磁探伤理论研究［J］.电子测试，2012，（6）：5－9.

［13］ 凌保明，诸葛向彬，凌云.电涡流传感器的温度稳定性研究［J］.仪器仪表学报，1994，15（4）：342－345.

［14］ Chang L，Xu Q H，Liu B W.Optimization design of electromagnetic conductance sensor for the water content of crude oil inside pipeline［J］.AppliedMechanicsand Materials，2011，55－57：628－632.

［15］ 徐瑶，潘孟春，田武刚，等.用于应力监测的新型平面柔性涡流传感器［J］.测试技术学报，2012，26（4）：354－361.

［16］ Filippidis A，Jain L C，Martin N.Multisensor data fusion for surface land-mine detection［J］.IEEE Transactionsonsystems，ManandCyberneticsPartC：ApplicationsandReviews，2000，30（1）：145－150.

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

常丽（1971－），女，山东齐河人，沈阳工业大学副教授，主要研究方向为精密测量与控制，智能仪器与网络化测控系统。changlianli＠163.com