新型原油含水率在线监测测试方法

朱 浩，于 革，张治国

新型原油含水率在线监测测试方法

朱 浩，于 革，张治国

（黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319）

目前石油含水率测量应用的方法主要有射线法、短波吸收法、微波法、电容法、射频法和红外光谱法等，测油品微水含量采用卡尔·费休法。通过综合分析现有的测水技术，将微波法、电容、射频法相融合，加入脉冲补偿电路、积分放大电路等，采用电脉冲分析法在线测量石油水份，使测量的稳定性和准确性得到很大提升。传感器部分采用圆筒形结构，使测水仪在操作上更加简便，使用和测量范围更大，灵活性和可靠性也得到加强。

原油含水率；电荷转移脉冲法；电荷泵；积分放大电路

1　背景介绍

原油的含水率测量对于确定出水或出油的层位、掌握油田地层动态、估计产量和预测开发寿命及油田的产量质量控制、油井状态检测、减少能耗、降低成本和采油管理自动化等很多方面都具有十分重要意义，对决策部门掌握生产动态、确定产量分配、提高三次采油质量也同样起着至关重要的作用。

电脉冲分析法的基本原理是在介质电极加上一个窄脉冲电压，在脉冲电场与介质相互作用时，介质水分子简化为电偶极子，介质由大量微小的电偶极子组成。当没有外电场时，由于石油中的水分子的无规则的热运动，电偶极子的排列是杂乱无章的，因而对外不显电性。当有外电场时，每个电偶极子都将受到一个力矩的作用。在此力矩的作用下，石油中的电偶极子将转向外电场的方向。由于分子的热运动，各电偶极子的排列并不是十分整齐，对于整个电场中的石油来说，在垂直于电场方向的两个表面上，也将产生极化电荷，这种电荷不能转移、移动和被带走。撤去外电场，由于分子的无规则的热运动，电偶极子的排列又将变成杂乱无章。介质中的极性水分子受到这一脉冲电场力的作用而产生极化电荷，同时会在电容极板上感应出相应的等量异种电荷。当脉冲电场力撤出后，极化电荷会由于自身的热运动而恢复到原来杂乱无章的状态，而等量的异种电荷会经由电荷放大器处理并转化为电压信号送由单片机处理。在这里，极化电荷的多少与极性水分子的多少有一定关系。

2　设计思路

对两块绝缘平行板加以频率很低的脉冲电压（因为如果交变电场的频率足够低，取向极化能跟得上外加电场的变化，这时电介质的极化过程与静电场作用下的极化过程没有多大的区别），使两极板带有相同数量的相反电荷。把每个极板上的电荷叫作表面电荷密度叫作（即由除以平板表面即所得）。把由该电荷激发的电场称作当进行水份测量时，被测原油在电场中的部分激发出两层极化电荷。把这些极化电荷用表示。极化电荷“自己”也激发电场此电场方向与原电场方向相反。如图1所示。所以，净电场为

因此从数量上看，E比小（即电场变弱了），即

图1　水份测量时电场示意图Fig.1 The electric field of moisture measurement

由此可知，当加在两平行极板间的电压V不变时（一般，V等于极板内的全电场E乘以极板间距离d），铝板间的全电场E不会变化，因此，Qiree和Eiree必定会上升。从而可知，极化电荷又与铝板上的自由电荷存在一定关系。至此，确定原油中水分的含量与铝板上的部分电荷也存在一定比例关系。

电荷转移的实现：从以上的分析看出，电场中原油的含水量的变化会引起极板上部分自由电荷的变化。由于极板间加的是脉冲电压，很难通过直接的方法对这部分自由电荷进行测量，所以引进了电荷泵的原理。通过电荷泵我们将自由电荷进行转移测量，这样既可以精准测量电荷的数量，又降低了测量电荷对极板电场的影响。

电荷泵的基本原理是利用电容对电荷的积累效应。被测电荷经二极管输入到电容的A端，被电容存储起来。二极管的作用是防止输入电荷消失后，存储在电容上的电荷经输入端跑掉。电荷经过一段时间的积累，在电容A和B两端会产生一定压差，这个压差就是我们要测量的信号。

系统的结构设计：传感器部分采用圆筒形结构，传感器外面均用绝缘材料固定并与石油管道连接。传感器内部阴极和阳极均涂敷了绝缘层扩展传感器的量程，使传感器可以检测0%～100%的含水率。

电路设计：硬件电路主要由控制电路和测量电路两部分组成。控制电路由单片机构成，主要负责采集到数据的处理和控制信号的产生。测量电路是硬件电路设计的核心部分，主要由脉冲补偿电路、积分放大电路、标准电容自校电路、电荷转移电路和计数采样电路等组成。

脉冲补偿电路：就是用来产生本地电荷的，本地电荷应该与极板电场自身产生的自由电荷相等，使本地电荷与电场电荷能够相抵消，即在没有进行测量时，输出的自由电荷为零，这样经过补偿之后输出的电荷就与石油在电场中的极化电荷相等。

积分放大电路：由于经过补偿后输出的自由电荷属于微弱信号，需要经过放大处理后才能检测，所以采用典型的积分放大电路，基本积分电路都存在如积分漂移、非线性误差和泄漏现象，这些都会对测量精度和稳定性产生很大影响。

标准电容自校电路：为了提高测量精度，尽量减小电阻漂移对测量造成的影响。选择温漂小的元器件外，标准电容选择漏电流小、电容稳定的独石电容。在测量一段时间后，将测量电路转换到标准电容进行自校，测出偏差后对测量数据进行补偿。

电荷转移电路：电荷转移电路选用最基本的电荷泵电路，在电路中，为防止连续2次测量中电荷的残留影响，加入了放电电路。当1次测量完成后，加入控制信号使D1导通，对测量电容放电，并保持一段时间。在下次测量前，提前一段时间撤除控制信号，使电荷泵处于工作状态。

计数采样电路：计数采样电路主要是用VFC32压频转换器将电荷转移成的电压信号再转换为单片机可以直接测量的频率信号。

单片机程序设计：在该项目中，单片机选用的是AVR系列的ATmega64。在系统上电后，单片机首先进行系统初始化处理，其中包括对I/O口的配置、串行口的配置、定时器的配置和PWM的控制。初始化完成后，系统首先进行自校测量，防止温度等环境因素的变化对积分电路造成影响。当系统稳定后，即可对原油进行测量，并将测得的频率信号经过修正函数修正成与水份相对应，将修正后的结果通过485通信接口上传到上位机。

3　误差分析

电子学误差包括探测器输出脉冲的可能堆积（计数率过载）、探测器的响应时间、放大器的稳定性及频率特性及噪声等干扰。

温差效应误差：温度除了影响所有的电子学器件和探测器的性能外，更主要的是影响被测原油的密度。温度升高，原油的密度下降，投射计数增加，在含水量不变的情况下，测量出的含水量下降。

4　数据分析

原油含水量实验数据分析：在获取大量实验数据后，使用Origin软件对数据进行分析处理。从大量数据中我们发现，石油含水率与计数率之间的函数关系呈现很强的规律性。经过尝试，最终选择了与多项式拟合稍差一些的对数函式拟合。在确定对数拟合后，又对各种对数函式拟合结果进行比较，最后确定拟合函式为:

从对实验室数据的分析中，得出结论：石油中水分的含量与其在电场下产生的极化电荷呈对数关系。而且大量的数据表明，拟合函式中的参数b在-4左右。由于试验条件的限制，无法确定参数a和c与定量之间的对应关系，但目前数据表明，这两个参数也只在固定范围内变化。

电荷脉冲分析法与DTS石油含水电脱分析仪对比测试结果如表1。

对测得的数据进行回归分析，并计算测量值与实际值之间的偏差，得到表1所示的数据。从整体来看，测量偏差范围在1.12%以内。这表明使用电荷脉冲分析法的水份测量仪用于原油含水率的在线测量是完全可行的。

表1　对比测试Tab.1 Comparison test

5　结语

电荷脉冲分析法石油水份在线测量仪的样机经反复实验考核，及对比DTS石油含水电脱分析仪实际测量情况来看，其性能指标已达到预期要求，拥有良好的实际应用前景。

The new test method on on-line monitoring of crude oil moisture

ZHUHao，YUGe，ZHANGZhi-guo
（DaqingBranch ofHeilongjiangAcademyofSciences，Daqing163319，China）

The current methods of measuring the moisture content of the crude oil mainly include ray method，shortwave absorption，microwave，capacitive method，radio frequency and infrared spectroscopy method，and the Karl Fischer method is used to measure moisture content in oil.Through a comprehensive analysis of existing moisture measuring technology，microwave method，capacitors，RF wears were integrated，adding pulse compensation circuit，integrating amplifier，etc.，using an electric pulse analysis on-line measurement of oil moisture，so that the stability and accuracy of the measurements obtained was greatly improved.Sensor uses a cylindrical structure，so that the measuring water meter was easily used on the operator，greater use and measurement range，flexibilityand reliabilityhave alsobeen strengthened.

Crude moisture；Charge transfer pulse method；Charge pump；Integral amplifier

TE311

A

1674-8646（2015）04-0026-03