电磁电导法测量原油含水率一次感应电动势处理*

常 丽， 张 彪

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院， 沈阳 110870)

电磁电导法测量原油含水率一次感应电动势处理*

常 丽， 张 彪

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院， 沈阳 110870)

利用电磁电导法在管外测量原油含水率时，针对一次感应电动势对二次感应电动势的干扰问题，根据电磁电导原理，提出了一种由两个发射线圈和两个接收线圈构成的四线圈传感器.通过增加辅助发射和接收线圈并优化四个线圈的相对位置，抵消了一部分一次感应电动势，再通过信号处理分离残留的同频一次感应电动势.根据ANSYS对管道内磁场分布进行仿真分析的结果，确定了四线圈的最优位置，搭建传感器对含水率在0～100%范围内的原油进行实际测试，结果表明，一次感应电动势同频干扰得到了有效抑制.

原油含水率； 电导率； 线圈传感器； 同频信号； 感应电动势； 电磁电导法； 磁场分布

输油管道中原油含水率的测量方法分为两大类：一种是侵入式方法，将传感器放入原油管道内部进行检测，此方法理论成熟并且测量精度高，但是应用地点受到限制，且需要对已有管道进行破坏.另外，原油中含有许多容易附着在传感器表面的粘性物质，会使传感器稳定性下降，从而对结果造成很大的影响.另一种方法是非侵入式方法，比较成熟的技术是采用透射性强的γ射线进行测量[1-3]，但该方法使用的放射性物质会对安全生产构成威胁而且价格昂贵.电磁电导管外测量法是利用低频激励穿透金属管道屏蔽磁力线产生的电涡流感应出的二次感应电动势检测原油含水率，该方法安全性高且成本低，但如何去除一次感应电动势对二次感应电动势的干扰是提高该方法精度和实用性急需解决的难题[4].

1 电磁电导管外测量原理

原油本身是绝缘体，但是原油中包含的矿化水分呈现导电性，原油本身对油水混合物导电性的影响相对于水分可以忽略不计，也即是油水混合物的导电性跟其含水量成正比，通过测量其电导率即可间接测得原油含水率.

电磁电导管外测量含水率的传感器结构如图1所示.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，而这些电涡流在接收线圈上产生二次感应电动势[5-6]，其幅值和相位都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[7].金属管道和油水混合物都是导电介质，当发射线圈通高频时，由于管道屏蔽电磁场是无法穿透管道的，电磁波基本全部让管道吸收；但是通低频时，低频电磁波能有少部分穿透管道进入油水混合物里面，形成电涡流，这就是低频电磁电导测量原油含水率的理论依据.

图1 双线圈传感器模型Fig.1 Model for double coil sensor

根据道尔提出的几何因子理论[8]可知

2Eφ1=iωμJT

(1)

2Eφ2=iωμjs0

(2)

js0=σEφ1

(3)

式中：Eφ1为发射线圈的激励电流产生的一次场；Eφ2为原油中涡流激励的二次场；JT为发射电流密度；jS0为原油中的涡流密度；σ为原油电导率；ω为激励角频率；μ为磁导率.

以发射线圈的中点为原点，空间某点的一次电场强度为

(4)

式中：ST为发射线圈的面积；NT为发射线圈的匝数；IT为发射信号的电流强度；R1为发射线圈轴心到空间点的距离；r为空间点到发射线圈轴线的距离.

一次场在该点处产生的涡流电流密度为

(5)

一次场在接收线圈处产生的一次感应电动势为

(6)

接收线圈在发射线圈激励涡流作用下，接收到的二次感应电动势大小为

U2= NR∮Eφ1dl=

(7)

原油中水分含量越高，电导率越大，接收线圈处的二次感应电动势也越大，即接收线圈接收的二次感应电动势与原油含水率对应.二次感应电动势是有用信号，但接收线圈同时也接收一次感应电动势，因此，一次感应电动势是与二次感应电动势同频的干扰信号.

2 四线圈传感器模型

由于接收线圈接收的一次感应电动势是直接在管外感应产生的，而二次感应电动势是由进入管道内部的电磁场作用于原油形成电涡流，再由电涡流激励产生电磁场在接收线圈处产生的，原油中电涡流形成的电磁场大部分被金属管道吸收，少部分通过管道的磁场在接收线圈处形成二次感应电动势，所以一次感应电动势的值要远远大于二次感应电动势.如果不对一次感应电动势进行削弱，采集接收线圈的复合信号中，二次感应电动势会被淹没在一次感应电动势中.实际测量中消除一次感应电动势，提高二次感应电动势的信噪比至关重要，本文设计了能够削弱一次感应电动势的四线圈传感器，其模型如图2所示.

图2中在双线圈模型的基础上加入了一个和接收线圈绕向相反的辅助接收线圈，在接收线圈另一侧加入一个与发射线圈绕向相同的辅助发射线圈.加入绕向相同的辅助发射线圈是为了提高磁场强度；加入辅助接收线圈的作用在于消去在主接收线圈处接收的一次感应电动势.

图2 四线圈传感器模型Fig.2 Model for four coil sensor

主接收线圈的一次感应电动势为

U3=UTR+UT1R

(8)

(9)

(10)

辅助接收线圈的一次感应电动势为

U4=UTR1+UT1R1

(11)

(12)

(13)

式中：UTR和UT1R为发射线圈和辅助发射线圈在主接收线圈处产生的一次感应电动势；UTR1和UT1R1为发射线圈和辅助发射线圈在辅助接收线圈处产生的一次感应电动势；NT1、NR1为辅助发射、接收线圈匝数；ST1、SR1为辅助发射、接收线圈面积；L1为辅助发射线圈与主接收线圈之间的距离；L2为发射线圈与辅助接收线圈之间的距离；L3为辅助发射线圈与辅助接收线圈之间的距离.

由于四个线圈都绕制在同一个管道上，截面积相同，故ST=SR=SR1=ST1，两个发射线圈串联在一起，电流相同，故IT=IT1.接收线圈总的一次感应电动势为

U1=U3+U4

(14)

当辅助接收线圈和主接收线圈上接收到的一次感应电动势相同时，由于这两个线圈绕向相反且串联在一起，那么接收到的一次感应电动势刚好抵消，也即消除了最主要的同频干扰信号.

由于线圈的材质一样且都缠绕在同一个管道上，可以得到匝数和相对位置的关系，即

(15)

(16)

3 传感器四线圈相对位置优化设计

对四线圈传感器的发射线圈加载39 Hz激励[4，9]，利用ANSYS有限元分析技术进行电磁仿真[10]，得到磁力线分布如图3所示.

图3 四线圈模型磁力线分布Fig.3 Distribution of magnetic inductionline in four coil model

从图3中可以很明显看到四线圈模型中发射线圈和辅助发射线圈进入管道内部的磁力线.为了确定四线圈模型中当发射线圈和辅助发射线绕向相同时，使得两个发射线圈产生的电磁波进入管道内部最多的最佳间距，改变两个发射线圈的距离值依次进行仿真.由于在两个发射线圈中间需要放置感应线圈，所以发射线圈与辅助发射线圈之间的差距不能太小，仿真间距从0.25 m开始，每隔0.1 m进行一次仿真，直到发射线圈和辅助发射线圈之间的距离为0.75 m时截止.如果两者的距离继续变大，那么两个线圈产生的电磁场就起不到相互吸引的作用.通过比较这个范围内的磁力线分布情况以及磁场强度分布情况来确定最优距离，不同间距下磁力线的分布图如图4所示.

从图4可以看出，当两个线圈相距为0.55 m时，进入管道内部的磁力线最多.在发射线圈和辅助发射线圈之间的距离小于0.55 m时，虽然磁感应强度有所增加，但是由于磁力之间相互吸引作用进入管道内部的反而不多，主要被金属管道屏蔽掉了.当发射线圈和辅助发射线圈之间的距离大于0.55 m时，两个线圈之间产生的磁场相互作用变小.

确定了发射线圈和辅助发射线圈的相对位置，再确定主接收线圈和辅助发射线圈之间的位置.通过仿真图4可以看出，在两个发射线圈中间位置，磁力线最密集，磁场强度最强，当主接收线圈置于该位置时，接收到的感应电动势也最大，所以选择L为0.25 m.

图4 不同间距下磁力线分布Fig.4 Distribution of magnetic induction line under different spacing

设NT为100匝，NR为100匝；NT1为50匝，NR1为20匝，L1为0.2 m，由式(15)计算可得L2=0.116 m.

在确定了传感器各线圈的相对位置之后，可仿真得到在主接收线圈和辅助接收线圈上产生的一次感应电动势如图5所示.

图5 主接收线圈和辅助接收线圈的一次感应电动势Fig.5 Primary induced EMF of mainand auxiliary receiving coils

从图5中可以看出，辅助接收线圈产生的感应电动势略低于主接收线圈的，叠加之后一次感应电动势能够得到很好的抑制.

4 残留同频一次感应信号的处理

由于接收线圈处的一次感应电动势是由一次磁场直接激励产生的，它的数值要远远大于原油中涡流激励的二次感应电动势.通过优化之后的四线圈传感器虽然在一定程度上消除了绝大部分的一次感应电动势，但是实际应用中，由于线圈绕制误差和周围环境的影响，还会有部分残留的一次感应电动势需要通过后续工序进一步去除.

接收线圈采集到的信号是一次和二次感应电动势的复合信号，因为一次和二次感应电动势相位差π/2，故复合信号表达式为

f(t)=U1cosωt+U2sinωt=

U12sin(ωt+φ)

(17)

φ=arctan(U1/U2)

(18)

式中：U12为采集到接收线圈上的一次、二次的复合信号的幅值；φ为复合感应电动势与二次感应电动势的夹角.

当管道内的介质为空气时，因为空气的电导率为零，所以接收线圈接收的感应电压即是一次感应电动势U1.当管道中有原油时，采集到电动势为U12，则二次感应电动势为

(19)

5 实验验证

搭建四线圈传感器，首先测得空管道时的一次感应电压值0.790 V，然后对0～100%含水率进行实际测量得到U12，最后计算得到二次感应电动势U2，数据如表1所示.四线圈采集到的电压与含水率的关系曲线如图6所示.

表1 含水率不同对应的实测结果Tab.1 Measured results correspondingto different water contents

图6 四线圈传感器的电压值与含水率的关系Fig.6 Relationship between voltage value andwater content of four coil sensor

对包含残留的同频一次感应信号的复合信号进一步处理，可分离得到一次和二次感应电动势，以含水率80%为例，通过计算U2=0.288 4 V，φ=70°可得复合信号、一次和二次感应电动势信号波形如图7所示.二次感应电动势与含水率的关系曲线如图8所示.

图7 复合电动势、一次和二次感应电动势信号Fig.7 Signals of composite EMF，primaryand secondary induced EMF

图8 含水率与二次感应电压值的关系Fig.8 Relationship between water content andsecondary induced voltage value

由图7可知，一次感应电动势远大于二次感应电动势，如果不去除一次感应电动势则很难准确提取微弱的二次感应电动势.经过四线圈传感器设计和信号处理抵消了一次感应电动势，提高了传感器抗干扰能力，进一步增强了电磁电导管外测量含水率的可行性和实用性.

6 结 论

通过四线圈传感器的设计和信号处理大大滤除了干扰二次感应电动势的同频一次感应电动势，提高了传感器的抗干扰能力，使得微弱二次感应电压的提取具有可行性.仿真和实验结果验证了四线圈传感器结构的合理性及抵消同频一次感应电动势的有效性.

[1] 张思远.气液分离式原油含水率测量系统研究 [D].秦皇岛：燕山大学，2015.

(ZHANG Si-yuan.Gas liquid separate crude oil moisture content measurement system research [D].Qinghuangdao：Yanshan University，2015.)

[2] Wu J J，Kun Z.Experimental measurements of water content in crude oil emulsions by terahertz time-domain spectroscopy [J].Applied Geophysics，2013，10(4)：506-509.

[3] 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.

(TENG Zhao-sheng，LUO Long-fu，TONG Diao-sheng.Intelligent detection system and data fusion [M].Beijing：China Machine Press，2000.)

[4] 徐清华.管道原油含水率测量技术的研究 [D].沈阳：沈阳工业大学，2010.

(XU Qing-hua.Pipeline crude oil moisture content measurement technology research [D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2010.)

[5] 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.

(LIU Chun-xin，FEI Yue-nong，WANG Yang.Appli-cation of simulation in low frequency [J].Computer Simulation，2006，23(2)：297-301.)

[6] 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.

(WANG Yi-hui，GUO Lin-yuan，TIAN Ye.Research of theory for defect detection focusing on oil and gas well casings based on electromagnetism [J].Electronic Test，2012(6)：5-9.)

[7] 司倩倩.电涡流传感器稳定性评价与实验研究 [D].北京：北京化工大学，2011.

(SI Qian-qian.The eddy current sensor stability evaluation and experimental research [D].Beijing：Beijing University of Chemical，2011.)

[8] 杨阳，党睿荣，宋汐瑾.基于套管井中电磁测井响应的研究 [J].石油仪器，2009，23(5)：1-3.

(YANG Yang，DANG Rui-rong，SONG Xi-jin.Based on the study of the electromagnetic logging response of the casing well [J].Petroleum Instruments，2009，23(5)：1-3.)

[9] 屈远.电磁电导法测量原油含水率的研究 [D].沈阳：沈阳工业大学，2013.

(QU Yuan.Electromagnetic conductance method research of measuring moisture content of crude oil [D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2013.)

[10]刘九庆，牛明，商友云，等.基于ANSYS的灭茬刀多目标驱动优化设计 [J].沈阳工业大学学报，2014，36(2)：182-187.

(LIU Jiu-qing，NIU Ming，SHANG You-yun，et al.Multi-goal driven optimization design of stubble-smashing cutter based on ANSYS [J].Journal of Shen-yang University of Technology，2014，36(2)：182-187.)

(责任编辑：景 勇 英文审校：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.

辽宁省教育厅科技平台基金资助项目(LGD2016008).

常 丽(1971-)，女，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事精密测量与控制等方面的研究.

* 本文已于2017-03-28 17∶03在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1703.018.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.08