一种油水界面的测量方法
一种油水界面的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动测量技术领域，特别涉及一种测量油水界面的方法，主要应用于 原油储油罐中油水界面的测量。
【背景技术】
[0002] 原油开采过程中，特别是油田开采后期，需要向地下注入大量的水来提高压力获 取石油。这样开采得到的原油中就含有大量的水和泥沙。在高温（80°C)的沉降罐中，由于 重力作用油水分层。如何获得分层后油水界面的位置及时排除水成为需要解决的问题。当 前油水分界面的测量主要分为接触式测量和非接触式测量。
[0003] 接触式测量主要采用浮子式液位测量器、电容式液位测量仪、差压式液位测量仪 等。其中，浮子式液位测量器是将浮子漂浮在测量的液体上面，将液位变化转换为相应的电 信号；但是测量过程中浮子易受液体波动、石油粘结物的影响，机械本身可动部件的影响也 会给测量带来问题，导致偏差较大。电容式液位测量仪将电容器浸入油罐中，测量电容器的 电容值来判断分界面的位置；由于影响电容的周围因素较多，这种方法不易准确测量油水 界面间的乳化层。压差式液位测量仪是将压差变送器浸入油罐中，通过仪表测量液面的压 力差，根据液体密度的改变会导致检测到的压力差变化，从而测得液位；但是由于罐底引压 管线常被沉淀物、粘稠介质堵塞，影响压力传递，特别是在寒冷季节堵塞更加严重，必须定 期排污，使得维护量大。
[0004] 非接触式测量主要采用超声波液位测量仪、微波液位测量仪等。超声波液位测量 仪是根据脉冲液面产生回波方式工作，利用接收的反射波信号得到离被测物体表面的距 离，只能应用于油面高度测量。微波液位测量仪有两种方式，一种为雷达式液位测量，另一 种是通过微波发生与接收装置，计算微波信号透射系数、反射系数等参数判断油水界面；其 优势在于受介质密度、压力、环境温度以及湿度等一些因素的作用较小。
[0005] 授权公告号为CN2246795Y中国实用新型专利公开了一种大罐油水界面测量装 置，该测量装置利用线圈辐射高频信号，并由置于同一金属罐体的接收线圈接收，由微安表 显示接收信号的大小。此装置采用接触式测量，用接收线圈接收电磁波的反射信号，由于电 磁波的传播特性，接收线圈会接收到大量的绕射、多径反射后的电磁信号，另外由于线圈辐 射电磁波的方向性不明确，这样就加大了干扰信号的产生范围，使得这种方法的测量精度 大大减小。而且根据天线的特性，当发射线圈或接收线圈与油、水等介质接触后，其特性发 生极大改变，这对高频信号的辐射与接收是极其不利的，会给测量结果带来误差。
[0006] 专利申请号为201010550526中国发明专利申请公开了一种原油储罐油水界面测 量装置，该装置利用单片机控制微波发射阵列产生微波信号，信号在油层、水层、空气层等 不同介质内传播，经储油罐反射后由接收单元接收，通过比较接收信号幅度的强弱来判定 发射单元所处位置并计算出油水分界面。专利号为201320891190. 1的中国实用新型专利 公开了一种油水界面测量仪，该测量仪利用移动式电磁发射接收阵列发射电磁信号，并利 用同一阵列接收反射信号。前述两种测量装置未考虑天线发射与接收的极化特性，忽略了 微波信号绕射、油气界面的反射、极化方向对反射信号强弱对测量精度带来的影响，为了测 量精度，需要建立矩阵发射单元，使得装置结构复杂，给装置的稳定性与可靠性带来极大的 挑战，使得后期维护也变得更加困难。而且构成矩阵发射单元的成本较高，在经济效益上并 不十分理想。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种测量精度高、能够避免微波信号传输对接收造成影响的 测量油水界面的方法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
[0009] 一种油水界面的测量方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1、将极化天线对放入待测量介质中，其中的一个极化天线作为发射天线，另 一个极化天线作为接收天线，该两个极化天线极化方向相同且平行间隔设置；
[0011] 步骤2、使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，移动过程中发射天线辐射 信号，接收天线接收信号；
[0012] 步骤3、记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，极化天线对的单 向移动总距离为H，极化天线对移动一次的单位距离为1，n表示极化天线对所处的位置，n 位置处的接收信号幅值为Q(n)，极化天线对移动一个行程可以测得N个不同位置处的接收 信号幅值，N=H/l，n= 1，…，N;
[0013] 步骤4、计算各个位置处的接收信号幅值Q(n)与原油中信号幅值参考值QH差值的 绝对值R(n)以及接收信号幅值Q(n)与水中信号幅值参考值％差值的绝对值X(n):
[0014] R(n) = |Q(n)-QH|，
[0015]X(n) = |Q(n)-QL|；
[0016] 其中，QH为原油中信号幅值参考值，Q 水中信号幅值参考值；
[0017] 步骤5、找出R(n)小于CHXQj^n的取值，组成集合R，找出X(n)小于 的取值，组成集合X，其中，CH为油中测量误差参数，(^为水中测量误差参数；
[0018] 步骤6、找出集合R中的最小值Rmin以及集合X中的最大值Xmax;
[0019] 若集合R为空集，则0~H范围内均为水层；若集合X为空集，则0~H范围内均 为油层；
[0020] 步骤7、计算HI=lXXmax，H2 =lXRmin，?~H1范围内为水层，H1~H2范围内为 油水混合层，H2~H范围内为油层。
[0021] 本发明方法的极化天线的频带带宽为2GHz~3GHz。
[0022] 本发明方法的极化天线为微带天线。
[0023] 本发明方法的用于发射的极化天线设置于信号发射模块中，所述用于接收的极化 天线设置于信号接收模块中；所述信号发射模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳 内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的信号产生电路、设置于所述传感器外壳上的 同轴电缆连接器，极化天线设置于集成电路板上并与所述信号产生电路相连，所述同轴电 缆连接器与所述信号产生电路相连，以向所述信号产生电路供电；所述信号接收模块包括 传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的信号接 收电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，极化天线设置于集成电路板上并与 所述信号接收电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号接收电路相连，以向所述信号接 收电路供电和向外传输数据。
[0024] 本发明方法的极化天线包括辐射片、微带馈线和接地片，所述辐射片与所述微带 馈线相连并设置于集成电路板的上表面上，所述接地片设置于集成电路板的下表面上，所 述信号产生电路及信号接收电路分别与所述微带馈线相连，所述接地片接地。
[0025] 本发明方法的辐射片为矩形，所述接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。
[0026] 本发明方法的辐射片、微带馈线及接地片为0. 1~0. 2毫米厚的铜片，所述信号发 射模块的极化天线与信号接收模块的极化天线之间的距离为15厘米。
[0027] 本发明方法的传感器外壳由塑料外壳和金属屏蔽壳组成，所述极化天线位于塑料 外壳内，所述信号产生电路和信号接收电路分别位于金属屏蔽壳内。
[0028] 本发明方法的信号产生电路包括压控振荡器、电压调节电路、开关控制电路、匹配 网络电路和发射模块电源电路，所述发射模块电源电路为所述压控振荡器、电压调节电路 及开关控制电路供电，所述压控振荡器分别与所述电压调节电路、开关控制电路及匹配网 络相连，所述匹配网络电路与极化天线相连。
[0029] 本发明方法的信号接收电路包括匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路 及接收模块电源电路，所述接收模块电源电路为所述检波器、放大电路、输出保护电路供 电，所述匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路依次相连，所述匹配滤波网络与极 化天线相连。
[0030] 由以上可知，本发明采用极化天线对，两个极化天线的极化方向相同且间隔放置， 天线对在待测量原油中沿竖直方向移动，由于产生信号的极化天线和接收信号的极化天线 均置于原油罐中，接收天线可以直接接收来自发射天线的信号，大大减小了由于电磁信号 的饶射、油气界面的反 射对测量带来的影响；而且由于是极化天线，天线辐射的电磁信号方 向单一，这种结构也能减小电磁信号绕射及多径传输对信号接收带来的影响，提高了测量 结果的准确度。
【附图说明】
[0031] 图1为采用本发明方法测量油水界面的示意图；
[0032] 图2为本发明方法的流程图；
[0033]图3为本发明实施例信号发射模块的示意图；
[0034] 图4为图3的俯视图；
[0035] 图5a为极化天线的结构示意图；
[0036] 图5b为图5a的后视图；
[0037] 图6为信号发射模块的信号产生电路的电路框图；
[0038]图7为本发明实施例信号接收模块的示意图；
[0039]图8为信号接收模块的信号接收电路的电路框图；
[0040] 图9a为本发明实施例天线x-y轴平面的辐射方向图；
[0041] 图9b为本发明实施例天线x-z轴平面的辐射方向图；
[0042] 图9c为本发明实施例天线y-z轴平面的辐射方向图；
[0043] 图10为不同频率电磁波衰耗测量实验的示意图；
[0044] 图11a至Ilk为极化天线在不同频率下的电磁波衰耗代表曲线图；
[0045] 图12为采用本发明实施例传感器测量接收信号幅值的示意图；
[0046] 图13为本发明传感器应用于油罐的油水界面测量时的示意图；
[0047] 图14为测量时传感器的安装示意图。
[0048] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
【具体实施方式】
[0049] 电磁波在不同介质中传播时，由于介质的介电常数不同，电磁波的衰减不同，电磁 波的衰减量与介质的介电常数成正比。原油的介电常数为2. 3左右，而水的介电常数高达 80,两者的介电常数相差很大，因此当电磁波穿过不同介质（油、水）时衰减量变化显著，本 发明利用传感器接收信号强弱的变化判断电磁波穿过何种介质，进而判断出油水界面。
[0050] 经发明人研宄发现并经过实际测量验证，不同频率的电磁波信号在油、水中的衰 减是不同的，有些频率段的电磁波基本无法区分出油水界面，仅有特定频率段的电磁波适 合于油水分界面的测量，现有技术中没有对油水介质中电磁波不同频率的衰耗特性进行分 析，如果选择了不合适的频段进行测量，测量结果必将受到影响。
[0051] 如图1所示，本发明方法的核心思想是利用一对平行间隔放置的极化天线，一个 极化天线作为发射天线，一个极化天线作为接收天线，将极化天线对放入原油中，发射天线 辐射信号，信号经介质衰减后由接收天线接收，将接收到的信号检波得到连续的方波，通过 测量方波信号的幅值大小判定介质属性。采用极化方向相同的极化天线进行测量，发射天 线辐射的电磁信号方向单一，具有很好的方向性，提高了信号的穿透能力；同时接收天线只 能接收特定方向的信号，只在特定方向上有很好的接收效率，减小电磁信号的反射、油气界 面的绕射、多径传输对测量精度带来的影响。
[0052] 如图2所示，本发明方法包括以下步骤：
[0053] 步骤1、将极化天线对放入待测量介质中，如放入油罐的油中，其中的一个极化天 线作为发射天线，另一个极化天线作为接收天线，该两个极化天线极化方向相同且平行间 隔设置；极化天线对后端与处理电路及接收机相连；
[0054] 步骤2、使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，本实施例的极化天线对沿 原油罐的高度方向从底部往上移动，移动过程中发射天线辐射信号，接收天线接收信号；
[0055] 步骤3、记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，极化天线对的单 向移动总距离（一个行程）为H，极化天线对移动一次的单位距离为1，n表示极化天线对 所处的位置，n位置处的接收信号幅值为Q(n)，极化天线对移动一个行程（如从底部移动到 顶部为一个行程）可以测得N个不同位置处的接收信号幅值，N=H/l，n= 1，…，N，N为整 数；
[0056] 步骤4、计算各个位置处的接收信号幅值Q(n)与原油中信号幅值参考值QH差值的 绝对值R(n)以及接收信号幅值Q(n)与水中信号幅值参考值％差值的绝对值X(n):
[0057] R(n) = |Q(n)_QH|，
[0058] X(n) = |Q(n)-QL| ；
[0059] 其中，QH为原油中信号幅值参考值，Q 水中信号幅值参考值；
[0060]步骤5、找出R(n)小于CHXQjtn的取值，组成集合R，其中，CH为油中测量误差参 数，本实施例的CH=0. 1 ;找出X(n)小于qXQ^tn的取值，组成集合X，其中，q为水中测 量误差参数，本实施例的<^= 0. 2 ;
[0061] 步骤6、找出集合R中的最小值Rmin以及集合X中的最大值Xmax;
[0062] 若集合R为空集，则0~H范围内均为水层；若集合X为空集，则0~H范围内均 为油层，此时测量结束；
[0063] 步骤7、计算HI=lXXmax，H2 =lXRmin，?~H1范围内为水层，H1~H2范围内为 油水混合层，H2~H范围内为油层。
[0064] 为了提高测量精度，可测量多次，取H1、H2的平均值。
[0065] 由于温度不同，原油中物质的含量不同，受原油中泡沫、杂质的干扰，不同时期、不 同地点所采得的原油的介电常数一般是不同的，在介质成分、介质的流动、泡沫的影响下， 接收天线接收到的信号幅值可能会有一定的波动。由于不同油田产出的石油介质成分不 同，接收信号幅值及其波动大小不确定，原油中信号幅值参考值QH、水中信号幅值参考值 Qp油中测量误差参数CH、水中测量误差参数Q也不同，需要根据不同情况进行调整。
[0066] 虽然不同的原油其介电常数也不同，但同一油田中产出的石油的介质成分是大致 相同的。在进行油水界面测量前，可先确定原油中信号幅值参考值QH和水中信号幅值参考 值％及油中测量误差参数CH、水中测量误差参数Q。原油中信号幅值参考值QH和水中信号 幅值参考值％可采用作图法获得，其步骤为：模拟储油罐中油水状态，使用示波器显示极化 天线接收的信号，记录不同位置处接收信号幅值的大小，绘制高度一幅值曲线图，并排除 较大误差，由于不同介质的衰耗作用，所绘得高度一幅值曲线图整体呈倒Z形分布，极化天 线在油中移动时所得信号幅值会沿一个确定值上下分布，该确定值即为原油中信号幅值参 考值QH，同样的，极化天线在水中移动时所得信号幅值也会沿一个确定值上下分布，该确定 值即为水中信号幅值参考值％。本发明方法通过原油中、水中信号幅值参考值可以避免石 油介质成分不同带来的接收信号的幅值波动对测量精度的影响。
[0067] 油中测量误差参数CH=Y/QH，水中测量误差参数S/Qy其中，Y为原油中接 收信号幅值波动的最大范围，即测量过程的油中最大允许误差范围，S为水中接收信号幅 值波动的最大范围，即测量过程的水中最大允许误差范围。以本实施例来说，测量过程的 油中最大允许误差范围Y= 0. 1XQH(即接收信号幅值在0.9QH-1. 1QH之间即可认为接收 信号位置处为油中），测量过程的油中最大允许误差范围S= 0. 2XQL(即接收信号幅值在 0. 8Qfl. 2QL之间即可认为接收信号位置处为水中）。本实施例的接收信号幅值波动的最大 范围是在实验室条件下测量得到的，在不同的环境下可以根据实际情况调整最大允许误差 范围，以使测量结果更加准确。
[0068] 本发明方法测量时，将发射天线设置于信号发射模块A中，将接收天线放置于信 号接收模块B中（图12)，信号发射模块和信号接收模块均通过同轴线缆与外部的测量装 置相连，由测量装置根据传感器接收到的信号进行测量及后续计算，从而判断出油水界面， 测量装置可以是示波器或者网络分析仪等。根据天线理论，天线与介质直接接触时，天线特 性将会发生改变，为此需为极化天线设置保护壳。同时，为了屏蔽发射电路信号干扰，屏蔽 外界信号不干扰接收信号，信号发射模块和信号接收模块的电路部分均应设于金属屏蔽壳 内。
[0069] 下面以一个具体实施例对本发明做进一步说明。
[0070] 如图3和图4所示，信号发射模块包括塑料外壳1、金属屏蔽 壳2、集成电路板3、 同轴电缆连接器4以及设置于集成电路板上的用于发射信号的极化天线和信号产生电路。 塑料外壳1和金属屏蔽壳2组成容纳天线和集成电路板的传感器外壳，该传感器外壳一方 面可以保护集成电路板上的极化天线不与油水接触，避免产生腐蚀影响天线性能，另一方 面可以屏蔽干扰。本实施例的塑料外壳1与金属屏蔽壳2之间采用螺纹连接，传感器外壳 为圆柱形，塑料外壳1由圆形的底板la和圆筒形的侧壁lb构成，极化天线位于塑料外壳1 内，塑料外壳用于容纳天线可以便于信号的接收，优选采用耐候型聚酰胺纤维外壳。金属屏 蔽壳2由圆形的屏蔽壳底板2a、圆筒形的屏蔽壳侧壁2b及开设有安装孔（未图不）的隔 板2c组成。集成电路板3穿过隔板2c上的安装孔，一部分（设置天线的部分）位于塑料 外壳1内、一部分（设置电路的部分）位于金属屏蔽壳2内。为了便于固定集成电路板3， 在屏蔽壳底板2a和隔板2c上均有突出于各自表面的安装凸起2d，集成电路板3固定于安 装凸起2d上。集成电路板3的设置信号产生电路的部分位于金属屏蔽壳2内，金属屏蔽壳 2可以为电路屏蔽干扰。
[0071] 集成电路板3上印刷极化天线，同时结合图5a和图5b，本实施例的极化天线为微 带天线，包括矩形的辐射片3-1、微带馈线3-2和接地片3-4,微带天线（辐射片）的馈电点 为微带馈线的顶端，微带馈线与信号产生电路相连，接地片与信号产生电路的接地端相连 接地，接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。辐射片3-1与微带馈线3-2相连并设置 于集成电路板3的上表面上，接地片3-4设置于集成电路板3的下表面上，接地片位于极化 天线底部。本实施例的辐射片3-1、微带馈线3-2及接地片3-4均涂敷在聚四氟乙烯介质 基板（集成电路板）上，该聚四氟乙烯介质基板的介电常数为2. 55。辐射片3-1、微带馈线 3-2及接地片3-4为0. 1到0. 2毫米厚的铜片。辐射片3-1的长为32毫米，宽为10毫米。 微带馈线3-2的长为15晕米，宽为1晕米。接地片3-4的长为20晕米，宽为9晕米。
[0072] 参照图6,图6为信号产生电路的电路框图。本实施例的信号产生电路产生的信号 为特高频分米波调制信号。信号产生电路3-3包括压控振荡器（VCO)3-3a、电压调节电路 3-3b、开关控制电路3-3c、匹配网络电路3-3d和发射模块电源电路3-3e。发射模块电源电 路3-3e为压控振荡器（VCO) 3-3a、电压调节电路3-3b及开关控制电路3-3c供电，匹配网络 电路3-3d为无源电路，其与极化天线相连。压控振荡器3-3a分别与电压调节电路3-3b、开 关控制电路3-3c及匹配网络3-3d相连。电压调节电路3-3b用于产生不同的电压使得压控 振荡器3-3a产生不同频率的信号。开关控制电路3-3c用于控制压控振荡器3-3a产生幅 度调制信号，本实施例的开关控制电路为2KHz调制开关控制电路。匹配网络电路3-3d用 于将压控振荡器3-3a产生的信号与极化天线进行匹配，便于信号通过极化天线向外传播。 压控振荡器产生的信号经匹配网络电路后经微带馈线输出至辐射片。本例中的压控振荡器 采用特高频分米波信号产生芯片。
[0073] 参照图7,图7为信号接收模块的结构示意图，信号接收模块包括塑料外壳1、金属 屏蔽壳2、集成电路板3及同轴电缆连接器，集成电路板上设置用于接收信号的极化天线和 信号接收电路3-5,信号接收电路3-5的接地端与极化天线的接地片相连接地。信号发射模 块只有一个同轴电缆连接器4用以供电，信号接收模块有两个同轴电缆连接器4-1、4-2,分 别用来供电和传输数据。信号发射模块的极化天线和信号接收模块的极化天线具有相同的 极化方向，两个天线的结构相同。
[0074] 如图8所示，信号接收模块的信号接收电路3-5包括匹配滤波电路3_5a、检波器 3-5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d及接收模块电源电路3-5e。接收模块电源电路 3_5e为检波器3-5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d供电，匹配滤波电路3-5a、检波器 3_5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d依次相连，匹配滤波网络3-5a用于匹配天线与 检波器的阻抗，并滤除不必要的干扰信号，提高测量精度。检波器3-5b用于检测天线接收 信号的包络，完成接收信号的解调功能。放大电路3-5c用于放大检波后输出信号，输出保 护电路3-5d用于防护输出信号失常对后端接收设备造成的影响。信号发射模块发出的信 号由信号接收模块的天线接收后经微带馈线传至信号接收电路，信号由匹配滤波电路匹配 后，经检波解调、放大后输出。
[0075] 本实施例信号发射模块产生的信号为调制频率2KHz的特高频分米波段调制信 号，信号接收模块接收信号发射模块发射的调制频率为2KHz的特高频分米波段调制信号， 并进行解调，同时在后续的测量装置中采用2KHz窄带滤波器进行信号提纯，可以减小同频 电磁信号的干扰，提高了测量精度。调制信号的频率还可以选用其它频率，如4KHz、8KHz 等。
[0076] 图9a、图％、图9c为本实施例极化天线的HFSS仿真辐射方向图，沿微带传输线的 方向为x轴方向。从辐射方向图可以看出，本实施例的极化天线辐射有很好的方向性，可以 减少由于绕射对测量精度的影响。
[0077] 图10为在实验室条件下利用矢量网络分析仪对0.IGHZ-IOGHz电磁波衰 耗进行测量实验的示意图。测量实验中采用了工作频率分别为〇.lGHz-1. 2GHz、 lGHz-3GHz、3GHz-7GHz、7GHz-l1GHz的四种天线进行测量。将油水混合物装在尺寸为 258mmX175mmX300mm的透明塑料桶内，原油层的高度约为140mm，水层的高度约为140mm， 将天线置于塑料桶的两侧外表面，矢量网络分析仪Q分别与天线a、b相连，在室温25°C条件 下，天线沿桶壁从下向上移动，进行测量。利用网络分析仪从100MHz到10GHz，每隔50MHz 选取一个频率点，测量在不同频率下不同高度处原油、水、油水混合物不同介质对电磁波的 衰耗。图11a至图Ilk中选取了不同频段电磁波衰耗的代表曲线，选取的频率点分别为 0? 1GHz、1GHz、2GHz、3GHz、4GHz、5GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz、10GHz。从图中传输系数S21 曲线可以看出，在2GHz到3GHz频段不同高度处（即介质不同），电磁波的衰耗有显著区别： 高度高处衰耗小，介质为原油部分，高度低处衰耗大，介质为水层。根据以上所测得的数据 进行比对分析，为了准确的测量油水界面，极化天线的频带带宽优选为2GHz~3GHz。
[0078]图12为实验室条件下采用本实施例的传感器测得不同高度位置处接收信号幅值 的示意图。固定信号发射模块A和信号接收模块B，两个模块间的距离为15厘米，采用同轴 线馈电、传输信号。在258mmX175mmX300mm的塑料桶内加入140mm的水，并加入140mm的 原油。由于密度不同，原油与水自然分层并在分层界面上形成乳化层。信号发射模块和信 号接收模块分别与后续的测量装置相连，在室温25°C的条件下，将信号发射模块和信号接 收模块放置于油水混合物中，测量不同位置处接收信号幅值大小，测量高度位置分别选取 原油层（高度为20cm)、油水混合层（高度为14cm)、水层（高度为5cm)进行测量，得到的 实验数据如下：
[0079] 表1不同频率处接收信号的峰-峰值（单位：V)
[0080]
[0081] 表1为利用本实施例的传感器对油、水及混合分层界面处测量得到的数据列表。 由表1可以看出，信号频率2. 2GHz到2. 6GHz之间，通过不同介质衰减损耗差异较大，可以 有效地测量出油水界面的位置，也验证了选择频带带宽为2GHz~3GHz的极化天线有利于 测量，提高测量分辨能力。
[0082] 本发明的传感器用于测量油水界面时，发射信号的极化天线和接收信号的极化天 线的天线结构相同，天线的极化特性相同，测量时将信号发射模块的发射天线和信号接收 模块的接收天线平行间隔放置，使两个模块的天线的极化方向相同，保证接收到良好的辐 射信号，以避免因天线极化方向不同引起的不必要的衰耗。测量时，信号发射模块的信号产 生电路产生特定调制频率（如2KHz)的特高频分米波调制信号，信号经信号发射模块的极 化天线辐射出去，信号经介质衰减后由信号接收模块接 收，信号接收模块的检波器将接收 到的信号后检波解调得到对应频率（如2KHz)的方波，方波信号既能观察到接收模块的底 噪，也能观察信号的衰减大小，同时可通过信号的特征选频滤波，有效滤除同频和其它干扰 信号。
[0083] 如图13至图14所示，为本发明的测量传感器应用于油罐油水界面测量的一种具 体实施方式。将前述实施例的信号发射模块和信号接收模块间隔放置于安装盒10内，该安 装盒为金属耐腐蚀封闭盒体。安装盒10内设置有用于供电和数据传输的接口 101，用于连 接同轴线缆，为信号发射/接收模块供电及数据传输。传感器壳体的内置极化天线的部分 (即塑料外壳1)露出于安装盒10外，使得传感器的天线可以发送和接收信号。测量时，由 高度控制机构控制安装盒10在油罐11内沿油罐高度方向上下移动。本实施例的高度控制 机构包括移动驱动单元12、配重块13、引绳14、导索15。配重块13连接于导索15的底部、 位于安装盒10下方，导索15穿过安装盒10上的导引孔a与配重块13相连，导索15在配 重块13作用下保持竖直，从而保证安装盒的直线运动。引绳位于安装盒10上方、与安装盒 10相连，引绳14绕过安装在油罐11顶部的导轮与移动驱动单元12相连，移动驱动单元12 采用电机，移动驱动单元12工作时，通过引绳14牵引安装盒10沿导索15上下移动，同时 计量装置计量安装盒下降的距离。导索也可以采用导轨替换，或者在安装盒上安装齿轮或 螺纹套，采用齿轮与齿杆或螺纹套与丝杆的配合控制安装盒移动。当安装盒10在油罐11 中移动的过程中，信号发射模块的极化天线不断发射信号，信号接收模块的极化天线接收 信号并将信号传送给外部的测量装置，测量装置记录在不同位置处接收信号的幅值大小， 根据信号幅度的大小与安装盒下降的距离来判断油水分界面的位置。
[0084] 本发明传感器的信号发射模块与信号接收模块测量时均置于油罐中，信号接收模 块直接接收来自信号发射模块的信号，同时信号发射模块和信号接收模块的天线用极化方 向相同的极化天线，天线辐射的电磁信号方向单一，信号发射模块的天线发射的电磁波具 有很好的方向性，信号接收模块的天线只能接收特定方向的信号，在特定方向上有很高的 效率，提高了信号的穿透能力，从而减小电磁信号的反射、油气界面的绕射、多径传输对测 量精度带来的影响
[0085] 当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到 许多不同的具体方案，例如，实施例中传感器壳体为圆筒形，可以减少挂油，但也可以采用 方形、棱柱形等其他形状；此外，为了方便天线、集成电路板的安装，实施例中传感器外壳为 上下分离的壳体，但也可以采用一体式结构，分离式的塑料外壳与金属屏蔽壳之间还可以 采用卡扣、粘贴等方式连接；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明技术方案所述 的范围之内。
【主权项】
1. 一种油水界面的测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、将极化天线对放入待测量介质中，其中的一个极化天线作为发射天线，另一个 极化天线作为接收天线，该两个极化天线极化方向相同且平行间隔设置； 步骤2、使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，移动过程中发射天线辐射信 号，接收天线接收信号； 步骤3、记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，极化天线对的单向移 动总距离为H，极化天线对移动一次的单位距离为1，n表示极化天线对所处的位置，n位置 处的接收信号幅值为Q(n)，极化天线对移动一个行程可以测得N个不同位置处的接收信号 幅值，N=H/l，n= 1，…，N; 步骤4、计算各个位置处的接收信号幅值Q(n)与原油中信号幅值参考值Qh差值的绝对 值R(n)以及接收信号幅值Q(n)与水中信号幅值参考值％差值的绝对值X(n): R(n) =IQ(n) -QhI， X(n) =IQ(n)-QlI； 其中，Qh为原油中信号幅值参考值，为水中信号幅值参考值； 步骤5、找出R(n)小于C11XQJtn的取值，组成集合R，找出X(n)小于QXQ^tn的取 值，组成集合X，其中，Ch为油中测量误差参数，(^为水中测量误差参数； 步骤6、找出集合R中的最小值Rmin以及集合X中的最大值Xmax; 若集合R为空集，则〇~H范围内均为水层；若集合X为空集，则O~H范围内均为油 层； 步骤7、计算Hl=lXXmax，H2 = 1父1^11，0~111范围内为水层，111~112范围内为油水 混合层，H2~H范围内为油层。2. 根据权利要求1所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述极化天线的频带带 宽为2GHz~3GHz。3. 根据权利要求2所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述极化天线为微带天 线。4. 根据权利要求1或2或3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述用于发射 的极化天线设置于信号发射模块中，所述用于接收的极化天线设置于信号接收模块中； 所述信号发射模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于 所述集成电路板上的信号产生电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，极化天 线设置于集成电路板上并与所述信号产生电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号产生 电路相连，以向所述信号产生电路供电； 所述信号接收模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于 所述集成电路板上的信号接收电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，极化天 线设置于集成电路板上并与所述信号接收电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号接收 电路相连，以向所述信号接收电路供电和向外传输数据。5. 根据权利要求4所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述极化天线包括辐射 片、微带馈线和接地片，所述辐射片与所述微带馈线相连并设置于集成电路板的上表面上， 所述接地片设置于集成电路板的下表面上，所述信号产生电路及信号接收电路分别与所述 微带馈线相连，所述接地片接地。6. 根据权利要求5所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述辐射片为矩形，所述 接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。7. 根据权利要求5或6所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述辐射片、微带馈 线及接地片为〇. 1~〇. 2毫米厚的铜片，所述信号发射模块的极化天线与信号接收模块的 极化天线之间的距离为15厘米。8. 根据权利要求3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述传感器外壳由塑料 外壳和金属屏蔽壳组成，所述极化天线位于塑料外壳内，所述信号产生电路和信号接收电 路分别位于金属屏蔽壳内。9. 根据权利要求3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述信号产生电路包括 压控振荡器、电压调节电路、开关控制电路、匹配网络电路和发射模块电源电路，所述发射 模块电源电路为所述压控振荡器、电压调节电路及开关控制电路供电，所述压控振荡器分 别与所述电压调节电路、开关控制电路及匹配网络相连，所述匹配网络电路与极化天线相 连。10. 根据权利要求3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述信号接收电路包括 匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路及接收模块电源电路，所述接收模块电源 电路为所述检波器、放大电路、输出保护电路供电，所述匹配滤波电路、检波器、放大电路、 输出保护电路依次相连，所述匹配滤波网络与极化天线相连。
【专利摘要】一种油水界面的测量方法，将极化天线对放入待测量介质中，使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，计算各个位置处的接收信号幅值与原油中信号幅值参考值差值的绝对值R(n)及与水中信号幅值参考值差值的绝对值X(n)，找出R(n)小于CH×QH时n的取值，组成集合R，找出X(n)小于CL×QL时n的取值，组成集合X，找出集合R中的最小值及集合X中的最大值，计算H1＝l×Xmax，H2＝l×Rmin，0～H1范围内为水层，H1～H2范围内为油水混合层，H2～H范围内为油层。本发明采用一对极化方向相同的极化天线平行间隔放置，能接收到良好的辐射信号，避免了由于信号的绕射、多径传输对接收信号的影响。
【IPC分类】G01F23/284
【公开号】CN104897240
【申请号】CN201510080032
【发明人】郭宏福, 张飞龙, 黄芬, 李仁先, 徐抄
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月13日
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动测量技术领域，特别涉及一种测量油水界面的方法，主要应用于 原油储油罐中油水界面的测量。
【背景技术】
[0002] 原油开采过程中，特别是油田开采后期，需要向地下注入大量的水来提高压力获 取石油。这样开采得到的原油中就含有大量的水和泥沙。在高温（80°C)的沉降罐中，由于 重力作用油水分层。如何获得分层后油水界面的位置及时排除水成为需要解决的问题。当 前油水分界面的测量主要分为接触式测量和非接触式测量。
[0003] 接触式测量主要采用浮子式液位测量器、电容式液位测量仪、差压式液位测量仪 等。其中，浮子式液位测量器是将浮子漂浮在测量的液体上面，将液位变化转换为相应的电 信号；但是测量过程中浮子易受液体波动、石油粘结物的影响，机械本身可动部件的影响也 会给测量带来问题，导致偏差较大。电容式液位测量仪将电容器浸入油罐中，测量电容器的 电容值来判断分界面的位置；由于影响电容的周围因素较多，这种方法不易准确测量油水 界面间的乳化层。压差式液位测量仪是将压差变送器浸入油罐中，通过仪表测量液面的压 力差，根据液体密度的改变会导致检测到的压力差变化，从而测得液位；但是由于罐底引压 管线常被沉淀物、粘稠介质堵塞，影响压力传递，特别是在寒冷季节堵塞更加严重，必须定 期排污，使得维护量大。
[0004] 非接触式测量主要采用超声波液位测量仪、微波液位测量仪等。超声波液位测量 仪是根据脉冲液面产生回波方式工作，利用接收的反射波信号得到离被测物体表面的距 离，只能应用于油面高度测量。微波液位测量仪有两种方式，一种为雷达式液位测量，另一 种是通过微波发生与接收装置，计算微波信号透射系数、反射系数等参数判断油水界面；其 优势在于受介质密度、压力、环境温度以及湿度等一些因素的作用较小。
[0005] 授权公告号为CN2246795Y中国实用新型专利公开了一种大罐油水界面测量装 置，该测量装置利用线圈辐射高频信号，并由置于同一金属罐体的接收线圈接收，由微安表 显示接收信号的大小。此装置采用接触式测量，用接收线圈接收电磁波的反射信号，由于电 磁波的传播特性，接收线圈会接收到大量的绕射、多径反射后的电磁信号，另外由于线圈辐 射电磁波的方向性不明确，这样就加大了干扰信号的产生范围，使得这种方法的测量精度 大大减小。而且根据天线的特性，当发射线圈或接收线圈与油、水等介质接触后，其特性发 生极大改变，这对高频信号的辐射与接收是极其不利的，会给测量结果带来误差。
[0006] 专利申请号为201010550526中国发明专利申请公开了一种原油储罐油水界面测 量装置，该装置利用单片机控制微波发射阵列产生微波信号，信号在油层、水层、空气层等 不同介质内传播，经储油罐反射后由接收单元接收，通过比较接收信号幅度的强弱来判定 发射单元所处位置并计算出油水分界面。专利号为201320891190. 1的中国实用新型专利 公开了一种油水界面测量仪，该测量仪利用移动式电磁发射接收阵列发射电磁信号，并利 用同一阵列接收反射信号。前述两种测量装置未考虑天线发射与接收的极化特性，忽略了 微波信号绕射、油气界面的反射、极化方向对反射信号强弱对测量精度带来的影响，为了测 量精度，需要建立矩阵发射单元，使得装置结构复杂，给装置的稳定性与可靠性带来极大的 挑战，使得后期维护也变得更加困难。而且构成矩阵发射单元的成本较高，在经济效益上并 不十分理想。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种测量精度高、能够避免微波信号传输对接收造成影响的 测量油水界面的方法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
[0009] 一种油水界面的测量方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1、将极化天线对放入待测量介质中，其中的一个极化天线作为发射天线，另 一个极化天线作为接收天线，该两个极化天线极化方向相同且平行间隔设置；
[0011] 步骤2、使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，移动过程中发射天线辐射 信号，接收天线接收信号；
[0012] 步骤3、记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，极化天线对的单 向移动总距离为H，极化天线对移动一次的单位距离为1，n表示极化天线对所处的位置，n 位置处的接收信号幅值为Q(n)，极化天线对移动一个行程可以测得N个不同位置处的接收 信号幅值，N=H/l，n= 1，…，N;
[0013] 步骤4、计算各个位置处的接收信号幅值Q(n)与原油中信号幅值参考值QH差值的 绝对值R(n)以及接收信号幅值Q(n)与水中信号幅值参考值％差值的绝对值X(n):
[0014] R(n) = |Q(n)-QH|，
[0015]X(n) = |Q(n)-QL|；
[0016] 其中，QH为原油中信号幅值参考值，Q 水中信号幅值参考值；
[0017] 步骤5、找出R(n)小于CHXQj^n的取值，组成集合R，找出X(n)小于 的取值，组成集合X，其中，CH为油中测量误差参数，(^为水中测量误差参数；
[0018] 步骤6、找出集合R中的最小值Rmin以及集合X中的最大值Xmax;
[0019] 若集合R为空集，则0~H范围内均为水层；若集合X为空集，则0~H范围内均 为油层；
[0020] 步骤7、计算HI=lXXmax，H2 =lXRmin，?~H1范围内为水层，H1~H2范围内为 油水混合层，H2~H范围内为油层。
[0021] 本发明方法的极化天线的频带带宽为2GHz~3GHz。
[0022] 本发明方法的极化天线为微带天线。
[0023] 本发明方法的用于发射的极化天线设置于信号发射模块中，所述用于接收的极化 天线设置于信号接收模块中；所述信号发射模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳 内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的信号产生电路、设置于所述传感器外壳上的 同轴电缆连接器，极化天线设置于集成电路板上并与所述信号产生电路相连，所述同轴电 缆连接器与所述信号产生电路相连，以向所述信号产生电路供电；所述信号接收模块包括 传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于所述集成电路板上的信号接 收电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，极化天线设置于集成电路板上并与 所述信号接收电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号接收电路相连，以向所述信号接 收电路供电和向外传输数据。
[0024] 本发明方法的极化天线包括辐射片、微带馈线和接地片，所述辐射片与所述微带 馈线相连并设置于集成电路板的上表面上，所述接地片设置于集成电路板的下表面上，所 述信号产生电路及信号接收电路分别与所述微带馈线相连，所述接地片接地。
[0025] 本发明方法的辐射片为矩形，所述接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。
[0026] 本发明方法的辐射片、微带馈线及接地片为0. 1~0. 2毫米厚的铜片，所述信号发 射模块的极化天线与信号接收模块的极化天线之间的距离为15厘米。
[0027] 本发明方法的传感器外壳由塑料外壳和金属屏蔽壳组成，所述极化天线位于塑料 外壳内，所述信号产生电路和信号接收电路分别位于金属屏蔽壳内。
[0028] 本发明方法的信号产生电路包括压控振荡器、电压调节电路、开关控制电路、匹配 网络电路和发射模块电源电路，所述发射模块电源电路为所述压控振荡器、电压调节电路 及开关控制电路供电，所述压控振荡器分别与所述电压调节电路、开关控制电路及匹配网 络相连，所述匹配网络电路与极化天线相连。
[0029] 本发明方法的信号接收电路包括匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路 及接收模块电源电路，所述接收模块电源电路为所述检波器、放大电路、输出保护电路供 电，所述匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路依次相连，所述匹配滤波网络与极 化天线相连。
[0030] 由以上可知，本发明采用极化天线对，两个极化天线的极化方向相同且间隔放置， 天线对在待测量原油中沿竖直方向移动，由于产生信号的极化天线和接收信号的极化天线 均置于原油罐中，接收天线可以直接接收来自发射天线的信号，大大减小了由于电磁信号 的饶射、油气界面的反 射对测量带来的影响；而且由于是极化天线，天线辐射的电磁信号方 向单一，这种结构也能减小电磁信号绕射及多径传输对信号接收带来的影响，提高了测量 结果的准确度。
【附图说明】
[0031] 图1为采用本发明方法测量油水界面的示意图；
[0032] 图2为本发明方法的流程图；
[0033]图3为本发明实施例信号发射模块的示意图；
[0034] 图4为图3的俯视图；
[0035] 图5a为极化天线的结构示意图；
[0036] 图5b为图5a的后视图；
[0037] 图6为信号发射模块的信号产生电路的电路框图；
[0038]图7为本发明实施例信号接收模块的示意图；
[0039]图8为信号接收模块的信号接收电路的电路框图；
[0040] 图9a为本发明实施例天线x-y轴平面的辐射方向图；
[0041] 图9b为本发明实施例天线x-z轴平面的辐射方向图；
[0042] 图9c为本发明实施例天线y-z轴平面的辐射方向图；
[0043] 图10为不同频率电磁波衰耗测量实验的示意图；
[0044] 图11a至Ilk为极化天线在不同频率下的电磁波衰耗代表曲线图；
[0045] 图12为采用本发明实施例传感器测量接收信号幅值的示意图；
[0046] 图13为本发明传感器应用于油罐的油水界面测量时的示意图；
[0047] 图14为测量时传感器的安装示意图。
[0048] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
【具体实施方式】
[0049] 电磁波在不同介质中传播时，由于介质的介电常数不同，电磁波的衰减不同，电磁 波的衰减量与介质的介电常数成正比。原油的介电常数为2. 3左右，而水的介电常数高达 80,两者的介电常数相差很大，因此当电磁波穿过不同介质（油、水）时衰减量变化显著，本 发明利用传感器接收信号强弱的变化判断电磁波穿过何种介质，进而判断出油水界面。
[0050] 经发明人研宄发现并经过实际测量验证，不同频率的电磁波信号在油、水中的衰 减是不同的，有些频率段的电磁波基本无法区分出油水界面，仅有特定频率段的电磁波适 合于油水分界面的测量，现有技术中没有对油水介质中电磁波不同频率的衰耗特性进行分 析，如果选择了不合适的频段进行测量，测量结果必将受到影响。
[0051] 如图1所示，本发明方法的核心思想是利用一对平行间隔放置的极化天线，一个 极化天线作为发射天线，一个极化天线作为接收天线，将极化天线对放入原油中，发射天线 辐射信号，信号经介质衰减后由接收天线接收，将接收到的信号检波得到连续的方波，通过 测量方波信号的幅值大小判定介质属性。采用极化方向相同的极化天线进行测量，发射天 线辐射的电磁信号方向单一，具有很好的方向性，提高了信号的穿透能力；同时接收天线只 能接收特定方向的信号，只在特定方向上有很好的接收效率，减小电磁信号的反射、油气界 面的绕射、多径传输对测量精度带来的影响。
[0052] 如图2所示，本发明方法包括以下步骤：
[0053] 步骤1、将极化天线对放入待测量介质中，如放入油罐的油中，其中的一个极化天 线作为发射天线，另一个极化天线作为接收天线，该两个极化天线极化方向相同且平行间 隔设置；极化天线对后端与处理电路及接收机相连；
[0054] 步骤2、使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，本实施例的极化天线对沿 原油罐的高度方向从底部往上移动，移动过程中发射天线辐射信号，接收天线接收信号；
[0055] 步骤3、记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，极化天线对的单 向移动总距离（一个行程）为H，极化天线对移动一次的单位距离为1，n表示极化天线对 所处的位置，n位置处的接收信号幅值为Q(n)，极化天线对移动一个行程（如从底部移动到 顶部为一个行程）可以测得N个不同位置处的接收信号幅值，N=H/l，n= 1，…，N，N为整 数；
[0056] 步骤4、计算各个位置处的接收信号幅值Q(n)与原油中信号幅值参考值QH差值的 绝对值R(n)以及接收信号幅值Q(n)与水中信号幅值参考值％差值的绝对值X(n):
[0057] R(n) = |Q(n)_QH|，
[0058] X(n) = |Q(n)-QL| ；
[0059] 其中，QH为原油中信号幅值参考值，Q 水中信号幅值参考值；
[0060]步骤5、找出R(n)小于CHXQjtn的取值，组成集合R，其中，CH为油中测量误差参 数，本实施例的CH=0. 1 ;找出X(n)小于qXQ^tn的取值，组成集合X，其中，q为水中测 量误差参数，本实施例的<^= 0. 2 ;
[0061] 步骤6、找出集合R中的最小值Rmin以及集合X中的最大值Xmax;
[0062] 若集合R为空集，则0~H范围内均为水层；若集合X为空集，则0~H范围内均 为油层，此时测量结束；
[0063] 步骤7、计算HI=lXXmax，H2 =lXRmin，?~H1范围内为水层，H1~H2范围内为 油水混合层，H2~H范围内为油层。
[0064] 为了提高测量精度，可测量多次，取H1、H2的平均值。
[0065] 由于温度不同，原油中物质的含量不同，受原油中泡沫、杂质的干扰，不同时期、不 同地点所采得的原油的介电常数一般是不同的，在介质成分、介质的流动、泡沫的影响下， 接收天线接收到的信号幅值可能会有一定的波动。由于不同油田产出的石油介质成分不 同，接收信号幅值及其波动大小不确定，原油中信号幅值参考值QH、水中信号幅值参考值 Qp油中测量误差参数CH、水中测量误差参数Q也不同，需要根据不同情况进行调整。
[0066] 虽然不同的原油其介电常数也不同，但同一油田中产出的石油的介质成分是大致 相同的。在进行油水界面测量前，可先确定原油中信号幅值参考值QH和水中信号幅值参考 值％及油中测量误差参数CH、水中测量误差参数Q。原油中信号幅值参考值QH和水中信号 幅值参考值％可采用作图法获得，其步骤为：模拟储油罐中油水状态，使用示波器显示极化 天线接收的信号，记录不同位置处接收信号幅值的大小，绘制高度一幅值曲线图，并排除 较大误差，由于不同介质的衰耗作用，所绘得高度一幅值曲线图整体呈倒Z形分布，极化天 线在油中移动时所得信号幅值会沿一个确定值上下分布，该确定值即为原油中信号幅值参 考值QH，同样的，极化天线在水中移动时所得信号幅值也会沿一个确定值上下分布，该确定 值即为水中信号幅值参考值％。本发明方法通过原油中、水中信号幅值参考值可以避免石 油介质成分不同带来的接收信号的幅值波动对测量精度的影响。
[0067] 油中测量误差参数CH=Y/QH，水中测量误差参数S/Qy其中，Y为原油中接 收信号幅值波动的最大范围，即测量过程的油中最大允许误差范围，S为水中接收信号幅 值波动的最大范围，即测量过程的水中最大允许误差范围。以本实施例来说，测量过程的 油中最大允许误差范围Y= 0. 1XQH(即接收信号幅值在0.9QH-1. 1QH之间即可认为接收 信号位置处为油中），测量过程的油中最大允许误差范围S= 0. 2XQL(即接收信号幅值在 0. 8Qfl. 2QL之间即可认为接收信号位置处为水中）。本实施例的接收信号幅值波动的最大 范围是在实验室条件下测量得到的，在不同的环境下可以根据实际情况调整最大允许误差 范围，以使测量结果更加准确。
[0068] 本发明方法测量时，将发射天线设置于信号发射模块A中，将接收天线放置于信 号接收模块B中（图12)，信号发射模块和信号接收模块均通过同轴线缆与外部的测量装 置相连，由测量装置根据传感器接收到的信号进行测量及后续计算，从而判断出油水界面， 测量装置可以是示波器或者网络分析仪等。根据天线理论，天线与介质直接接触时，天线特 性将会发生改变，为此需为极化天线设置保护壳。同时，为了屏蔽发射电路信号干扰，屏蔽 外界信号不干扰接收信号，信号发射模块和信号接收模块的电路部分均应设于金属屏蔽壳 内。
[0069] 下面以一个具体实施例对本发明做进一步说明。
[0070] 如图3和图4所示，信号发射模块包括塑料外壳1、金属屏蔽 壳2、集成电路板3、 同轴电缆连接器4以及设置于集成电路板上的用于发射信号的极化天线和信号产生电路。 塑料外壳1和金属屏蔽壳2组成容纳天线和集成电路板的传感器外壳，该传感器外壳一方 面可以保护集成电路板上的极化天线不与油水接触，避免产生腐蚀影响天线性能，另一方 面可以屏蔽干扰。本实施例的塑料外壳1与金属屏蔽壳2之间采用螺纹连接，传感器外壳 为圆柱形，塑料外壳1由圆形的底板la和圆筒形的侧壁lb构成，极化天线位于塑料外壳1 内，塑料外壳用于容纳天线可以便于信号的接收，优选采用耐候型聚酰胺纤维外壳。金属屏 蔽壳2由圆形的屏蔽壳底板2a、圆筒形的屏蔽壳侧壁2b及开设有安装孔（未图不）的隔 板2c组成。集成电路板3穿过隔板2c上的安装孔，一部分（设置天线的部分）位于塑料 外壳1内、一部分（设置电路的部分）位于金属屏蔽壳2内。为了便于固定集成电路板3， 在屏蔽壳底板2a和隔板2c上均有突出于各自表面的安装凸起2d，集成电路板3固定于安 装凸起2d上。集成电路板3的设置信号产生电路的部分位于金属屏蔽壳2内，金属屏蔽壳 2可以为电路屏蔽干扰。
[0071] 集成电路板3上印刷极化天线，同时结合图5a和图5b，本实施例的极化天线为微 带天线，包括矩形的辐射片3-1、微带馈线3-2和接地片3-4,微带天线（辐射片）的馈电点 为微带馈线的顶端，微带馈线与信号产生电路相连，接地片与信号产生电路的接地端相连 接地，接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。辐射片3-1与微带馈线3-2相连并设置 于集成电路板3的上表面上，接地片3-4设置于集成电路板3的下表面上，接地片位于极化 天线底部。本实施例的辐射片3-1、微带馈线3-2及接地片3-4均涂敷在聚四氟乙烯介质 基板（集成电路板）上，该聚四氟乙烯介质基板的介电常数为2. 55。辐射片3-1、微带馈线 3-2及接地片3-4为0. 1到0. 2毫米厚的铜片。辐射片3-1的长为32毫米，宽为10毫米。 微带馈线3-2的长为15晕米，宽为1晕米。接地片3-4的长为20晕米，宽为9晕米。
[0072] 参照图6,图6为信号产生电路的电路框图。本实施例的信号产生电路产生的信号 为特高频分米波调制信号。信号产生电路3-3包括压控振荡器（VCO)3-3a、电压调节电路 3-3b、开关控制电路3-3c、匹配网络电路3-3d和发射模块电源电路3-3e。发射模块电源电 路3-3e为压控振荡器（VCO) 3-3a、电压调节电路3-3b及开关控制电路3-3c供电，匹配网络 电路3-3d为无源电路，其与极化天线相连。压控振荡器3-3a分别与电压调节电路3-3b、开 关控制电路3-3c及匹配网络3-3d相连。电压调节电路3-3b用于产生不同的电压使得压控 振荡器3-3a产生不同频率的信号。开关控制电路3-3c用于控制压控振荡器3-3a产生幅 度调制信号，本实施例的开关控制电路为2KHz调制开关控制电路。匹配网络电路3-3d用 于将压控振荡器3-3a产生的信号与极化天线进行匹配，便于信号通过极化天线向外传播。 压控振荡器产生的信号经匹配网络电路后经微带馈线输出至辐射片。本例中的压控振荡器 采用特高频分米波信号产生芯片。
[0073] 参照图7,图7为信号接收模块的结构示意图，信号接收模块包括塑料外壳1、金属 屏蔽壳2、集成电路板3及同轴电缆连接器，集成电路板上设置用于接收信号的极化天线和 信号接收电路3-5,信号接收电路3-5的接地端与极化天线的接地片相连接地。信号发射模 块只有一个同轴电缆连接器4用以供电，信号接收模块有两个同轴电缆连接器4-1、4-2,分 别用来供电和传输数据。信号发射模块的极化天线和信号接收模块的极化天线具有相同的 极化方向，两个天线的结构相同。
[0074] 如图8所示，信号接收模块的信号接收电路3-5包括匹配滤波电路3_5a、检波器 3-5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d及接收模块电源电路3-5e。接收模块电源电路 3_5e为检波器3-5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d供电，匹配滤波电路3-5a、检波器 3_5b、放大电路3-5c、输出保护电路3-5d依次相连，匹配滤波网络3-5a用于匹配天线与 检波器的阻抗，并滤除不必要的干扰信号，提高测量精度。检波器3-5b用于检测天线接收 信号的包络，完成接收信号的解调功能。放大电路3-5c用于放大检波后输出信号，输出保 护电路3-5d用于防护输出信号失常对后端接收设备造成的影响。信号发射模块发出的信 号由信号接收模块的天线接收后经微带馈线传至信号接收电路，信号由匹配滤波电路匹配 后，经检波解调、放大后输出。
[0075] 本实施例信号发射模块产生的信号为调制频率2KHz的特高频分米波段调制信 号，信号接收模块接收信号发射模块发射的调制频率为2KHz的特高频分米波段调制信号， 并进行解调，同时在后续的测量装置中采用2KHz窄带滤波器进行信号提纯，可以减小同频 电磁信号的干扰，提高了测量精度。调制信号的频率还可以选用其它频率，如4KHz、8KHz 等。
[0076] 图9a、图％、图9c为本实施例极化天线的HFSS仿真辐射方向图，沿微带传输线的 方向为x轴方向。从辐射方向图可以看出，本实施例的极化天线辐射有很好的方向性，可以 减少由于绕射对测量精度的影响。
[0077] 图10为在实验室条件下利用矢量网络分析仪对0.IGHZ-IOGHz电磁波衰 耗进行测量实验的示意图。测量实验中采用了工作频率分别为〇.lGHz-1. 2GHz、 lGHz-3GHz、3GHz-7GHz、7GHz-l1GHz的四种天线进行测量。将油水混合物装在尺寸为 258mmX175mmX300mm的透明塑料桶内，原油层的高度约为140mm，水层的高度约为140mm， 将天线置于塑料桶的两侧外表面，矢量网络分析仪Q分别与天线a、b相连，在室温25°C条件 下，天线沿桶壁从下向上移动，进行测量。利用网络分析仪从100MHz到10GHz，每隔50MHz 选取一个频率点，测量在不同频率下不同高度处原油、水、油水混合物不同介质对电磁波的 衰耗。图11a至图Ilk中选取了不同频段电磁波衰耗的代表曲线，选取的频率点分别为 0? 1GHz、1GHz、2GHz、3GHz、4GHz、5GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz、10GHz。从图中传输系数S21 曲线可以看出，在2GHz到3GHz频段不同高度处（即介质不同），电磁波的衰耗有显著区别： 高度高处衰耗小，介质为原油部分，高度低处衰耗大，介质为水层。根据以上所测得的数据 进行比对分析，为了准确的测量油水界面，极化天线的频带带宽优选为2GHz~3GHz。
[0078]图12为实验室条件下采用本实施例的传感器测得不同高度位置处接收信号幅值 的示意图。固定信号发射模块A和信号接收模块B，两个模块间的距离为15厘米，采用同轴 线馈电、传输信号。在258mmX175mmX300mm的塑料桶内加入140mm的水，并加入140mm的 原油。由于密度不同，原油与水自然分层并在分层界面上形成乳化层。信号发射模块和信 号接收模块分别与后续的测量装置相连，在室温25°C的条件下，将信号发射模块和信号接 收模块放置于油水混合物中，测量不同位置处接收信号幅值大小，测量高度位置分别选取 原油层（高度为20cm)、油水混合层（高度为14cm)、水层（高度为5cm)进行测量，得到的 实验数据如下：
[0079] 表1不同频率处接收信号的峰-峰值（单位：V)
[0080]
[0081] 表1为利用本实施例的传感器对油、水及混合分层界面处测量得到的数据列表。 由表1可以看出，信号频率2. 2GHz到2. 6GHz之间，通过不同介质衰减损耗差异较大，可以 有效地测量出油水界面的位置，也验证了选择频带带宽为2GHz~3GHz的极化天线有利于 测量，提高测量分辨能力。
[0082] 本发明的传感器用于测量油水界面时，发射信号的极化天线和接收信号的极化天 线的天线结构相同，天线的极化特性相同，测量时将信号发射模块的发射天线和信号接收 模块的接收天线平行间隔放置，使两个模块的天线的极化方向相同，保证接收到良好的辐 射信号，以避免因天线极化方向不同引起的不必要的衰耗。测量时，信号发射模块的信号产 生电路产生特定调制频率（如2KHz)的特高频分米波调制信号，信号经信号发射模块的极 化天线辐射出去，信号经介质衰减后由信号接收模块接 收，信号接收模块的检波器将接收 到的信号后检波解调得到对应频率（如2KHz)的方波，方波信号既能观察到接收模块的底 噪，也能观察信号的衰减大小，同时可通过信号的特征选频滤波，有效滤除同频和其它干扰 信号。
[0083] 如图13至图14所示，为本发明的测量传感器应用于油罐油水界面测量的一种具 体实施方式。将前述实施例的信号发射模块和信号接收模块间隔放置于安装盒10内，该安 装盒为金属耐腐蚀封闭盒体。安装盒10内设置有用于供电和数据传输的接口 101，用于连 接同轴线缆，为信号发射/接收模块供电及数据传输。传感器壳体的内置极化天线的部分 (即塑料外壳1)露出于安装盒10外，使得传感器的天线可以发送和接收信号。测量时，由 高度控制机构控制安装盒10在油罐11内沿油罐高度方向上下移动。本实施例的高度控制 机构包括移动驱动单元12、配重块13、引绳14、导索15。配重块13连接于导索15的底部、 位于安装盒10下方，导索15穿过安装盒10上的导引孔a与配重块13相连，导索15在配 重块13作用下保持竖直，从而保证安装盒的直线运动。引绳位于安装盒10上方、与安装盒 10相连，引绳14绕过安装在油罐11顶部的导轮与移动驱动单元12相连，移动驱动单元12 采用电机，移动驱动单元12工作时，通过引绳14牵引安装盒10沿导索15上下移动，同时 计量装置计量安装盒下降的距离。导索也可以采用导轨替换，或者在安装盒上安装齿轮或 螺纹套，采用齿轮与齿杆或螺纹套与丝杆的配合控制安装盒移动。当安装盒10在油罐11 中移动的过程中，信号发射模块的极化天线不断发射信号，信号接收模块的极化天线接收 信号并将信号传送给外部的测量装置，测量装置记录在不同位置处接收信号的幅值大小， 根据信号幅度的大小与安装盒下降的距离来判断油水分界面的位置。
[0084] 本发明传感器的信号发射模块与信号接收模块测量时均置于油罐中，信号接收模 块直接接收来自信号发射模块的信号，同时信号发射模块和信号接收模块的天线用极化方 向相同的极化天线，天线辐射的电磁信号方向单一，信号发射模块的天线发射的电磁波具 有很好的方向性，信号接收模块的天线只能接收特定方向的信号，在特定方向上有很高的 效率，提高了信号的穿透能力，从而减小电磁信号的反射、油气界面的绕射、多径传输对测 量精度带来的影响
[0085] 当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到 许多不同的具体方案，例如，实施例中传感器壳体为圆筒形，可以减少挂油，但也可以采用 方形、棱柱形等其他形状；此外，为了方便天线、集成电路板的安装，实施例中传感器外壳为 上下分离的壳体，但也可以采用一体式结构，分离式的塑料外壳与金属屏蔽壳之间还可以 采用卡扣、粘贴等方式连接；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明技术方案所述 的范围之内。
【主权项】
1. 一种油水界面的测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、将极化天线对放入待测量介质中，其中的一个极化天线作为发射天线，另一个 极化天线作为接收天线，该两个极化天线极化方向相同且平行间隔设置； 步骤2、使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，移动过程中发射天线辐射信 号，接收天线接收信号； 步骤3、记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，极化天线对的单向移 动总距离为H，极化天线对移动一次的单位距离为1，n表示极化天线对所处的位置，n位置 处的接收信号幅值为Q(n)，极化天线对移动一个行程可以测得N个不同位置处的接收信号 幅值，N=H/l，n= 1，…，N; 步骤4、计算各个位置处的接收信号幅值Q(n)与原油中信号幅值参考值Qh差值的绝对 值R(n)以及接收信号幅值Q(n)与水中信号幅值参考值％差值的绝对值X(n): R(n) =IQ(n) -QhI， X(n) =IQ(n)-QlI； 其中，Qh为原油中信号幅值参考值，为水中信号幅值参考值； 步骤5、找出R(n)小于C11XQJtn的取值，组成集合R，找出X(n)小于QXQ^tn的取 值，组成集合X，其中，Ch为油中测量误差参数，(^为水中测量误差参数； 步骤6、找出集合R中的最小值Rmin以及集合X中的最大值Xmax; 若集合R为空集，则〇~H范围内均为水层；若集合X为空集，则O~H范围内均为油 层； 步骤7、计算Hl=lXXmax，H2 = 1父1^11，0~111范围内为水层，111~112范围内为油水 混合层，H2~H范围内为油层。2. 根据权利要求1所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述极化天线的频带带 宽为2GHz~3GHz。3. 根据权利要求2所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述极化天线为微带天 线。4. 根据权利要求1或2或3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述用于发射 的极化天线设置于信号发射模块中，所述用于接收的极化天线设置于信号接收模块中； 所述信号发射模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于 所述集成电路板上的信号产生电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，极化天 线设置于集成电路板上并与所述信号产生电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号产生 电路相连，以向所述信号产生电路供电； 所述信号接收模块包括传感器外壳、设置于所述传感器外壳内的集成电路板、设置于 所述集成电路板上的信号接收电路、设置于所述传感器外壳上的同轴电缆连接器，极化天 线设置于集成电路板上并与所述信号接收电路相连，所述同轴电缆连接器与所述信号接收 电路相连，以向所述信号接收电路供电和向外传输数据。5. 根据权利要求4所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述极化天线包括辐射 片、微带馈线和接地片，所述辐射片与所述微带馈线相连并设置于集成电路板的上表面上， 所述接地片设置于集成电路板的下表面上，所述信号产生电路及信号接收电路分别与所述 微带馈线相连，所述接地片接地。6. 根据权利要求5所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述辐射片为矩形，所述 接地片的中心线与辐射片的中心线相垂直。7. 根据权利要求5或6所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述辐射片、微带馈 线及接地片为〇. 1~〇. 2毫米厚的铜片，所述信号发射模块的极化天线与信号接收模块的 极化天线之间的距离为15厘米。8. 根据权利要求3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述传感器外壳由塑料 外壳和金属屏蔽壳组成，所述极化天线位于塑料外壳内，所述信号产生电路和信号接收电 路分别位于金属屏蔽壳内。9. 根据权利要求3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述信号产生电路包括 压控振荡器、电压调节电路、开关控制电路、匹配网络电路和发射模块电源电路，所述发射 模块电源电路为所述压控振荡器、电压调节电路及开关控制电路供电，所述压控振荡器分 别与所述电压调节电路、开关控制电路及匹配网络相连，所述匹配网络电路与极化天线相 连。10. 根据权利要求3所述的油水界面的测量方法，其特征在于：所述信号接收电路包括 匹配滤波电路、检波器、放大电路、输出保护电路及接收模块电源电路，所述接收模块电源 电路为所述检波器、放大电路、输出保护电路供电，所述匹配滤波电路、检波器、放大电路、 输出保护电路依次相连，所述匹配滤波网络与极化天线相连。
【专利摘要】一种油水界面的测量方法，将极化天线对放入待测量介质中，使极化天线对在待测量介质中沿竖直方向移动，记录极化天线对移动过程中不同位置处的接收信号幅值，计算各个位置处的接收信号幅值与原油中信号幅值参考值差值的绝对值R(n)及与水中信号幅值参考值差值的绝对值X(n)，找出R(n)小于CH×QH时n的取值，组成集合R，找出X(n)小于CL×QL时n的取值，组成集合X，找出集合R中的最小值及集合X中的最大值，计算H1＝l×Xmax，H2＝l×Rmin，0～H1范围内为水层，H1～H2范围内为油水混合层，H2～H范围内为油层。本发明采用一对极化方向相同的极化天线平行间隔放置，能接收到良好的辐射信号，避免了由于信号的绕射、多径传输对接收信号的影响。
【IPC分类】G01F23/284
【公开号】CN104897240
【申请号】CN201510080032
【发明人】郭宏福, 张飞龙, 黄芬, 李仁先, 徐抄
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年2月13日
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