常 麗， 張 彪

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

電磁電導法測量原油含水率一次感應電動勢處理*

常 麗， 張 彪

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

利用電磁電導法在管外測量原油含水率時，針對一次感應電動勢對二次感應電動勢的干擾問題，根據(jù)電磁電導原理，提出了一種由兩個發(fā)射線圈和兩個接收線圈構成的四線圈傳感器.通過增加輔助發(fā)射和接收線圈并優(yōu)化四個線圈的相對位置，抵消了一部分一次感應電動勢，再通過信號處理分離殘留的同頻一次感應電動勢.根據(jù)ANSYS對管道內磁場分布進行仿真分析的結果，確定了四線圈的最優(yōu)位置，搭建傳感器對含水率在0～100%范圍內的原油進行實際測試，結果表明，一次感應電動勢同頻干擾得到了有效抑制.

原油含水率； 電導率； 線圈傳感器； 同頻信號； 感應電動勢； 電磁電導法； 磁場分布

輸油管道中原油含水率的測量方法分為兩大類：一種是侵入式方法，將傳感器放入原油管道內部進行檢測，此方法理論成熟并且測量精度高，但是應用地點受到限制，且需要對已有管道進行破壞.另外，原油中含有許多容易附著在傳感器表面的粘性物質，會使傳感器穩(wěn)定性下降，從而對結果造成很大的影響.另一種方法是非侵入式方法，比較成熟的技術是采用透射性強的γ射線進行測量[1-3]，但該方法使用的放射性物質會對安全生產構成威脅而且價格昂貴.電磁電導管外測量法是利用低頻激勵穿透金屬管道屏蔽磁力線產生的電渦流感應出的二次感應電動勢檢測原油含水率，該方法安全性高且成本低，但如何去除一次感應電動勢對二次感應電動勢的干擾是提高該方法精度和實用性急需解決的難題[4].

1 電磁電導管外測量原理

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

電磁電導管外測量含水率的傳感器結構如圖1所示.對發(fā)射線圈通以恒定的低頻交變電流，會在含水原油中的導電介質單元環(huán)中形成電渦流，而這些電渦流在接收線圈上產生二次感應電動勢[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電介質的電導率有關[7].金屬管道和油水混合物都是導電介質，當發(fā)射線圈通高頻時，由于管道屏蔽電磁場是無法穿透管道的，電磁波基本全部讓管道吸收；但是通低頻時，低頻電磁波能有少部分穿透管道進入油水混合物里面，形成電渦流，這就是低頻電磁電導測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)射線圈的激勵電流產生的一次場；Eφ2為原油中渦流激勵的二次場；JT為發(fā)射電流密度；jS0為原油中的渦流密度；σ為原油電導率；ω為激勵角頻率；μ為磁導率.

以發(fā)射線圈的中點為原點，空間某點的一次電場強度為

(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)射信號的電流強度；R1為發(fā)射線圈軸心到空間點的距離；r為空間點到發(fā)射線圈軸線的距離.

一次場在該點處產生的渦流電流密度為

(5)

一次場在接收線圈處產生的一次感應電動勢為

(6)

接收線圈在發(fā)射線圈激勵渦流作用下，接收到的二次感應電動勢大小為

U2= NR∮Eφ1dl=

(7)

原油中水分含量越高，電導率越大，接收線圈處的二次感應電動勢也越大，即接收線圈接收的二次感應電動勢與原油含水率對應.二次感應電動勢是有用信號，但接收線圈同時也接收一次感應電動勢，因此，一次感應電動勢是與二次感應電動勢同頻的干擾信號.

2 四線圈傳感器模型

由于接收線圈接收的一次感應電動勢是直接在管外感應產生的，而二次感應電動勢是由進入管道內部的電磁場作用于原油形成電渦流，再由電渦流激勵產生電磁場在接收線圈處產生的，原油中電渦流形成的電磁場大部分被金屬管道吸收，少部分通過管道的磁場在接收線圈處形成二次感應電動勢，所以一次感應電動勢的值要遠遠大于二次感應電動勢.如果不對一次感應電動勢進行削弱，采集接收線圈的復合信號中，二次感應電動勢會被淹沒在一次感應電動勢中.實際測量中消除一次感應電動勢，提高二次感應電動勢的信噪比至關重要，本文設計了能夠削弱一次感應電動勢的四線圈傳感器，其模型如圖2所示.

圖2中在雙線圈模型的基礎上加入了一個和接收線圈繞向相反的輔助接收線圈，在接收線圈另一側加入一個與發(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強度；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電動勢.

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電動勢為

U3=UTR+UT1R

(8)

(9)

(10)

輔助接收線圈的一次感應電動勢為

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生的一次感應電動勢；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生的一次感應電動勢；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.

由于四個線圈都繞制在同一個管道上，截面積相同，故ST=SR=SR1=ST1，兩個發(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電動勢為

U1=U3+U4

(14)

當輔助接收線圈和主接收線圈上接收到的一次感應電動勢相同時，由于這兩個線圈繞向相反且串聯(lián)在一起，那么接收到的一次感應電動勢剛好抵消，也即消除了最主要的同頻干擾信號.

由于線圈的材質一樣且都纏繞在同一個管道上，可以得到匝數(shù)和相對位置的關系，即

(15)

(16)

3 傳感器四線圈相對位置優(yōu)化設計

對四線圈傳感器的發(fā)射線圈加載39 Hz激勵[4，9]，利用ANSYS有限元分析技術進行電磁仿真[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)射線圈進入管道內部的磁力線.為了確定四線圈模型中當發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線繞向相同時，使得兩個發(fā)射線圈產生的電磁波進入管道內部最多的最佳間距，改變兩個發(fā)射線圈的距離值依次進行仿真.由于在兩個發(fā)射線圈中間需要放置感應線圈，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開始，每隔0.1 m進行一次仿真，直到發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈之間的距離為0.75 m時截止.如果兩者的距離繼續(xù)變大，那么兩個線圈產生的電磁場就起不到相互吸引的作用.通過比較這個范圍內的磁力線分布情況以及磁場強度分布情況來確定最優(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，當兩個線圈相距為0.55 m時，進入管道內部的磁力線最多.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，雖然磁感應強度有所增加，但是由于磁力之間相互吸引作用進入管道內部的反而不多，主要被金屬管道屏蔽掉了.當發(fā)射線圈和輔助發(fā)射線圈之間的距離大于0.55 m時，兩個線圈之間產生的磁場相互作用變小.

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.通過仿真圖4可以看出，在兩個發(fā)射線圈中間位置，磁力線最密集，磁場強度最強，當主接收線圈置于該位置時，接收到的感應電動勢也最大，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)計算可得L2=0.116 m.

在確定了傳感器各線圈的相對位置之后，可仿真得到在主接收線圈和輔助接收線圈上產生的一次感應電動勢如圖5所示.

圖5 主接收線圈和輔助接收線圈的一次感應電動勢Fig.5 Primary induced EMF of mainand auxiliary receiving coils

從圖5中可以看出，輔助接收線圈產生的感應電動勢略低于主接收線圈的，疊加之后一次感應電動勢能夠得到很好的抑制.

4 殘留同頻一次感應信號的處理

由于接收線圈處的一次感應電動勢是由一次磁場直接激勵產生的，它的數(shù)值要遠遠大于原油中渦流激勵的二次感應電動勢.通過優(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電動勢，但是實際應用中，由于線圈繞制誤差和周圍環(huán)境的影響，還會有部分殘留的一次感應電動勢需要通過后續(xù)工序進一步去除.

接收線圈采集到的信號是一次和二次感應電動勢的復合信號，因為一次和二次感應電動勢相位差π/2，故復合信號表達式為

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、二次的復合信號的幅值；φ為復合感應電動勢與二次感應電動勢的夾角.

當管道內的介質為空氣時，因為空氣的電導率為零，所以接收線圈接收的感應電壓即是一次感應電動勢U1.當管道中有原油時，采集到電動勢為U12，則二次感應電動勢為

(19)

5 實驗驗證

搭建四線圈傳感器，首先測得空管道時的一次感應電壓值0.790 V，然后對0～100%含水率進行實際測量得到U12，最后計算得到二次感應電動勢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系曲線如圖6所示.

表1 含水率不同對應的實測結果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系Fig.6 Relationship between voltage value andwater content of four coil sensor

對包含殘留的同頻一次感應信號的復合信號進一步處理，可分離得到一次和二次感應電動勢，以含水率80%為例，通過計算U2=0.288 4 V，φ=70°可得復合信號、一次和二次感應電動勢信號波形如圖7所示.二次感應電動勢與含水率的關系曲線如圖8所示.

圖7 復合電動勢、一次和二次感應電動勢信號Fig.7 Signals of composite EMF，primaryand secondary induced EMF

圖8 含水率與二次感應電壓值的關系Fig.8 Relationship between water content andsecondary induced voltage value

由圖7可知，一次感應電動勢遠大于二次感應電動勢，如果不去除一次感應電動勢則很難準確提取微弱的二次感應電動勢.經過四線圈傳感器設計和信號處理抵消了一次感應電動勢，提高了傳感器抗干擾能力，進一步增強了電磁電導管外測量含水率的可行性和實用性.

6 結 論

通過四線圈傳感器的設計和信號處理大大濾除了干擾二次感應電動勢的同頻一次感應電動勢，提高了傳感器的抗干擾能力，使得微弱二次感應電壓的提取具有可行性.仿真和實驗結果驗證了四線圈傳感器結構的合理性及抵消同頻一次感應電動勢的有效性.

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(責任編輯：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基金資助項目(LGD2016008).

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

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

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.08