具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上“、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

本文使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

图1是根据本公开的一个实施方式的液位测量装置结构示意图。

如图1所示，液位测量装置1000，向油井的金属油管发射一个电磁波信号，该电磁波信号沿金属油管的外表面进行传输，遇到油位或水位被反射回来形成回波信号，测量装置接收到回波信号，通过测量发射和回波信号的时间差或分析包含时间差的信号信息从而计算出油或水的位置。测量装置1000包括：

测量单元1001，与波导结构1002的信号级1004连接，用于测量液位；以及，

波导结构1002，包括：

接地级1003，连接油井的套管；

信号级1004，位于接地级1003内，与接地级1003的延伸方向相同，一侧与测量单元1001连接，可以沿着接地级1003的延伸方向活动，可使另一侧延伸至金属油管与金属油管连接，接收测量单元1001发射的电磁波信号并传输电磁波信号至金属油管，接收回波并将回波传输至测量单元1001；绝缘体1005，位于信号级1004和接地级1003之间，使信号级1004和接地级1003绝缘，且绝缘体有多个，在信号级1004延伸方向上均匀分布；

第一密封体1006，位于信号级1004和绝缘体1005之间，使信号级1004与绝缘体1005密封；

第二密封体1011，位于绝缘体1005与接地级1003之间，使接地级1003与绝缘体1005密封，

其中，波导结构1002的信号级1004还可以沿着接地级1003的延伸方向活动，在不需测量的时候可以向远离金属油管的方向运动。

此外，测量装置1000还包括把手1007，把手连接在信号级1004上靠近测量单1001元的一侧，用于移动信号级1004，使信号级1004与金属油管连接或断开。

还包括开关1008，开关1008用于控制信号级1004是否可以移动。

还包括挡板1009，挡板1009与油井套管或接地级1003连接，设置于油井套管外部，用于限制信号级1004活动的最大范围，避免使信号级1004沿着导管向外活动时由于移动范围距离过大而导致测量单元1001脱落。

其中，还包括压紧结构1012，压紧结构1012保证在液位测量过程中波导结构1002的信号级1004与金属油管有效连接。

其中，还包括能耗结构1010，能耗结构1010设置于信号级1004与金属油管连接处的上方，用于减小或消除回波信号沿金属油管竖直向上传输时反射回来的能量，以使得竖直向上传输的回波信号对液位测量无影响。

其中，能耗结构1010包括吸波结构和/或衰减结构，用于减小或消除回波信号沿金属油管竖直向上传输时反射回来的能量。其中，波导结构1002沿信号级方向的波阻抗不变或没有突变。

其中，波导结构1002包括同轴型。

其中，波导结构1002为波导、射频线缆或微波线路中的一种。

其中，信号级1004与金属油管连接的一侧为凹面状。凹面状包括圆柱形，圆柱面可以很好的贴合在油管外表面。

其中，第一密封体1006和/或第二密封体1011包括密封圈和/或垫片。第一密封体1006垂直于信号级1004的所有截面，形状与信号级1004的所有横截面的形状相同，保证信号级1004与第一密封体1006紧密贴合，没有空隙，以防晃荡；和/或，第二密封体1011垂直于接地级1003的所有截面，形状与接地级1003的所有横截面的形状相同，保证接地级1003与第二密封体1011紧密贴合，没有空隙，以防晃荡。

其中，测量单元1001包括第一电路、第二电路或第三电路中的其中一种。

图2是根据本公开的至少一个实施方式的第一电路结构示意图。

如图2所示，第一电路包括：

信号发射模块，连接分配器及处理器，用于发射电磁波信号至分配器；

信号接收模块，连接分配器及AD采集器，包含探头，用于接收来自波导结构传输至分配器的回波信号，并将回波信号传输至AD采集器；

分配器，连接信号发射模块、信号接收模块及波导结构，将信号发射模块发射的电磁波信号传输至波导结构，并将来自波导结构的回波信号传输至信号接收模块，分配器为耦合器电路、功分器电路中的其中一种；

AD采集器，连接信号接收模块及处理器，用于采集来自信号接收模块的回波信号，并输出数字信号至处理器；

处理器，连接供电模块、AD采集器及信号发射模块，控制信号发射模块发射不同类型的电磁波信号并记录发射时间信息，获取并处理分析AD采集器输出的数字信号，输出处理结果；

供电模块，连接处理器，对处理器进行供电；

通讯模块，使处理器通过通讯模块与显示模块进行通讯连接，将处理器的处理结果传输至显示模块；以及，

显示模块，通过通讯模块与处理器连接，显示处理器的处理结果。

其中，信号发射模块与信号接收模块通过分配器连接到一个公共的波导结构上。信号发射模块发射的电磁波信号经分配器将发射的电磁波信号通过公共的导波结构里的信号级耦合到金属油管上。反射形成的回波信号经公共的导波结构的信号级传输至分配器耦合到信号接收模块上。

其中，信号级可以为中心导体。

其中，接地级可以是外管。

图3是根据本公开的至少一个实施方式的第二电路结构示意图。

如图3所示，第二电路包括：

信号发射模块，连接差频控制器、混频器及功率放大器，发射第一信号至混频器，发射第二信号至功率放大器，第一信号和第二信号具有不同频率，第一信号频率和第二信号频率通过差频控制器计算和控制；

信号接收模块，连接分配器及混频器，用于接收来自波导结构传输至分配器的回波信号，并将回波信号传输至混频器，信号接收模块包含探头；

分配器，连接功率放大器、信号接收模块及波导结构，接收经功率放大器放大后的第二信号并输出至波导结构，接收来自波导结构的回波信号并传输至信号接收模块，分配器为耦合器电路、功分器电路中的其中一种；

功率放大器，连接信号发射模块及分配器，接收信号发射模块发射的第二信号并将第二信号进行功率放大，将功率放大后的第二信号输出至分配器；

混频器，连接信号发射模块、信号接收模块及中频放大滤波器，接收来自信号发射模块发射的第一信号和来自信号接收模块的回波信号，并将第一信号和回波信号混频获得回波信号时间展宽信号，并将回波信号时间展宽信号输出至中频放大滤波器；

中频放大滤波器，连接混频器及AD采集器，接收混频器输出的回波信号时间展宽信号，并对回波信号时间展宽信号进行中频放大滤波和滤波，获得放大和滤波的中频信号并传输至AD采集器；

差频控制器，连接处理器及信号发射模块，用于差频计算和差频控制，使信号发射模块发射具有频率差的第一信号和第二信号，第一信号传输至混频器，第二信号传输至功率放大器；

AD采集器，连接中频放大滤波器及处理器，接收来自中频放大滤波器的中频信号，并对中频信号进行采集，输出数字信号至处理器；

处理器，连接供电模块、AD采集器、差频控制器及通讯模块，控制差频控制器使信号发射模块发射不同类型的电磁波信号并记录发射时间信息，获取并处理分析AD采集器输出的数字信号，分析计算回波时间，通过通讯模块输出处理结果传输至显示模块；

供电模块，与处理器连接，对处理器进行供电；

通讯模块，使处理器通过通讯模块与显示模块进行通讯连接，将处理器的处理结果传输至显示模块；以及，

显示模块，通过通讯模块与处理器连接，显示处理器处理结果。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的第三电路结构示意图。

如图4所示，第三电路包括：

信号发射模块，与混频器、分配器及处理器连接，用于发射电磁波信号；

信号接收模块，与分配器和混频器连接，包含探头，用于接收回波信号并将接收的回波信号输入至混频器；

分配器，连接信号发射模块、信号接收模块及波导结构，信号发射模块通过分配器将电磁波信号传输至波导结构，信号接收模块通过分配器接收来自波导结构的回波信号，分配器为耦合器电路、功分器电路中的其中一种；

混频器，连接信号发射模块和信号接收模块，用于将信号发射模块发射的电磁波信号和信号接收模块输出的回波信号进行混频后输出至中频放大器；

中频放大器，连接混频器和AD采集器，将混频器输出的混频信号进行放大处理后输出至AD采集器；

AD采集器，与中频放大器和处理器连接，对放大的混频信号进行采集，输出数字信号至处理器；

处理器，连接供电模块、AD采集器及信号发射模块，控制信号发射模块发射不同类型的电磁波信号并记录发射时间信息，获取并处理分析AD采集器输出的数字信号，输出处理结果；

供电模块，连接处理器，对处理器进行供电；

通讯模块，使处理器通过通讯模块与显示模块进行通讯连接，将处理器的处理结果传输至显示模块；以及，

显示模块，通过通讯模块与处理器连接，显示处理器的处理结果，显示量程范围内的回波信号。

图2-图3所示的两种电路结构中，信号发射模块发射的电磁波信号为脉冲波、频率固定脉冲宽度可调的波；图4所示的电路结构中信号发射模块发射的电磁波信号为调频连续波。

以上所述三种电路结构中，显示模块包括电脑、手机或雷达自带显示屏中的至少一种，用于图像化显示和/或调整回波。供电模块为太阳能充电器和/或储能电池。供电模块可以是太阳能充电器，采用太阳能无线充电技术及储能电池，使用太阳能板将太阳能的能量转换为电能存储在储能电池里，在需要对处理器供电时，储能电池将电能输出至处理器进行供电。该太阳能充电器搭配足够容量的储能电池，在持续阴雨天时，储能电池电量24小时不间断供电，可以续航一个月以上，不用担心因电量不足导致无法测量的问题，并且该太阳能充电器拥有智能调节功能，通过输出可调电路可以调节不同的输出电压及电流，满足供电需求。太阳能充电器有环保及减少线缆布置便于安装的优点。供电模块也可以直接采用储能电池直接供电的方式，当安装在测量装置的储能电池的电量较低或电量耗尽时，直接用另一块已经充完电的储能电池进行替换即可。

其中，通讯模块采用的通讯技术包括RS232、NB-IOT、Zigbee、Lora中的至少一种。

根据本公开的任一油井液位测量装置实现的液位测量方法，利用测量单元的信号发射模块发射的电磁波信号经导波结构传输至金属油管，由金属油管竖直向下传输以使得在液位位置产生一个回波信号，测量单元的信号接收模块接收经金属油管竖直向上传输至波导结构的回波信号，最后处理器基于获得发射信号与接收回波信号之间的时间差、分析回波信号的数量或获得多个回波信号的相对位置来确定液位的位置。

其中，可以通过显示模块观察和去除干扰回波，以保证测量液位所需的回波为正确回波。通过显示模块可以观察到所有的回波信号的情况，可以人为干预去选择正确的回波信号，未被选择的回波信号即视为干扰回波，自动剔除；或者人为干预直接选择某些回波信号为干扰回波，从而剔除，剩下的回波信号即为正确的反回波信号。

其中，利用参考回波校准技术可以确定某一区域的电磁波信号的实际传输速度。参考回波可以产生在一根根已知长度的金属油管相连接处的位置，也可以产生在一根根已知长度的套管相连接处的位置。利用金属油管或套管连接处对发射的电磁波信号进行反射形成参考回波信号，产生的参考回波信号以及已知的一根根油管或套管的长度，可获得参考回波的位置。通过参考回波的位置与参考回波被接收的时间可以计算出不同区域的电磁波信号传输速度。或者测量两个或者固定个数参考回波之间的时间差，已知两个或者固定个数的油管长度，可以得到这段距离的电磁波信号传输速度。

图5是根据本公开至少一个实施方式提供的液位测量方法流程示意图。

如图5所示，液位测量方法S100，包括：通过上述任一液位测量装置，基于接收到液位反射回波之前的参考回波数确定液位位置，包括：

S102：获取液位测量装置与金属油管顶部的垂直距离C；

S104：获取单个金属油管/套管的长度L；

S106：获取接收到参考回波信号的时间T1，参考回波通过金属油管连接处或套管连接处对发射的电磁波信号进行反射生成的；

S108：获取液位相对于金属油管/套管所处的位置：接收液位反射的回波信号之前，测量单元已接收N个参考回波信号，则液位位于第N个金属油管/套管和第N+1个金属油管/套管之间，其中，N为大于等于1的自然数；

S110：获取接收到液位反射形成的回波信号的时间T2；以及，

S112：获取液位至测量系统的距离S，S＝(N*L-C)*(T2/T1)，

确定液位所在位置为S+C。

图6是根据本公开至少一个实施方式提供的液位测量方法流程示意图。

如图6所示，液位测量方法S200，通过上述液位测量装置，基于液位反射的回波信号与多个参考回波的相对位置来确定液位位置，包括：

通过显示模块获取相邻参考回波之间距离L0，参考回波通过金属油管连接处或套管连接处对发射的电磁波信号反射后生成；

获取单个金属油管/套管的长度L_M；

通过显示模块获取液位发射的回波信号在参考回波中的位置：液位发射的回波信号位于第i个参考回波和第i+1个参考回波之间，且距离第i个参考回波的距离为D_-a，距离第i+1个参考回波的距离为D_-b，其中，i为大于等于1的自然数；以及，

计算液位所在位置S，计算方法包括：S＝i*L_M+(D_-a/L0)*L_M或S＝(i+1)*L_M-(D_-b/L0)*L_M。

图7是根据本公开至少一个实施方式提供的液位测量方法流程示意图。

如图7所示，液位测量方法S300，通过上述液位测量装置测量液位，基于发射电磁波信号和接收回波信号之间的时间差计算液位位置，根据测量单元获取的发射电磁波信号与接收的回波信号之间的时间差及信号实际传输速率计算回波信号的传输距离，然后根据回波信号的传输距离确定液位位置，包括：

S302：发射频率f1的第一信号和频率f2的第二信号，获取频率差Δf＝|f1-f2|；

S304：将频率f2的第二信号的液位反射回波信号和频率f1的第一信号进行混频，经中频放大器对混频信号放大，再经过AD采集器对混频信号采样后，经测量获得从信号发射到信号接收之间经展宽后的时间差；

S306：基于频率差及经展宽后的时间差，计算从电磁波信号发射到回波信号接收之间实际时间差；

S308：基于实际时间差及电磁波速度，计算电磁波传输距离；以及，

S310：基于电磁波传输距离，计算液位位置。

处理器控制差频控制器使信号发射模块发射2个具有频率差Δf的发射信号。第一路发射信号频率为f1，第二路发射信号频率为f2，则Δf＝|f1-f2|。如果直接使用简单的发射接收电路得到的反射回波信号频率是F，那么通过等效采样得到的发射回波信号频率为Fe＝F*f2/Δf。如果直接使用简单的发射接收电路得到的发射信号和接收反射回波之间的时间差是T，那么经过时间展宽得到的信号时间差Te＝T*f2/Δf，传输时间被放大了f2/Δf倍，从而减小了测量的难度，极大的提高了测量的精度。第二路发射信号通过功率放大器送到分配器，使第二路信号通过公共波导结构的中心导体耦合到油管上，实现发射信号的传输。反射回波信号经公共导波结构的中心导体传输至分配器耦合到信号接收模块上，信号接收模块将接收的反射信号与第一路发射信号进行混频，产生反射回波信号的时间展宽信号，由于时间展宽信号存在大量的高频成分而且信号微弱，故经中频放大滤波器得到经过放大和滤波的中频信号，AD采集器对中频信号进行采集传送至处理器，处理器分析计算中频信号的回波时间，从而得到Te，在根据频率差Δf计算时间展宽倍数Δf/f2，可得实际的时间差T＝Te*Δf/f2，由于电磁波的传输速度可知的，得到反射信号的传输距离，从而确定液位的位置。频率差Δf不是固定的，可以根据外部设定、测量距离、反射回波信息及其他因素而改变。如果信号发射模块发射的高频信号足够强的话也可以不使用功率放大器。

本实施方式提供的液位测量方法，利用具有频率差的两路高频发射信号的其中一个高频发射信号与反射回来的高频接收信号进行混频来实现对脉冲回波信号的等效采样，将原来短暂的时间差进行展宽从而实现对时间差的精确测量，继而得到精确的距离，有效提高了液位测量精度。

图8是根据本公开至少一个实施方式提供的液位测量方法流程示意图。

如图8所示，液位类型测量方法S400，通过上述液位测量装置及测量方法来测量液位类型，基于水油的介电常数差异生成的回波信号差异来确定液位类型，包括：

S402：获取反射回波信号；

S404：分析回波形态；以及，

S406：基于回波形态确定液位类型，回波形态包括幅度、宽度、前后沿及相位中的至少一种，液位类型包括油液位或水液位。

油井下有油及水的分层，由于油和水的介电常数也不同，电磁波在油层处会产生一个反射信号，然后电磁波会穿透油层，在油和水的分界面也会产生一个反射信号。通过对油层反射的回波信号与水油界面反射的回波信号的波形差异来确定反射回波是油液位还是水液位。该波形差异可以是幅度、宽度、前后沿、相位等信息。

本公开实施例提供的液位类型测量方法，可以将液位类型进行区分，进而在液位测量时可以提高液位测量精度。

图9是根据本公开的至少一个实施方式提供的液位测量方法示意图。

如图9所示，若液位在油管4及油管5之间，计算过程为：已知测量装置安装的位置与油管1的顶部垂直距离为C，已知每根油管的长度，故可知前4根油管的长度为L*4、L为单个油管长度，可以检测获得第4根油管与第5根油管连接处产生的参考回波被接收的时间T1及液位反射的回波信号被接收的时间T2，则可算出液位离测量装置的距离S，因为T2/T1＝S/(L*4-C)，T2、T1、L、C是已知的，从而可以确定液位的位置。

图10是根据本公开的至少一个实施方式提供的液位测量方法示意图。

如图10所示，若通过显示模块可知液位反射的回波信号在参考回波3及参考回波4之间，液位反射的回波信号距离参考回波3的距离为D3，距离参考回波4的距离为D4，参考回波之间的距离已知为L0，一根根油管或一根根套管的实际长度为L，则液位所在的位置计算方法为：S＝3L+(D3/L0)*L或S＝4L-(D4/L0)*L。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式/方式”、“一些实施方式/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须的是相同的实施方式/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式/方式或示例以及不同实施方式/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。