一种含水检测仪
阅读说明：本技术 一种含水检测仪 (Moisture detector ) 是由 国小雨 张建国 程波 宋志刚 常峰 周宏斌 牛庚森 程希媛 张明程 程希尧 李建 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含水检测仪,包括检测仪外管,检测仪外管内设置有检测仪内管,检测仪内管内设置有根据原油和水的介电常数不同使两端产生不同电容量的电极极组,检测仪内管内还设置有用于检测原油温度的热敏电阻以及检测原油反射率的光电传感器,检测仪外管上设置有用于将电极极组传送的电容量数值、热敏电阻检测到的原油温度以及原油反射率进行数据分析的电子数据处理器。该含水检测仪,通过电极极组对检测仪内管内原油中的含水率进行实时检测,并将数据传送至电子数据处理器内,通过热敏电阻对检测仪内管内原油的温度进行实时检测,由电子数据处理器分析后通过辅热层对原油中水的温度进行补偿,以防止温度差导致原油中水的介电常数发生变化。(The invention discloses a water-containing detector, which comprises an outer detector tube, wherein an inner detector tube is arranged in the outer detector tube, an electrode pole group which can generate different capacitance at two ends according to the difference of dielectric constants of crude oil and water is arranged in the inner detector tube, a thermistor for detecting the temperature of the crude oil and a photoelectric sensor for detecting the reflectivity of the crude oil are also arranged in the inner detector tube, and an electronic data processor for carrying out data analysis on the capacitance value transmitted by the electrode pole group, the crude oil temperature detected by the thermistor and the reflectivity of the crude oil is arranged on the outer detector tube. According to the water content detector, the water content in crude oil in the inner pipe of the detector is detected in real time through the electrode group, data are transmitted into the electronic data processor, the temperature of the crude oil in the inner pipe of the detector is detected in real time through the thermistor, and the temperature of water in the crude oil is compensated through the auxiliary heating layer after the analysis of the electronic data processor, so that the dielectric constant of the water in the crude oil is prevented from being changed due to temperature difference.)
技术领域
本发明涉及油田开采技术领域，具体为一种含水检测仪。
背景技术
在石油开采过程中，由抽油机抽出的石油原液一般是由原油、水和天然气等混合组成的，在将石油原液中的天然气分离之后，便会对原油的含水率进行检测，以便于工作人员了解油井的出水数据，并根据这些数据进行估算原油产量、出油层位、预测油井的开发寿命、油井的产量质量控制、油井状态检测和注水作业等数字化油田建设。
但是现有的原油含水率测量方式多为人工取样测量法，而人工取样测量的结果受影响因素较多，不仅会耗费大量的时间与人力，还容易导致检测结果出现误差，同时无法满足现在的自动化生产的实时检测需求。
发明内容
本发明的目的在于:提供一种含水检测仪，可以在石油开采过程中，对原油的含水率进行实时检测并将检测数据传送至后台，以实现自动化生产的实时检测需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种含水检测仪，包括检测仪外管，所述检测仪外管内设置有检测仪内管，所述检测仪内管内设置有根据原油和水的介电常数不同使两端产生不同电容量的电极极组，所述检测仪内管内还设置有用于检测原油温度的热敏电阻，所述检测仪外管上设置有用于将所述电极极组传送的电容量数值以及所述热敏电阻检测到的原油温度进行数据分析的电子数据处理器。
优选的，所述电极极组呈圆周阵列设置于所述检测仪内管内壁的中部，所述电极极组被装配用于根据所述检测仪内管内原油中原油和水的介电常数不同，在所述电极极组的两端根据原油含水率的大小产生不同的电容量，并将数据传送至所述电子数据处理器内。
优选的，所述热敏电阻呈圆周阵列设置于所述检测仪内管相邻输入端一侧的内壁上，所述热敏电阻被装配用于实时监测所述检测仪内管内原油的温度并传送到所述电子数据处理器内。
优选的，所述电子数据处理器设置于所述检测仪外管的外壁上，所述电子数据处理器被装配用于将所述电极极组传送的电容量数值以及所述热敏电阻检测到的原油温度进行数据分析，并与预先设定的含水率比对后再对原油中水的温度进行补偿，然后通过ZigBee网络将计算出的原油含水率及温度数据上传。
优选的，所述检测仪外管的外壁上还设置有与所述电子数据处理器对称分布的抽油机状态检测器，所述抽油机状态检测器被装配用于根据抽油机不同的工作运行状态对含水率进行比对，以此得出准确的含水率。
优选的，所述检测仪外管的内壁与所述检测仪内管的外壁之间设置有辅热层，所述辅热层被装配用于对原油中水的温度进行补偿，以使原油中水的介电常数不会随温度的改变而变化。
优选的，所述检测仪外管和所述检测仪内管的输入端设置有原油输入端，所述检测仪外管的管道半径大于所述原油输入端内部管道的半径，所述检测仪内管与所述原油输入端内部管道的半径一致并保持相连通，所述检测仪外管、所述检测仪内管和所述原油输入端内部管道保持轴心位于同一条轴线上。
优选的，所述检测仪外管和所述检测仪内管的输出端设置有原油输出端，所述检测仪外管的管道半径大于所述原油输出端内部管道的半径，所述检测仪内管与所述原油输出端内部管道的半径一致并保持相连通，所述检测仪外管、所述检测仪内管和所述原油输出端内部管道保持轴心位于同一条轴线上。
在上述技术方案中，本发明提供的有益效果是：
1.该含水检测仪，可以在石油开采过程中，通过电极极组对检测仪内管内原油中的含水率进行实时检测，并将数据传送至电子数据处理器内。
2.该含水检测仪，可以在检测过程中，通过热敏电阻对检测仪内管内原油的温度进行实时检测，并将数据传送至电子数据处理器内，由电子数据处理器分析后通过辅热层对原油中水的温度进行补偿，以防止温度差异导致原油中水的介电常数发生变化。
3.该含水检测仪，可以通过抽油机状态检测器根据抽油机不同的工作运行状态对含水率进行比对，以此得出准确的含水率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明正视剖视结构示意图；
图3为本发明信号采集电路供电电路图结构示意图；
图4为本发明信号采集电路MCU电路图结构示意图；
图5为本发明信号采集电路数据传输电路图结构示意图；
图6为本发明信号采集电路信号采集电路图结构示意图；
图7为本发明数据处理电路太阳能充电电路图结构示意图；
图8为本发明数据处理电路太阳能供电电路图结构示意图；
图9为本发明数据处理电路MCU电路图结构示意图；
图10为本发明数据处理电路采集端数据接收电路图结构示意图；
图11为本发明数据处理电路温度采集电路图结构示意图；
图12为本发明数据处理电路ZigBee数据上传电路图结构示意图；
图13为本发明抽油机状态检测器电路图结构示意图。
图14为本发明中一种含水检测仪的实施结构框图。
图中：1、检测仪外管；2、检测仪内管；3、电极极组；4、热敏电阻；5、电子数据处理器；6、抽油机状态检测器；7、辅热层；8、原油输入端；9、原油输出端。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：一种含水检测仪，包括检测仪外管1，检测仪外管1内设置有检测仪内管2，检测仪内管2内设置有根据原油和水的介电常数不同使两端产生不同电容量的电极极组3，检测仪内管2内还设置有用于检测原油温度的热敏电阻4，检测仪外管1上设置有用于将电极极组3传送的电容量数值以及热敏电阻4检测到的原油温度进行数据分析的电子数据处理器5，上述的结构设计便于通过电极极组3对检测仪内管2内原油中的含水率进行实时检测，并将数据传送至电子数据处理器5内，同时可以在检测过程中，通过热敏电阻4对检测仪内管2内原油的温度进行实时检测，并将数据传送至电子数据处理器5内，由电子数据处理器5分析后通过辅热层7对原油中水的温度进行补偿，以防止温度差异导致原油中水的介电常数发生变化，并通过抽油机状态检测器6根据抽油机不同的工作运行状态对含水率进行比对，以此得出准确的含水率。
原液进入含水检测仪后，由于介质及温度时变化的，由电子数据处理器5对电极极组传输的电容数值及热敏电阻4检测数值进行运算分析，因原液中水和油的介电常数差别较大，电子数据处理器5根据预先设定的程序即可计算出含水率。然而原液中可能含有天然气，而天然气与原油介电常数接近，使得电子数据处理器5无法进行分辨。而光电传感器能够利用原油和天然气光反射额差别进行比对原油或者天然气，本发明中光电传感器设置于检测仪内管2壁且设于热敏电阻4的上方。
如图1和图2所示，首先将原油输入端8安装于气液分离器的输油端，然后将原油输出端9安装于原油输送管道的输入端，当气液分离器将石油原液中的天然气分离之后，原油即可自原油输入端8向原油输出端9的方向活动，当原油自原油输入端8进入检测仪内管2内后，检测仪内管2内壁上的热敏电阻4首先对检测仪内管2内原油的温度进行实时检测，并将数据传送至电子数据处理器5内，由电子数据处理器5分析后通过检测仪内管2和检测仪外管1之间的辅热层7对原油中水的温度进行补偿，以防止温度差异导致原油中水的介电常数发生变化，同时依据电容器原理，即正负两极板之间不同的介质因介电常数的不同，极板两端电容量也不相同，当原油流过电极极组3时，因原油和水的介电常数不同，含水率的大小将会在电极极组3两端产生不同的电容量，并将该数据传送至电子数据处理器5内，由电子数据处理器5将电极极组3传送的电容量数值以及热敏电阻4检测到的原油温度进行数据分析，与预先设定的含水率比对再通过辅热层7对原液中水的温度进行补偿，然后把计算出的原液含水率及温度通过ZigBee网络将数据上传。
因为抽油机工作时为上冲程和下冲程两个状态为一个周期，而根据抽油机的工作原理结合我们设备检测的数据分析，上、下冲程两个状态的原油含水率是不同的，因此安装抽油机状态检测器6的目的是根据抽油机不同的工作运行状态对原油含水率进行比对，以此得出准确的含水率，抽油机状态检测器6可以在抽油机光杆运行到上死点(上冲程止点)或下死点(下冲程止点)位置时，由光电开关电路发出信号通过发射电路上传至电子数据处理器5，并由电子数据处理器5进行状态含水分析。
如图14所示，作为一种优选实施例，本发明中的电极极组3、热敏电阻4、光电传感器以及抽油机状态检测器6作为前置信号输入端，与电子数据处理器5、在线快速标定端口、数字显示器及远传电路共同组成含水检测仪的电子管理控制系统。其中，
电极极组3、热敏电阻4、光电传感器能够整体装配为复合传感器模块，从而电子管理控制系统通过将复合传感器模块与抽油机状态检测器6的信号进行A/D转换，由电子数据处理器5对各种数据进行运算分析并将含水率传至数字显示器，同时通过ZigBee网络将数据实时上传，在线标定端口的作用在于，由于油田油层介质的不确定性需要定期对设备进行标定，而在线标定端口能够用手机与在端口直接连接，在手机上操作即可完成并不影响设备正常检测。
作为一种优选实施例，本发明还具有太阳能供电系统，该系统由太阳能板、充、供电电路以及小型蓄电池组成。它的作用是给上述的电子管理控制系统供电。
作为一种优选实施例，上述电子数据处理器5对于各种数据的运算分析过程包括将复合传感器的数据与系统中预先设定的含水数据进行比对的过程，利用电子数据处理器5运行软件，并在软件内导入大量的油区块原液中介质的多种数据，使其能够对不同含水、温度的变化以及油、气区分并进行智能分析。由于原液中水的介电常数是随着温度的变化而改变的，并且是非线性的而且含水量的多少其数值的变化量也不尽相同，该软件可根据不同的含水量以及不同的温度进行智能分段补偿。该软件支持在线标快速定及多种显示界面的任意切换。
由电子数据处理器5负责将复合传感器传来的各种数据进行运算分析，因原液中水和油的介电常数差别较大，电子数据处理器5与软件中预先设定的含水数据进行比对便可得出含水率。但是由于原液中含有天然气，而天然气与原油的介电常数相近，如果仅依据电极极组3传送的数据，电子数据处理器5是无法对此进行辨别的。而由于温度传感器及光电传感器所补充数据的加持，使得电子数据处理器5可方便的进行比对分析。再结合软件中多数据的支撑，从而得出进入复合传感器中原液的实际含水率。另外水的介电常数是随温度的变化而改变的，需要对温度进行补偿。最后微电子数据处理器把得出的实时含水率传至数字显示器，并同时通过ZigBee网络将数据进行上传。为保证含水检测仪检测的精准度需要定期进行标定，在线快速标定端口就是为此设定的，它的优点是用手机连接安装在含水检测仪控制盒外部的端口即可在线调整，而不影响设备的正常检测。
补充说明：
1.电子数据处理器(5)
电子数据处理器(5)分为两部分：信号采集电路、数据处理电路(包含ZigBee数据上传电路和太阳能充电供电电路)
信号采集电路将采集到的传感器信号(电容)转化为数字信号，然后通过串口将数据发送到数据处理电路。二者之间通过光耦元件进行隔离，最大限度保证采集电路不受外界干扰。数据处理电路将接收到的传感器数据转换为含水率，并通过温度采集电路采集混合液温度，并对含水率数值进行温度修正。之后，将数据通过ZigBee网络上传至RTU。
信号采集电路：
供电电路图元器件说明
J1：跳线开关
BT1：电池
C21：陶瓷电容0.1uF
C22：陶瓷电容1uF
C23：陶瓷电容1uF
C20：钽电容220uF
R21：电阻1K
R22：电阻100欧
Q21：N沟道mosfet，AO3400
U21：低电压检测芯片，XC6109C27
U22：低压差降压稳压芯片，XC6209B332
工作原理：
BT1是电池，电压在3.3～4.2之间都可以，标准为3.6V。
C21、R21、Q21组成低压降防反接电路，防止电池反接烧毁电路。
U21是低电压检测芯片，当电池电压低于2.7V时，其3脚输出低电平，U22停止工作，系统不再耗电。当电池使用的是可充电锂电池时，该芯片起到防止电池过放，保护电池的作用。R22是限流电阻，当U21输出电压突变时，保证U22引脚3电流不会太大。
U22是稳压芯片，当电池电压高于3.3V时，该芯片将电压降至3.3V提供给后方系统使用。C22和C23时滤波电容。
C20是220uF钽电容，能够确保系统电压的稳定。
MCU电路图元器件说明
U61：单片机STM32L010C6T6
C61、C62、C63、C64：陶瓷电容0.1uF
P61：调试接口
X81：晶振8M
C65、C66：陶瓷电容20pF
R61：电阻10K
工作原理：
单片机选用STM公司生产的低功耗、高性价比芯片STM32L010C6T6，该芯片普遍大量应用在穿戴设备等低功耗场景，新能稳定，运行功耗超低，适合用于电池供电的场景。
C61～C64是退耦电容，保证芯片电压稳定。
X81和C65、C66组成晶振电阻，X81选用8MHz频率，芯片内部工作频率可调，最大32MHz。
芯片的Boot0引脚通过10K电阻接地，保证芯片上电后运行在运行模式。
PB10引脚可配置为串口发送引脚，将采集到的传感器信号的数据通过光耦(见3.数据传输)发送到数据处理部分(见二.数据处理电路)。
PB12～PB15配置为普通GPIO，通过软件模拟SPI通讯，与PCAP01(见4.信号采集)通讯，进而采集传感器数据。
数据传输电路图工作原理：
单片机通过TX_CAP引脚向光耦元件U71(TLP2361)的输入端(引脚3)发送数据，U71的引脚5会同步反应引脚3的电平，该引脚通过接线端子与数据处理电路的串口接收引脚相连，这样，数据处理电路就会接收到采集电路发送的数据了。使用光耦对两部分电路的通讯线进行隔离，极大地减小了数据处理电路对数据采集电路的干扰。
信号采集电路图工作原理：
U81(PCAP01AD)是信号采集的核心器件，它可将电容信号转换为数字信号，其中，P81是传感器接线端子。主机(MCU)可通过SPI接口与它通讯，获取传感器数据。
数据处理电路
太阳能充电电路工作原理：
数据处理电路由于功耗较高，采用太阳能加电池联合供电的方式，电池采用3.7V4500mAh可充电锂电池，太阳能板采用3W5V单晶硅太阳能板，系统功耗为5mA，可以保证在没有太阳的情况下，仍然连续运行1个月以上。P101是太阳能板接线口。经过C101、C102、L101稳压稳流后，输入到U101，U101是锂电池充电芯片，可确保电池不会因过充而损坏。VCH1和GCH1脚分别接可充电电池的正负极(见2供电)。
供电：VCH1和GCH1是可充电电路的输出端正负极(见太阳能充电电路)，BT101是可充电锂电池。SW1是按钮开关。C104、R102、Q101组成电池防反接电路。U102保护电池不会因为过放而损坏，当电池电压低于2.7V时，自动切断系统供电。U103是低压差线性稳压芯片，将系统电压稳定在3.3V。
MCU详见后面分组部分
采集端数据接收工作原理：接收来自信号采集电路的数据。
温度采集电路图工作原理：
温度采集电路采用恒压式恒流源和PT1000铂热电阻来采集温度数据。Q21是P沟道mosfet，MCU通过控制引脚PT_EN的电平来控制该部分电路的供电，在需要采集数据时，才给当前电路供电，实现低功耗目的。U21是稳压芯片XC6206P152，该芯片将其引脚2与引脚1之间的电压保持在1.5V，它与R21和R22一同，构成恒流源。PT1000铂热电阻采用2线制接到P21端子上。由于流经PT1000电阻的电流是恒定的，所以当PT1000的阻值随着温度的变化发生变化时，PT_ADCIN引脚的电压也跟随变化，且成正比例关系。MCU通过ADC引脚采集PT_ADCIN引脚的电压数值，然后反推温度即可。其中，R21是100欧可调电阻，用于校准。
ZigBee数据上传电路图工作原理：
本设备可通过ZigBee模块与RTU等其他设备建立局域网络，实现数据上传。P51和P52是ZigBee模块插接端子。MCU通过串口与模块的RX0、TX0连接，配置模块参数或进行数据发送接收。SLEEP_RQ引脚可以控制模块休眠，达到低功耗目的。Associate引脚是网络状态标志，SLEEP/ON是休眠状态标志，两种状态都连接到MCU且通过LED灯提示用户。
抽油机状态检测器6电路工作原理：当抽油机光杆运行到上死点(上冲程止点)或下死点(下冲程止点)位置时，光电开关电路发出信号由发射电路上传至电子数据处理器，由处理器进行状态含水分析。
该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。