一种基于电导率的混油界面检测实验装置及实验方法与流程

本发明涉及一种顺序输送混油测量装置，特别是关于一种基于电导率的混油界面检测实验装置及实验方法。

背景技术：

沿管道进行顺序输送时，可靠准确地对混油区的混油进行测量是顺序输送成功的基本条件，也是实验室进行顺序输送混油研究时准确掌握混油变化的重要条件。混油测量装置一般安装在站点首末端进行混油浓度检测，以便根据混油浓度变化确定所输油品的混油通过的瞬间发送信号至闸阀切换装置准确的进行混油切割，以便各段油品送至不同的储罐。

目前成品油管道上应用最广泛的监控方法和仪表有以下几种：其一是基于油品密度差的原理，也就是使用密度计进行混油检测；其二是电容型仪表，这种测量装置的原理是根据混油介电常数的变化来确定顺序输送油品浓度的变化；其三是基于油流内超声波、光波传播速度变化的原理；其四是基于不同介质的折光率差异，利用光学检测系统进行混油界面检测。然而，上述几种混油检测方法在实验室进行混油检测实验均不能掌握管截面上不同位置处的混油浓度。

如图1所示，近年来，管道截面流动参数测量技术被广泛应用于多相管流方面，例如应用电导探针测量气液两相流的持液率，进而对管截面上不同位置处的混油浓度进行测量。应用电导探针测量是基于安装在特殊管段上的两电极之间的电导与液膜厚度有一定的关系来进行测量的。其原理是一定高度的液体电导与其高度存在一定的关系，因此通过测量探针周围液体的电导来得到液体高度。该技术的缺点是：①在管道截面上只能采集管中心处的测量点的数据，不能全面地反应管道某一截面上总体的持液率分布和气液量变化特点；②由于要求测量的准确度高，而且为测量某一径向的持液率变化规律，细小的探针需要贯穿整个管道，而在一定的流速冲击下，管道中的探针可能会被冲刷变形，因此必须在探针两端使用张弛装置例如ab胶紧固探针，但是由于探针是被ab胶固定在管道上，其张紧作用不一定能实现。故探针的变形对测量的精度影响不可忽略。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于电导率的混油界面检测实验装置及实验方法，通过设置的具有多对电导探针的环形测量装置对同一管截面上的不同径向处的混油浓度值进行检测，测量精度高。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于电导率的混油界面检测实验装置，其特征在于：其包括一信号发生器、两个设置有若干对电导探针的环形测量装置、两信号处理电路、两不同分辨率的数据采集卡以及一上位机；两所述环形测量装置前后设置在实验管道测试段末端管道内，两所述环形测量装置上各对电导探针的输入端与所述信号发生器相连；两所述环形测量装置上各对电导探针的输出端分别与两所述信号处理电路相连；所述信号发生器为两环形测量装置上的各对电导探针提供输入信号，两所述信号处理电路分别用于对环形测量装置上各对电导探针的输出信号进行解调，得到反映溶液浓度的直流电流信号，并输送到两所述数据采集卡；两所述数据采集卡分别用于对得到的各路直流电流信号进行调制解调，将其转换成标准电流信号后输送到所述上位机进行数据处理、存储和显示。

所述环形测量装置包括一环形垫片和若干对固定设置在环形垫片上的电导探针；其中第一对所述电导探针固定设置在通过所述环形垫片中心的任一直径上，其余各对所述电导探针分别与所述第一对电导探针平行设置，且各对所述电导探针的垂直距离根据测量精度要求而定，以保证测量得到管截面上不同径向的浓度值；各对所述电导探针中两电导探针的外端均与所述环形垫片的外径边缘对齐，两所述电导探针的内端紧邻但不接触。

所述环形测量装置中的所述环形垫片需与实验管段的测试段末端管道内径相匹配。

所述各对电导探针通过环氧树脂胶固定设置在所述环形垫片上。

两所述环形测量装置通过焊接在实验管道上的四个法兰一前一后设置在实验管道末端，且所述法兰与两所述环形测量装置接触面之间用聚四氟乙烯垫片进行密封。

一种采用所述装置的基于电导率的混油界面检测实验方法，其特征在于包括以下步骤：1)制作若干对不同长度的电导探针；2)对电导探针进行标定，得到混油浓度值与电导探针输出电流值的拟合关系；3)标定完成后，将各对电导探针固定到环形垫片上，构成两套环形测量装置；4)将两套环形测量装置设置在实验管道测试段的末端管道内，并将其输入端与信号发生器相连，根据实验要求对信号发生器的输出信号进行设置；5)将两环形测量装置的各对电导探针的输出端依次与两数据处理电路、两分辨率不同的数据采集卡相连；6)根据得到的混油浓度值与电导探针输出电流值的拟合关系，以及电导探针的输出电流值，得到顺序输送管道中管截面不同径向对应的混油浓度值。

所述步骤1)中，电导探针的制作方法包括以下步骤：①根据实验要求确定注射器针头的具体型号以及铂丝的直径，并将注射器针头和铂丝裁切至所需长度，并采用砂轮机进行打磨，使切口平整；②将聚四氟乙烯细管裁切为所需长度，并将处理好的铂丝插入聚四氟乙烯细管内，两端分别预留一段铂丝露出管外，以保证一端铂丝能够与数据线连接，另一端铂丝能够与导电溶液接触；③将插入铂丝的聚四氟乙烯细管插入准备好的注射器针头内；④向注射器针头内填充绝缘材料，将铂丝与注射器针头进行绝缘；⑤将注射器针头外壁涂覆玻璃胶进行绝缘，并保证步骤②中预留的两端铂丝互不绝缘，得到电导探针。

所述步骤2)中，对电导探针进行标定的方法包括以下步骤：①向一定容积的烧杯中加入一定量的食用盐，待食用盐完全溶化后，用波美计测量盐水密度；②将两个电导探针用ab胶固定到硬纸板上，两端通过信号线分别与信号发生器和信号处理电路相连，把固定有电导探针的硬纸板放在烧杯上，使电导探针的尖端浸入盐水；③设置信号发生器的输出电压为电导探针提供输入信号，信号处理电路对电导探针的输出信号进行解调，并通过数据采集卡发送到上位机，得到该盐水浓度下的电流输出值；④拿开硬纸板向烧杯中逐次加入一定量的食用盐，每次加盐后测量该盐水的密度，重复步骤③测出多组数据；⑤上位机对实验数据进行分析处理，得到不同盐水浓度与电导探针输出电流值的拟合关系。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于环形测量装置上设置有多对电导探针，能够同时测量同一管截面上的不同径向处的混油浓度值，测量结果更加准确。2、本发明由于各对电导探针通过ab胶固定设置在环形垫片上，具有一定的张紧作用，使得探针不会被冲刷变形，保证了较高的测量精度。3、本发明由于环形测量装置上的电导探针的对数以及距离均可以根据实验需要进行设定，可以满足不同精度要求的测量，应用范围更广。4、本发明由于环形测量装置中各对电导探针的输出信号可以通过信号处理电路、数据采集板后由上位机进行实时显示，对混油界面的浓度检测结果观察更加直观。5、本发明由于设置有两套环形测量装置，分别对管道中上下游油品的浓度进行测量，扩大了检测量程的范围并提高了检测精度。本发明结构简单，操作方便，因而本发明可以广泛应用于顺序输送中的混油界面检测领域。

附图说明

图1是现有技术中电导探针结构示意图；其中，图(a)是主视图，图(b)是管截面示意图；

图2是本发明结构示意图；

图3是本发明的具体实施方式示意图；

图4是本发明环形测量装置结构示意图；

图5是本发明电导探针的制作过程示意图；

图6是本发明实施例中配置盐水密度达到1.260g/ml时盐水浓度与电流输出的关系图；

图7是本发明实施例中配置盐水密度达到饱和1.334g/ml时盐水浓度与电流输出的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2、图3所示，本发明基于电导率的混油界面检测实验装置包括一信号发生器1、两环形测量装置2、两信号处理电路3、两不同分辨率的数据采集卡4以及一上位机5。两环形测量装置2前后设置在实验管道测试段末端管道内，其均包括环形垫片21及设置在环形垫片21上的若干对电导探针22；两环形测量装置2上各对电导探针22的输入端与信号发生器1相连，两环形测量装置2上各对电导探针22的输出端分别与两信号处理电路3相连。信号发生器1用于为两环形测量装置2上的各对电导探针22提供输入信号；两信号处理电路3用于对两环形测量装置2上各对电导探针22的输出信号进行解调，得到反映溶液浓度的直流电流信号，并输送到数据采集卡4；两数据采集卡4分别用于对得到的各路直流电流信号进行调制解调，将其转换成标准电流信号后输送到上位机5进行数据处理、存储和显示。

如图4所示，环形测量装置2包括一环形垫片21和若干对固定设置在环形垫片21上的电导探针22。本发明中仅以四对电导探针22为例进行介绍，但不限于此。其中，第一对电导探针固定设置在通过环形垫片21中心的任一直径上，其余各对电导探针分别与第一对电导探针平行设置，且各对电导探针的垂直距离根据测量精度要求而定，以保证测量得到管截面上不同径向的浓度值。同时，各对电导探针中两电导探针的外端均与环形垫片21的外径边缘对齐，两电导探针的内端紧邻但不接触，以保证测量得到管截面任一径向上各点的浓度变化。

上述各实施例中，环形测量装置2中的环形垫片22的外径需与实验管道的测试段末端管道内径相匹配。

上述各实施例中，各对电导探针22通过环氧树脂胶固定设置在环形垫片21上。

上述各实施例中，两环形测量装置2通过焊接在实验管道上的四个法兰一前一后设置在实验管道的测试段末端管道内，且法兰接触面与两环形测量装置接触面之间用聚四氟乙烯垫片进行密封。

基于上述基于电导率的混油界面检测实验装置，本发明还提供一种基于电导率的混油界面检测实验方法，包括以下步骤：

1)制作若干对不同长度的电导探针22。

如图5所示，电导探针的制作方法包括以下步骤：

①根据实验要求确定注射器针头221的具体型号以及铂丝222的直径，并将注射器针头221和铂丝222裁切至所需长度，并采用砂轮机进行打磨，使切口平整。

②将聚四氟乙烯细管223裁切为所需长度，并将处理好的铂丝222插入聚四氟乙烯细管223内，两端分别预留一段铂丝222露出管外，以保证铂丝222一端能够与数据线连接，铂丝222另一端与导电溶液接触。本发明中两端预留的铂丝222长度分别为1mm和5mm，即1mm端与导电溶液接触，5mm端与数据线连接。

③将插入铂丝222的聚四氟乙烯细管223插入准备好的注射器针头221内。

④向注射器针头221内填充绝缘材料，将铂丝222与注射器针头221进行绝缘。

为保证填充过程中不混入空气，填充前，用热缩管224连接注射器针头221与注射器225，加热使热缩管224收缩，紧密连接注射器针头221与注射器225，此时将注射器225中混合好的绝缘材料如环氧树脂缓慢推入注射器针头221中，直到另一端有环氧树脂溢出，取下注射器225待环氧树脂固化即可。

⑤将注射器针头221外壁涂覆玻璃胶进行绝缘，并保证步骤②中预留的两端铂丝222互不绝缘，得到电导探针22。

2)对电导探针22进行标定，得到混油浓度值与电导探针22输出电流值的拟合关系。

首先对电导探针22的测量原理进行简单介绍。在导电溶液成分和温度一定的情况下，导电溶液的电导率是固定的，电导探针22的两探针之间测量介质的电导率会随导电溶液浓度的变化而变化，并且有确定的关系，如下式：

其中l为电导；r为电阻；ρ为电阻率；a为导体有效面积；l为导体有效长度；k为电导率。通电电极在导电溶液中会形成电场，电力线主要分布在两电极之间，导体有效面积a可以用浸入导电溶液中的电极有效面积近似。电极间距离不变，也即导体有效面积和导体有效长度不变。所以在导电溶液浓度一定时两极之间的电导l为常数。之后，保持通电电极两端的电压不变，根据欧姆定律可知，流过电极的电流与两极间导电溶液的电导成正比，即

由上式可知，电导探针22的输出信号即电流信号可以反映溶液浓度的变化。

电导探针测量导电溶液浓度的原理在于溶液电导与电导探针输出信号存在一定的关系，但对于电导探针的理论还不成熟，因此在使用前必须进行标定，以获得溶液浓度与电导探针输出信号的关系。即首先进行实验室实验，测量不同导电溶液浓度时对应的电导，得到一个导电流体浓度与其电导率的拟合关系，然后根据该拟合关系以及实际测量时得到的导电流体的实际电导率，得到实际顺序输送时的导电流体浓度。

本发明中，以盐水和清水代替油品进行顺序输送实验，因此以测量盐水的密度考量顺序输送过程中浓度的变化。而一定浓度的盐水与盐水的电导存在一定关系，即测量电路中盐水的电导率来反应盐水的浓度变化。

电导探针22的标定方法包括以下步骤：①向一定容积的烧杯中加入一定量的食用盐，待食用盐完全溶化后，用波美计测量盐水密度；②将两个电导探针22用ab胶固定到硬纸板上，两端通过信号线分别与信号发生器1和信号处理电路3相连，并把固定有电导探针22的硬纸板放在烧杯上，使电导探针22尖端浸入盐水；③设置信号发生器1的输出电压为电导探针22提供输入信号，信号处理电路3对电导探针的输出信号进行解调，并通过数据采集卡4发送到上位机5，得到该盐水浓度下的电流输出值；④拿开硬纸板向烧杯中加入一定量的食用盐，每次加盐后测量该盐水的密度，然后重复步骤③测出多组数据；⑤上位机5对实验数据进行分析处理，得到盐水浓度与电导探针输出电流值的拟合关系。

本发明进行了多组实验，如下两组实验结果数据分别为盐水溶液达到饱和和未达到饱和两种情况下的标定实验结果(如表1所示)，其中实验组1配置盐水终点浓度为1.260g/ml，实验组2配置盐水终点浓度为1.334g/ml。

表1标定实验结果数据

其中：m0为清水的密度，1.007g/ml；m1为最后一次测量的盐水的密度，g/ml；mx为任意一次测量盐水的密度，g/ml。

如图6、图7所示，盐水的无量纲浓度(mx-m0)/(m1-m0)与上位机5的输出显示电流值呈线性关系，而由第二组数据可知当配置盐水到饱和时盐水无量纲浓度与电流输出值偏离拟合的线性关系线，即取低浓度时的不完全数据要比完全数据拟合的线性度要好，其原因是因为盐水达到饱和时盐水的导电率与盐水的浓度不成线性关系，另一个原因是使用的自来水的硬度过高影响实验的测试结果。

3)标定完成后，将各对不同长度的电导探针22固定到环形垫片21上，构成两套环形测量装置2。

本发明中，制作电导探针22时采用的注射器针头为12#注射器针头，其外径为1.26mm，内径为0.9mm。采用的铂丝直径为0.3mm。采用的环形垫片的内径为26mm，外径46mm，厚度为10mm。第一对电导探针设置在通过该环形垫片中心的任意一直径上，其余各对电导探针与第一对电导探针平行设置，且其与经过管心且平行于探针方向的直线的距离设置分别为0.52r、0.83r、0.94r，即各对电导探针之间的距离分别为6.5mm、3.9mm和1.3mm。各对电导探针中两电导探针的尖端间距为0.4mm(如图4所示)。这样布置电导探针的目的是为了测量管截面上不径向的浓度值，且在管壁处探针布置距离较小，用以观察管壁的浓度变化。

4)将两环形测量装置2设置在实验管道测试段的末端管道内，并将其输入端与信号发生器1相连，根据实验要求对信号发生器1的输出信号进行设置。

本发明中采用信号频率为10khz，幅值为5v的交变电压信号作为各对电导探针的输入信号，将信号发生器按要求设置好后，与两环形测量装置的各对电导探针相连。由于本发明中每一环形测量装置上设置有四对电导探针，因而该环形测量装置可以测量管道横截面上四个不同测点液体的瞬时电导值。

5)将两环形测量装置2的各对电导探针22的输出端依次与两数据处理电路3、两分辨率不同的数据采集卡4相连。

其中，位于上游的环形测量装置2(图3中所示油流方向)与低分辨率的数据采集卡相连，其检测量程高而精度低；位于下游的环形测量装置2与高分辨率的数据采集卡相连，其检测量程低而精度高；两个环形测量装置2安装在管道上配合使用以扩大检测量程的范围和提高检测的精度。

6)根据得到的混油浓度值与电导探针输出电流值的拟合关系，以及实验中电导探针的输出电流值，便可以得到顺序输送管道中管截面不同径向对应的混油浓度值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。