基于LabVIEW的含水率測量系統設計

謝 雁 趙 鳳 李利品 趙光輝

(1.西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 西安 710065;2.長安大學 西安 710064)

0 引 言

原油含水率是油田優化生產和實現智能完井的關鍵技術，也是對儲油層進行特性分析和保護性合理開采的重要依據，通過它來估計原油產量和開采價值，預測油井的開發壽命，提高生產效率，具有非常重大的生產指導意義和價值［1-3］。在高含水條件下，最常用的方法是電阻抗測量法［4］，具有非阻流、無放射性、結構簡單、成本低廉、響應速度快等優點，效果明顯優于廣泛應用的電容法持水率計［5-6］。

已經有許多專家學者做的了大量的研究工作。Asali等人［7］利用環形電極對垂直氣液環狀流的液厚度和相截面阻力進行了研究，首次提出了環形探針式電極，這也是環形電極在流體測量中的首次應用。Coney［8］描述了平行的電極在液層中表現出來的性質，并提出了液層的厚度和導電性之間的關系的理論處理方法。Devia 與Fossa［9-10］利用非規則形狀電極建立了流體等效電導率與流體相含率的線性關系模型。劉興斌［11-12］利用數學物理方程法求解了縱向環形四電極電導傳感器的敏感場分布，并確定了測量電極的放置范圍，實現了油水兩相流含水率的測量。盡管利用電導法測量兩相流已取得了較大進展，基于多源傳感器的三相流相含率數據挖掘及信息融合方法還有待于進一步研究。本文為室內三相流模擬試驗平臺動態監測提供一種新的測量方法，測量理論基礎是四級陣列傳感器設計與LabVIEW 現代信息處理的融合。該測量系統在室內三相流模擬試驗平臺實驗效果表明，適用于目前我國高含水油田產出液的測量，完全能夠滿足生產實際的需求，達到了測量系統設計的目標。

1 系統設計

本系統采用基于優化設計的縱向多級陣列電導式傳感器設計，測量段是在管徑為62 mm 的玻璃鋼內壁上平滑鑲嵌四個材質為鍍銀的銅環精制而成，4 個圓形電極環分為兩對，分別為激勵電極(E1－E2)和相含率測量電極(H1－H2)。該含水率測量系統包括激勵源、測量電極、信號調理、信號采集和采集分析與數據處理，如圖1所示。

圖1 含水率測量系統

本測量系統的激勵源用20 kHz 的正弦波為系統提供穩定可靠的激勵信號。采用DDS 芯片AD9830 和VCCS(壓控電流源)構成的正弦波信號激勵源。AD9380 是AD公司生產的CMOS 數字頻率合成芯片，內部集成了一個32位的相位累加器、正弦和余弦函數表、一個十位的D/A，在其控制下輸出0～50 MHz 的頻率、相位可調的正弦電流信號。

信號調理是通過濾波、運放等方法抑制干擾、放大有用信號。主要由差動放大、程控增益放大、相敏調節和低通濾波構成。采用差動放大器INA118 結合程控增益放大器PGA205 實現10～80 倍的放大范圍，放大后信號由平衡調制/解調芯片AD630 完成，解調后的信號經過低通濾波電路去除正弦載波信號，得到分散相流體流動引起的波動電壓信號。

數據采集設備用PCI－8002 總線數據采集卡，完成波動電壓信號的采集。采集分析軟件采用圖形化編程語言LabVIEW8.5［13-14］，實時顯示并存儲波動電壓波形的變化，經過信號處理進一步去除干擾，在線進行相關的數據處理和數據的分析，最后存儲得到的含水率數據。

2 含水率軟件系統設計

2.1 軟件系統總體框架設計

軟件系統是電極系測量含水率系統中不可缺少的一部分，是將經過信號調理處理后的波動電壓信號再進行模數轉換、信號處理、數據運算及顯示存儲。

2.2 軟件系統程序設計

整個系統采用while 循環作為整體框架以提供實時連續的采集，調用事件結構控制整個系統的開始及結束，初始化、數據采集和數據處理這一核心環節的設計調用條件結構來實現，該系統程序流程圖如圖2 所示。

圖2 含水率軟件系統程序流程圖

2.3 實現軟件系統的具體設計

2.3.1 驅動及AD 采集

PCI－8002 數據采集卡對LabVIEW 提供完備且豐富的支持，他的驅動函數是在底層的基礎函數上進行高度封裝的，所以無需了解復雜的硬件知識和控制細節，可以直接使用上層用戶函數。讀取AD 數據函數與啟動函數、查詢函數配合起來，即可達到數據的連續不間斷采樣.

2.3.2 信號處理

信號在激勵、傳輸、放大的過程中，可能不同程度的受到隨機噪聲的污染和工作環境的影響，特別是在幅度較小的含水率信號采集和測量中，干擾顯得尤其嚴重。而采到的信號大多數是含有噪聲的降質信號，想要對信號分析出理想的結果來，降噪成為信號處理中的必要條件。本文采用近幾年來在信號處理領域越來越廣泛使用的小波去噪［15-16］，利用小波變換技術對信號噪聲進行抑制和去除非平穩信號的噪聲。

小波變換具有多分辨率即多尺度的特點，可以由粗至精地逐步觀察信號，而且在時域和頻域都具有表征信號局部特征的能力，可以方便地從混有強噪聲的信號中提取原始信號。小波變換很適合探測正常信號中夾帶的瞬態反常現象并展示其成分，有效區分信號中的突變部分和噪聲。它的基本思想就是用小波變換將含噪信號分解到多尺度中去，然后在每一個尺度下把屬于噪聲的小波系數去除，保留并增強屬于信號的小波系數，最后重構出小波消噪后的信號。隨著小波變換尺度的增加可以將原始信號邊緣和噪聲產生的毛刺逐漸平滑掉，細節信息由噪聲占主導地位逐漸轉為信號占主導地位。

在含水率測量中，含水率信號是低頻信號即比較平穩的信號，而噪聲信號為高頻信號。鑒于含水率信號的特點，選擇小波變換進行噪聲處理是很合適的。因此我們設計了小波除噪子VI，在軟件系統中直接調用設置合適的參數即可，如圖3 所示。

2.3.3 數據處理

設計并調用I16to64 子VI 將采集到的信號的數據類型I16 轉換為DBL 雙精度浮點型，數據類型決定數據的空間大小與操作方式，轉換后的數據類型的數值范圍變大數值更加精確。為了減小測量誤差，我們采取多個測量值取平均值，將1 ms 內的含水率值累加取平均值，這樣能夠把不可避免的測量誤差大大的平均化到多個值中，到達減小測量誤差的目的。最后調用公式節點計算含水率原理公式得到最終的含水率值。

2.3.4 顯示和存儲

本軟件系統設計了采集、濾波后信號波形和含水率值的實時顯示，不僅可以直觀的看到濾波的效果，還能迅速發現試驗是否正確，及時的調整實驗方案。以二進制的形式存儲的信號波形，供試驗后的進一步使用和研究;以時間為文件名存儲的含水率值實驗數據，格式設置為Excel，更加方便試驗后的計算機處理，大大的減少了處理數據的難度和工作量。含水率軟件系統實時測量前面板如圖4所示。

2.4 室內三相流模擬試驗平臺試驗結果

在室內三相流模擬試驗平臺常溫、常壓條件下，用32礦物機械油、水;測量系統使用的螺桿泵排量是6.01157 m3/h，測量管道的直徑是62 mm。在不同含水率下初步試驗該含水率測量系統，測試結果如表1 所示。

表1 測試結果

綜合分析以上試驗的測量結果可知:經過軟件LabVIEW 的小波濾波處理后的含水率信號比直接采集到的含水率信號平滑，噪聲濾除效果特別明顯，對于準確測量含水率值起到了十分關鍵的作用。油、氣、水三相混合流體的流速對含水率測量結果的影響不大，但當混合流體的含氣量增大到一定程度后會對測量結果產生較大的影響，因為含氣量越大，在管道內流動的混合流體的波動就越大，流體流型變化越大，各相之間的作用及管道摩擦也越大，測量結果的誤差也會變大。樣機測量得到的含水率值總體來講大于實際值的較多，可以通過修正全水時標定的Fw的值進行改善.

3 結 論

(1)本文對電極系含水率測量系統樣機進行了組裝和調試，并進行了多組室內試驗，對試驗測量結果進行了分析，從而驗證了本文中研制的電極系含水率測量系統樣機在高含水率時，含水率的測量較準確，測量誤差都在±6%的范圍之內，達到三相流含水率測量儀器設計的性能指標以及我國高含水率現狀的需求和測量精度要求。

(2)該測量系統能夠實現在線實時測量，滿足油田高含水期含水率精確測量的需要;并且具有測量精度高、抗干擾能力強、統計管理方便等優點。

(3)把LabVIEW 開發平臺應用于原油含水率的測量中，不僅提高了測量精度，還可把大部分精力集中在專業技術上，而不必花很多時間耗費在編程語言上，提高開發含水率軟件系統的效率。

(4)本文中進行的油、氣、水三相流室內模擬試驗的測量管道是水平放置的，以后可以傾斜一定角度或者垂直測量管段進行測量，進一步提高模擬試驗和現場試驗的相似程度。

［1］張國軍，申龍涉，齊瑞，等.原油含水率測量技術現狀與發展［J］.當代化工，2012，41(1):59-62.

［2］徐清華.管道原油含水率測量技術的研究［D］.沈陽:沈陽工業大學，2011.

［3］左芳君，鐘功祥，梁政，等.基于傳感器的融合技術對原油含水率的測量［J］.石油礦場機械，2008，37(3):84-85.

［4］李英偉，孔令富.四電極電導傳感器敏感場的理論分析［J］.化工自動化及儀表，2008，35(1):45-48.

［5］回雪峰，吳錫令.油田開發中后期持水率測井技術研究與展望［J］.地球物理學進展，2004，19(1):61-65.

［6］楊瑞斌，宋章帥.原油含水率測量分析原理與系統應用［J］.山西科技，2011，26(2):103-104.

［7］Asali J C.Interfacial drag and film height for vertical annular flow［J］.AICHE，1985，31:895-902.

［8］Coney M W E.The theory and application of conductance probes for the measurement of liquid film thickness in two phase flow［J］.Phys.E:Scient.Instrum，1973，6:903-910.

［9］Devia F，Fossa M.Geometry Optinization of Impeda-nce Probes for Void Fraction Measurements［A］.International conference of Multiphase Flow［C］，2001.

［10］Devia F，Fossa M.Design and Optinization Impendan-ce Probes for Viod Franction Measurements［J］.Flow Meas Instrum，2003，14:139-149.

［11］Hu Jin-hai，Liu Xing-bin，Zhang Yu-hui.The Application of Cross-correlation Technique Based on Conductance Sensor in Production Wells［C］// The 4th International Symposium on Measurement Techniques for Multiphase Flows.HangZhou，2004:573-578.

［12］劉興斌.井下油/水兩相流測量［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，1996.

［13］戴鵬飛，王勝開，王格芳，等.測試工程與LabVIEW 應用［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［14］陳樹學，劉萱.LabVIEW 寶典［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［15］倪瑩，林植平.小波分析及其去噪應用［J］.南京工業職業技術學院學報，2008，8(2):21-25.

［16］張仁輝，杜民.小波分析在信號去噪中的應用［J］.計算機仿真，2005，22(8):69-72.