基于LabVIEW的含水率测量系统设计

谢 雁 赵 凤 李利品 赵光辉

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 西安 710065;2.长安大学 西安 710064)

0 引 言

原油含水率是油田优化生产和实现智能完井的关键技术，也是对储油层进行特性分析和保护性合理开采的重要依据，通过它来估计原油产量和开采价值，预测油井的开发寿命，提高生产效率，具有非常重大的生产指导意义和价值［1-3］。在高含水条件下，最常用的方法是电阻抗测量法［4］，具有非阻流、无放射性、结构简单、成本低廉、响应速度快等优点，效果明显优于广泛应用的电容法持水率计［5-6］。

已经有许多专家学者做的了大量的研究工作。Asali等人［7］利用环形电极对垂直气液环状流的液厚度和相截面阻力进行了研究，首次提出了环形探针式电极，这也是环形电极在流体测量中的首次应用。Coney［8］描述了平行的电极在液层中表现出来的性质，并提出了液层的厚度和导电性之间的关系的理论处理方法。Devia 与Fossa［9-10］利用非规则形状电极建立了流体等效电导率与流体相含率的线性关系模型。刘兴斌［11-12］利用数学物理方程法求解了纵向环形四电极电导传感器的敏感场分布，并确定了测量电极的放置范围，实现了油水两相流含水率的测量。尽管利用电导法测量两相流已取得了较大进展，基于多源传感器的三相流相含率数据挖掘及信息融合方法还有待于进一步研究。本文为室内三相流模拟试验平台动态监测提供一种新的测量方法，测量理论基础是四级阵列传感器设计与LabVIEW 现代信息处理的融合。该测量系统在室内三相流模拟试验平台实验效果表明，适用于目前我国高含水油田产出液的测量，完全能够满足生产实际的需求，达到了测量系统设计的目标。

1 系统设计

本系统采用基于优化设计的纵向多级阵列电导式传感器设计，测量段是在管径为62 mm 的玻璃钢内壁上平滑镶嵌四个材质为镀银的铜环精制而成，4 个圆形电极环分为两对，分别为激励电极(E1－E2)和相含率测量电极(H1－H2)。该含水率测量系统包括激励源、测量电极、信号调理、信号采集和采集分析与数据处理，如图1所示。

图1 含水率测量系统

本测量系统的激励源用20 kHz 的正弦波为系统提供稳定可靠的激励信号。采用DDS 芯片AD9830 和VCCS(压控电流源)构成的正弦波信号激励源。AD9380 是AD公司生产的CMOS 数字频率合成芯片，内部集成了一个32位的相位累加器、正弦和余弦函数表、一个十位的D/A，在其控制下输出0～50 MHz 的频率、相位可调的正弦电流信号。

信号调理是通过滤波、运放等方法抑制干扰、放大有用信号。主要由差动放大、程控增益放大、相敏调节和低通滤波构成。采用差动放大器INA118 结合程控增益放大器PGA205 实现10～80 倍的放大范围，放大后信号由平衡调制/解调芯片AD630 完成，解调后的信号经过低通滤波电路去除正弦载波信号，得到分散相流体流动引起的波动电压信号。

数据采集设备用PCI－8002 总线数据采集卡，完成波动电压信号的采集。采集分析软件采用图形化编程语言LabVIEW8.5［13-14］，实时显示并存储波动电压波形的变化，经过信号处理进一步去除干扰，在线进行相关的数据处理和数据的分析，最后存储得到的含水率数据。

2 含水率软件系统设计

2.1 软件系统总体框架设计

软件系统是电极系测量含水率系统中不可缺少的一部分，是将经过信号调理处理后的波动电压信号再进行模数转换、信号处理、数据运算及显示存储。

2.2 软件系统程序设计

整个系统采用while 循环作为整体框架以提供实时连续的采集，调用事件结构控制整个系统的开始及结束，初始化、数据采集和数据处理这一核心环节的设计调用条件结构来实现，该系统程序流程图如图2 所示。

图2 含水率软件系统程序流程图

2.3 实现软件系统的具体设计

2.3.1 驱动及AD 采集

PCI－8002 数据采集卡对LabVIEW 提供完备且丰富的支持，他的驱动函数是在底层的基础函数上进行高度封装的，所以无需了解复杂的硬件知识和控制细节，可以直接使用上层用户函数。读取AD 数据函数与启动函数、查询函数配合起来，即可达到数据的连续不间断采样.

2.3.2 信号处理

信号在激励、传输、放大的过程中，可能不同程度的受到随机噪声的污染和工作环境的影响，特别是在幅度较小的含水率信号采集和测量中，干扰显得尤其严重。而采到的信号大多数是含有噪声的降质信号，想要对信号分析出理想的结果来，降噪成为信号处理中的必要条件。本文采用近几年来在信号处理领域越来越广泛使用的小波去噪［15-16］，利用小波变换技术对信号噪声进行抑制和去除非平稳信号的噪声。

小波变换具有多分辨率即多尺度的特点，可以由粗至精地逐步观察信号，而且在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，可以方便地从混有强噪声的信号中提取原始信号。小波变换很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，有效区分信号中的突变部分和噪声。它的基本思想就是用小波变换将含噪信号分解到多尺度中去，然后在每一个尺度下把属于噪声的小波系数去除，保留并增强属于信号的小波系数，最后重构出小波消噪后的信号。随着小波变换尺度的增加可以将原始信号边缘和噪声产生的毛刺逐渐平滑掉，细节信息由噪声占主导地位逐渐转为信号占主导地位。

在含水率测量中，含水率信号是低频信号即比较平稳的信号，而噪声信号为高频信号。鉴于含水率信号的特点，选择小波变换进行噪声处理是很合适的。因此我们设计了小波除噪子VI，在软件系统中直接调用设置合适的参数即可，如图3 所示。

2.3.3 数据处理

设计并调用I16to64 子VI 将采集到的信号的数据类型I16 转换为DBL 双精度浮点型，数据类型决定数据的空间大小与操作方式，转换后的数据类型的数值范围变大数值更加精确。为了减小测量误差，我们采取多个测量值取平均值，将1 ms 内的含水率值累加取平均值，这样能够把不可避免的测量误差大大的平均化到多个值中，到达减小测量误差的目的。最后调用公式节点计算含水率原理公式得到最终的含水率值。

2.3.4 显示和存储

本软件系统设计了采集、滤波后信号波形和含水率值的实时显示，不仅可以直观的看到滤波的效果，还能迅速发现试验是否正确，及时的调整实验方案。以二进制的形式存储的信号波形，供试验后的进一步使用和研究;以时间为文件名存储的含水率值实验数据，格式设置为Excel，更加方便试验后的计算机处理，大大的减少了处理数据的难度和工作量。含水率软件系统实时测量前面板如图4所示。

2.4 室内三相流模拟试验平台试验结果

在室内三相流模拟试验平台常温、常压条件下，用32矿物机械油、水;测量系统使用的螺杆泵排量是6.01157 m3/h，测量管道的直径是62 mm。在不同含水率下初步试验该含水率测量系统，测试结果如表1 所示。

表1 测试结果

综合分析以上试验的测量结果可知:经过软件LabVIEW 的小波滤波处理后的含水率信号比直接采集到的含水率信号平滑，噪声滤除效果特别明显，对于准确测量含水率值起到了十分关键的作用。油、气、水三相混合流体的流速对含水率测量结果的影响不大，但当混合流体的含气量增大到一定程度后会对测量结果产生较大的影响，因为含气量越大，在管道内流动的混合流体的波动就越大，流体流型变化越大，各相之间的作用及管道摩擦也越大，测量结果的误差也会变大。样机测量得到的含水率值总体来讲大于实际值的较多，可以通过修正全水时标定的Fw的值进行改善.

3 结 论

(1)本文对电极系含水率测量系统样机进行了组装和调试，并进行了多组室内试验，对试验测量结果进行了分析，从而验证了本文中研制的电极系含水率测量系统样机在高含水率时，含水率的测量较准确，测量误差都在±6%的范围之内，达到三相流含水率测量仪器设计的性能指标以及我国高含水率现状的需求和测量精度要求。

(2)该测量系统能够实现在线实时测量，满足油田高含水期含水率精确测量的需要;并且具有测量精度高、抗干扰能力强、统计管理方便等优点。

(3)把LabVIEW 开发平台应用于原油含水率的测量中，不仅提高了测量精度，还可把大部分精力集中在专业技术上，而不必花很多时间耗费在编程语言上，提高开发含水率软件系统的效率。

(4)本文中进行的油、气、水三相流室内模拟试验的测量管道是水平放置的，以后可以倾斜一定角度或者垂直测量管段进行测量，进一步提高模拟试验和现场试验的相似程度。

［1］张国军，申龙涉，齐瑞，等.原油含水率测量技术现状与发展［J］.当代化工，2012，41(1):59-62.

［2］徐清华.管道原油含水率测量技术的研究［D］.沈阳:沈阳工业大学，2011.

［3］左芳君，钟功祥，梁政，等.基于传感器的融合技术对原油含水率的测量［J］.石油矿场机械，2008，37(3):84-85.

［4］李英伟，孔令富.四电极电导传感器敏感场的理论分析［J］.化工自动化及仪表，2008，35(1):45-48.

［5］回雪峰，吴锡令.油田开发中后期持水率测井技术研究与展望［J］.地球物理学进展，2004，19(1):61-65.

［6］杨瑞斌，宋章帅.原油含水率测量分析原理与系统应用［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］刘兴斌.井下油/水两相流测量［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，1996.

［13］戴鹏飞，王胜开，王格芳，等.测试工程与LabVIEW 应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［14］陈树学，刘萱.LabVIEW 宝典［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［15］倪莹，林植平.小波分析及其去噪应用［J］.南京工业职业技术学院学报，2008，8(2):21-25.

［16］张仁辉，杜民.小波分析在信号去噪中的应用［J］.计算机仿真，2005，22(8):69-72.