專利名稱：原油含水自動化驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及油田開發(fā)領(lǐng)域中所用的一種化驗(yàn)裝置，具體的說是涉及一種可對
原油含水率進(jìn)行化驗(yàn)的裝置。
技術(shù)背景 目前，在油田開發(fā)領(lǐng)域中對所采出原油進(jìn)行含水率化驗(yàn)主要采取兩種方式。第一種是人工井口取樣后手動化驗(yàn)，即操作人員取出一定數(shù)量的油樣，在化驗(yàn)室內(nèi)使用蒸餾法、電脫法、離心法等測定油樣的含水量，從而獲得油井含水量參數(shù)。這是目前我國油田采用的主要檢測方法。第二種是在線計(jì)量，即在原油管線上安裝在線儀表，使用密度計(jì)、電容、微波等儀器在線測量液體的含水率。以上兩種現(xiàn)有技術(shù)，經(jīng)過長時間的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)都存在著一些缺陷第一種人工井口取樣法，由于井口取樣-化驗(yàn)室化驗(yàn)含水，化驗(yàn)過程中停留在手工操作上，存在工作程序繁雜、準(zhǔn)確率不高的問題。并且其檢測結(jié)果與具體操作者的技能水平有很大關(guān)系，誤差較大。第二種在線計(jì)量法是利用油水的介電常數(shù)不同，深入分析溫度、礦化度等對原油含水測量的影響，通過大量的實(shí)驗(yàn)找出原油含水與輸出信號關(guān)系，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析出一條相關(guān)曲線，并運(yùn)用特殊的電路，結(jié)合雙重檢測，來擬合此條曲線，再通過換算計(jì)算出原油含水的比例。此方法與壓力、流量、溫度、管徑、密度、原油的物性以及含水比例有關(guān)，從資料和現(xiàn)場使用上看準(zhǔn)確率不是很理想。并且價格昂貴，無法普及到單井
實(shí)用新型內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中缺乏一種能夠?qū)υ秃蔬M(jìn)行化驗(yàn)的較好方法的問題，本實(shí)用新型提供一種原油含水自動化驗(yàn)儀，該種原油含水自動化驗(yàn)儀雖然仍基于人工井口采油樣，但是能夠?qū)资畟€井口油樣放置在儀器內(nèi)同時檢測，幾十分鐘內(nèi)便可打印出全部含水化驗(yàn)值，克服了因操作人員技術(shù)水平不同而帶來的誤差，使所測得的原油含水率更加準(zhǔn)確。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是該種原油含水自動化驗(yàn)儀，在儀器殼體內(nèi)以單片機(jī)作為中央微處理器并配置擴(kuò)展存儲器，且具有顯示單元、打印單元，其特征在于[0005] 所述儀器內(nèi)有線陣CCD圖像傳感器，由所述單片機(jī)端口為其輸出四路驅(qū)動信號，分別是時鐘信號、轉(zhuǎn)移脈沖信號、復(fù)位時鐘信號和采樣保持時鐘信號，由此線陣CCD圖像傳感器所提取的變化的電壓信號經(jīng)過二值化處理輸送到所述單片機(jī)； 所述儀器內(nèi)有一個由步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)環(huán)，在轉(zhuǎn)環(huán)上沿同一圓周開有若干試
管固定孔以插入盛裝原油的試管，在所述轉(zhuǎn)環(huán)的內(nèi)、外側(cè)沿試管軸向分別對稱固定有發(fā)光
管陣列和光敏二極管陣列，所述光敏二極管陣列來自于上述線陣CCD圖像傳感器； 所述儀器內(nèi)有一個微波破乳單元，由均勻固定于所述轉(zhuǎn)環(huán)周圍的若干磁控管以及
相應(yīng)控制電路組成，由所述單片機(jī)為該電路起停繼電器的吸合與斷開提供控制信號； 所述儀器內(nèi)有一個重量檢測單元，由置于試管下的壓力傳感器以及接收此壓力傳
感器信號后進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路構(gòu)成，所轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號，輸送到所述單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入口； 所述儀器內(nèi)有一個由移相調(diào)壓器和兩個電極組成的電脫水單元，所述兩個電極分 別位于所述試管的上、下端。 本實(shí)用新型具有如下有益效果應(yīng)用本實(shí)用新型中所述的這種儀器進(jìn)行原油含水 率化驗(yàn)時，原油首先在微波的作用下實(shí)現(xiàn)微波破乳，之后在高壓電場的作用下實(shí)現(xiàn)電脫水， 然后通過線陣CCD圖像傳感器將油、水界面高度值傳送給微處理器，再結(jié)合測得的重量以 及油和水的密度即可得出原油含水率。隨著步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)動，可以將內(nèi)置的多個 試管油樣，甚至是將幾十個井口油樣放置在儀器內(nèi)同時檢測，幾十分鐘內(nèi)便可打印出全部 含水化驗(yàn)值，克服了因操作人員技術(shù)水平不同而帶來的誤差，使所測得的原油含水率更加 準(zhǔn)確。此外，通過與微處理器聯(lián)接的數(shù)據(jù)接口可以利用網(wǎng)絡(luò)將原油含水資料及時準(zhǔn)確地輸 入到開發(fā)數(shù)據(jù)庫中，自動更新含水指標(biāo)，使該指標(biāo)排除人為因素影響，更準(zhǔn)確，更科學(xué)。并且 這種儀器由于集中封閉操作，使得節(jié)能、破乳脫水效果好，遠(yuǎn)高于常規(guī)加熱方法，使工人的 勞動強(qiáng)度大為簡化，提高了工作效率。

圖1是本實(shí)用新型中轉(zhuǎn)環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實(shí)用新型中線陣CCD圖像傳感器感應(yīng)油水界面高度示意圖。 圖3是本實(shí)用新型中微處理器及擴(kuò)展存儲器電氣原理圖。 圖4是本實(shí)用新型中線陣CCD圖像傳感器的電氣原理圖。 圖5是本實(shí)用新型中溫度檢測單元的電氣原理圖。 圖6是本實(shí)用新型中重量檢測單元的電氣原理圖。 圖7是本實(shí)用新型中步進(jìn)電機(jī)控制電氣原理圖。 圖8是本實(shí)用新型中微波破乳單元電氣原理圖。 圖9是本實(shí)用新型中電脫水單元電氣原理圖。 圖10是本實(shí)用新型中LCD顯示電氣原理圖。 圖11是本實(shí)用新型中打印部分的電氣原理圖。 圖12是本實(shí)用新型加入串口通信的電氣原理圖。 圖13是本實(shí)用新型所加入的矩陣鍵盤的電氣原理圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明 此種自動原油含水化驗(yàn)儀，在儀器殼體內(nèi)以單片機(jī)作為中央微處理器并配置擴(kuò)展 存儲器，且具有顯示單元、打印單元，分別如圖3、圖10、圖ll所示。所述單片機(jī)選用微軟公 司51系列的C8051F060型單片機(jī)，擴(kuò)展存儲器選用IDT71V124SA型芯片。此外，儀器還包 括下列部分 首先，所述儀器內(nèi)有線陣CCD圖像傳感器，如圖4所示。"CCD"即"Charge Coupled Device"意即電荷耦合器件，在實(shí)際制作時，選用NEC公司的UPD3575D芯片，芯片為20腳 DIP封裝，芯片上像敏單元數(shù)目為1024，單元大小為14 ii mX 14 ii mX 14 y m，相鄰像元中心 距為14iim，光敏區(qū)域采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元，內(nèi)置采用保持電路、輸
4出放大電路，外觀尺寸為25. 5mmX10mm。 該芯片工作時，通過單片機(jī)端口輸出其四路驅(qū)動信號分別是時鐘①10、轉(zhuǎn)移脈 沖①TG、復(fù)位時鐘①R0和采樣保持時鐘①SHO，當(dāng)線陣CCD圖像傳感器被驅(qū)動后因其光電 特性會有視頻模擬信號Vout輸出，模擬信號Vout在線陣CCD圖像傳感器掃描到油區(qū)和水 區(qū)有明顯的幅值大小區(qū)別，要提取的信息就是這個變化的電壓信號。Vout通過二值化處理 就能得到單片機(jī)能夠直接處理的數(shù)字信號，然后通過CPU內(nèi)預(yù)先固化的算法程序就能得到 相應(yīng)的原油以及水的高度。 其次，所述儀器內(nèi)有一個由步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)環(huán)，如圖1所示，在轉(zhuǎn)環(huán)上沿同 一圓周開有若干試管固定孔以插入盛裝原油的試管。在所述轉(zhuǎn)環(huán)的內(nèi)、外側(cè)的某一個位置 上，沿試管軸向分別對稱固定有發(fā)光管陣列和光敏二極管陣列，所述光敏二極管陣列來自 于上述線陣CCD圖像傳感器。當(dāng)發(fā)光管發(fā)出的光遇到黑色的油后被擋住，相應(yīng)的光敏二極 管陣列感應(yīng)為"0"，遇到透光的水和油上方的空間后，相應(yīng)的光敏二極管陣列感應(yīng)為"1"。 由于所選用的線陣CCD圖像傳感器中感應(yīng)元素以及元素之間隙在幾十微米至幾微米之間， 足以滿足我們對精度的需要。在轉(zhuǎn)環(huán)設(shè)計(jì)方案中，每測量完一個樣品試管，就需要轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動 一定的角度以測量下一個樣品，為了使轉(zhuǎn)動后試管的位置和測量探頭能夠準(zhǔn)確契合，進(jìn)而 得到精確的測量結(jié)果，必須對控制轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確的控制。圖7是本實(shí)用新 型中步進(jìn)電機(jī)控制電氣原理圖，在實(shí)際制作時，我們可以采用基于L297/298驅(qū)動器的混合 式步進(jìn)電機(jī)，其中L297是步進(jìn)電機(jī)控制器，L298是用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的集成電路，采用雙 全橋接方式驅(qū)動，用L297輸出信號可控制L298雙橋驅(qū)動集成電路，用來驅(qū)動電壓最高為 46V，總電流為4A以下的步進(jìn)電機(jī)。L297的核心是其內(nèi)部的譯碼器，通過譯碼器L297產(chǎn)生 三種相序信號，以對應(yīng)三種不同的工作模式即半步模式、整步一相勵磁模式、整步兩相勵 磁模式。譯碼器受L297的方向輸入引腳信號-CW/^，和半步方式/整步方式-HALF/FUIX， 輸入引腳信號所控制。譯碼器內(nèi)部是一個3BIT的計(jì)數(shù)器，加上一些組合邏輯，產(chǎn)生格雷碼 時序信號用于控制L298驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 再次，所述儀器內(nèi)有一個微波破乳單元，其電氣原理圖如圖8所示，由均勻固定于 所述轉(zhuǎn)環(huán)周圍的若干磁控管以及相應(yīng)控制電路組成，由所述單片機(jī)為該電路起停繼電器的 吸合與斷開提供控制信號。本單元的工作原理為水在原油中有四種存在形式，包括游離 水、懸浮水、乳化水和溶解水，待將油樣倒入試管中時，游離水沉入試管底部，原油中存有懸 浮水、乳化水、溶解水三種，其中乳化水分離較難。通過在3X 108 3X 10"Hz之間選擇頻 率的微波照射能大幅提高原油中乳狀液的破乳脫水率。本例中選用2450MHz 915MHz。由 于微波輻射形成的高頻變化的電磁場，使極性分子高速旋轉(zhuǎn)，破壞油水界面的Zeta電位， 當(dāng)液珠失去Zeta電位的作用后，容易碰撞聚并，導(dǎo)致油水分離，這樣原油中的懸浮水、乳化 水、溶解水聚并成小水滴，在重力的作用下，向下沉淀，又由于微波形成的磁場還能使非極 性的油分子磁化，形成與油分子軸線成一定角度的渦旋電場，該電場能減弱分子間的引力， 降低油的粘度，從而增大油水的密度差，使乳狀液更易破乳脫水。 本例中，可將4個磁控管勻稱地安放在微波室前后，為了使微波均勻，可采用先后 次序地輻射，在系統(tǒng)中通過微處理器發(fā)出指令信號，使與CPU通用I/O 口相連的控制磁控管 電源的繼電器吸合，磁控管工作進(jìn)行微波破乳。 與上述微波破乳單元相承接的為電脫水單元，本儀器內(nèi)有一個由移相調(diào)壓器和兩個電及板組成的電脫水單元，所述兩個電極板分別位于所述試管的上、下端，其電氣原理圖 如圖9所示。在微波破乳后，為了加速油水的分離速度，在試管上下兩端施以3-5萬伏交、 直流高壓，繼續(xù)破乳、分離，但此時更側(cè)重于分離。水滴在高壓電場中，發(fā)生變形和產(chǎn)生靜電 力，從而促使水滴克服油膜的障礙而彼此聚結(jié)成粒徑較大的水滴，從原油中沉降分離出來。 達(dá)到油水快速分離目的，聯(lián)合站中五合一罐便是一個交直流電脫水法分離的例子。不過，此 過程也可以不要，但靜止時間稍長，可達(dá)五十分鐘左右。在此單元中，高壓電源通過市電經(jīng) 由一個移相調(diào)壓器輸出后升壓實(shí)現(xiàn)，移相調(diào)壓器的型號為EUV-65A，可通過調(diào)節(jié)變阻器的阻 值，改變輸出從而得到脫水效果最好的電壓。 此外，所述儀器內(nèi)有一個重量檢測單元，如圖6所示，由置于試管下的壓力傳感器 以及接收此壓力傳感器信號后進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路構(gòu)成，所轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號，輸 送到所述單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入口。這樣，利用壓力傳感器，置于試管下，當(dāng)微弱的電流流過傳 感器時，由于壓力發(fā)生變化，壓力傳感器兩端電壓發(fā)生變化，經(jīng)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號，傳到微處理芯片處理，結(jié)合其他參數(shù)可以得出此次化驗(yàn)油樣的比重。 除上述組件外，為了保證破乳效果，還可以加入一個溫度檢測單元，如圖5所示， 利用溫度傳感器，置于試管上，當(dāng)微弱的電流流過傳感器時，由于溫度發(fā)生變化，溫度傳感 器兩端電壓發(fā)生變化，經(jīng)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳到微處理芯片處理， 當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時，停止微波輻射，做到模塊單元個性化微波輻射，使破乳效果更好?？梢允?用數(shù)字式溫度傳感器DB1820實(shí)現(xiàn)溫度檢測，該傳感器只有三個管腳，分別是電源、地以及 用于直接向CPU輸入數(shù)字信號的DQ管腳，使用起來非常方便，編程簡單。 本實(shí)用新型的具體操作過程如下 1 、將儀器放在工作臺上，調(diào)整裝置以保證其處于水平狀態(tài)。 2、打開電源按鈕，在單片機(jī)空之下除高壓、微波電源外開始自檢，包括CCD線陣 列、溫度檢測、重力檢測、顯示、打印等。 3、化驗(yàn)員通過特制工具，將樣桶中的油樣取出，倒入試管中。將試管放入轉(zhuǎn)環(huán)中， 同時通過矩陣鍵盤輸入樣品標(biāo)號和待測樣品的數(shù)量，并通過LCD顯示，按順序?qū)⒋郎y所樣 本放置完畢后，執(zhí)行下一步。 4、關(guān)閉上蓋，按啟動按鈕，根據(jù)微處理芯片的指令，磁控管控制繼電器吸合，驅(qū)動 微波室里相應(yīng)的磁控管開始工作，同時溫度檢測單元開始實(shí)時檢測微波室內(nèi)的溫度，在達(dá) 到預(yù)設(shè)的微波輻射時間或在沒有達(dá)到輻射工作時間而提前達(dá)到溫度預(yù)定值時，繼電器斷 開，相應(yīng)磁控管停止工作。此過程大概不超過三分鐘。 5、微波處理過后，乳化液破乳脫水，為了達(dá)到快速徹底的分離，通過高壓電源在試 管上下兩端加3-5萬伏交直流高壓，繼續(xù)破乳分離，此過程大概需要25分鐘。預(yù)設(shè)的加壓 時間到時，斷開高壓電源。如果3-5萬伏靜止高壓后，溫度仍未降下來，微處理器將根據(jù)實(shí) 際情況通過冷卻控制繼電器吸合，打開風(fēng)扇冷卻。 6、通過線陣CCD圖像傳感器檢測油水界面高度，通過CPU的驅(qū)動，發(fā)光二極管LED 陣列發(fā)出藍(lán)光，線陣CCD圖像傳感器中光敏二極管陣列接收從LED透射穿過待測試管的光 信號，如圖2所示，通過透鏡的聚焦感應(yīng)光信號強(qiáng)度的變化，根據(jù)CPU程序預(yù)設(shè)的算法，計(jì)算 出油水界面的高度，再結(jié)合上面所測得的重量以及其它已知參數(shù)得出原油中的含水值。
體計(jì)算如下設(shè)試管的內(nèi)截面積為S，通過感應(yīng)光信號強(qiáng)度的變化，可知液面高度hy和hs的液面高度。 原油比重r。的計(jì)算 先計(jì)算第一支試管，以第一號試管為標(biāo)準(zhǔn)樣品試管，根據(jù)試管中液的高度hy、油水
面高度、、重量Gy、水的比重為l，計(jì)算出油的比重 [畫]r。 = (Gy_hsS)/((hy_hs)s) r?？勺鳛檫@一地區(qū)的原油比重，也可人為輸入原油比重，但不靈活。在這里我們指 定CCD陣列所處試管位置為測試位置。 在第一支試管檢測完畢后，控制步進(jìn)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動一定角度，將待測樣品試
管置于測試位置上，通過公式hs/(hs+(hy-hs)r。)即可計(jì)算出原油含水值。
經(jīng)過大量的試驗(yàn)證明，本實(shí)用新型與常規(guī)加熱化驗(yàn)方法相比有如下優(yōu)點(diǎn) 1)使原油含水資料能及時準(zhǔn)確地聯(lián)入開發(fā)數(shù)據(jù)庫，自動更新含水指標(biāo)，使該指標(biāo)
排除人為因素影響，更準(zhǔn)確，更科學(xué)。 2)節(jié)能、破乳脫水效果好。遠(yuǎn)高于常規(guī)加熱方法。 3)使工人的勞動強(qiáng)度大為簡化，提高了工作效率。 4)應(yīng)用簡便、直觀，LED顯屏顯示含水率；提供數(shù)據(jù)打印功能；提供RS232標(biāo)準(zhǔn)通
訊接口。 5)安裝方便、運(yùn)行可靠、高環(huán)保、長壽命。
權(quán)利要求一種原油含水自動化驗(yàn)儀，在儀器殼體內(nèi)以單片機(jī)作為中央微處理器并配置擴(kuò)展存儲器，且具有顯示單元、打印單元，其特征在于所述儀器內(nèi)有線陣CCD圖像傳感器，由所述單片機(jī)端口為其輸出四路驅(qū)動信號，分別是時鐘信號、轉(zhuǎn)移脈沖信號、復(fù)位時鐘信號和采樣保持時鐘信號，由此線陣CCD圖像傳感器所提取的變化的電壓信號經(jīng)過二值化處理輸送到所述單片機(jī)；所述儀器內(nèi)有一個由步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)環(huán)，在轉(zhuǎn)環(huán)上沿同一圓周開有若干試管固定孔以插入盛裝原油的試管，在所述轉(zhuǎn)環(huán)的內(nèi)、外側(cè)沿試管軸向分別對稱固定有發(fā)光管陣列和光敏二極管陣列，所述光敏二極管陣列來自于上述線陣CCD圖像傳感器；所述儀器內(nèi)有一個微波破乳單元，由均勻固定于所述轉(zhuǎn)環(huán)周圍的若干磁控管以及相應(yīng)控制電路組成，由所述單片機(jī)為該電路起停繼電器的吸合與斷開提供控制信號；所述儀器內(nèi)有一個重量檢測單元，由置于試管下的壓力傳感器以及接收此壓力傳感器信號后進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路構(gòu)成，所轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號，輸送到所述單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入口；所述儀器內(nèi)有一個由移相調(diào)壓器和兩個電極組成的電脫水單元，所述兩個電極分別位于所述試管的上、下端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原油含水自動化驗(yàn)儀，其特征在于所述儀器內(nèi)有一個溫度 檢測單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的原油含水自動化驗(yàn)儀，其特征在于所述線陣CCD圖像傳 感器為NEC公司UPD3575D型線陣CCD圖像傳感器，所述單片機(jī)選用微軟公司51系列的 C8051F060型單片機(jī)，擴(kuò)展存儲器選用IDT71V124SA型芯片。
專利摘要一種原油含水自動化驗(yàn)儀。主要解決現(xiàn)有技術(shù)中缺乏一種能夠?qū)υ秃蔬M(jìn)行化驗(yàn)的較好方法的問題。其特征在于所述儀器內(nèi)有線陣CCD圖像傳感器；所述儀器內(nèi)有一個由步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)環(huán)，在轉(zhuǎn)環(huán)上沿同一圓周開有若干試管固定孔以插入盛裝原油的試管，在所述轉(zhuǎn)環(huán)的內(nèi)、外側(cè)沿試管軸向分別對稱固定有發(fā)光管陣列和光敏二極管陣列，所述光敏二極管陣列來自于上述線陣CCD圖像傳感器；所述儀器內(nèi)有一個微波破乳單元；所述儀器內(nèi)有一個重量檢測單元；所述儀器內(nèi)有一個由移相調(diào)壓器和兩個電極組成的電脫水單元。該種儀器能夠?qū)Χ鄠€井口油樣同時檢測，避免了人為誤差，使所測得的原油含水率更加準(zhǔn)確，同時使原油含水化驗(yàn)更加簡便，節(jié)省了人工。
文檔編號G01N9/36GK201464327SQ20092010049
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者樂建君, 李云祥 申請人:李云祥;樂建君