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一种用于油包水测量的微波谐振腔传感器
普拉弗尔·夏尔马·阿马埃诺、老李云、焦亚·法尔科内
关键词:
微波谐振器传感器的水液比
多相流测量
多相流水液比的在线监测是石油生产、加工和运输的关键。该领域的常规做法是手工采集离线样本进行实验室分析，这延迟了数据的可用性，阻碍了实时干预和优化。WLR范围下限(0 - 5%)的在线测量，特别是原油的计量和保管转移，需要一种高精度、鲁棒的传感方法，以确保足够的流量保障预防和补救措施。这需要一个高度敏感的传感原理和一个高度精确的测量仪器，以一种足够健壮的方式封装在一起，在现场使用。本文提出了一种基于开放微波腔谐振器和近壁面微扰的非干涉测量WLR的传感原理。提出了利用圆柱形谐振腔的电磁条纹场来探测管壁附近的液体。两种圆柱形谐振腔模式TM010和TM011通电进行测量，谐振频率的位移用于估计液体介电常数和WLR。利用微波频率范围为4ghz至7ghz的电磁仿真进行概念验证和灵敏度研究。制作了一个传感器样机，并在WLR范围0-5%的流动油水混合物中演示了其功能。在TM010和TM011模式下，该传感器的频率范围分别为4.4-4.6 GHz和6.1-6.6 GHz。TM011模式显示出比TM010模式(3.8 MHz/WLR)更高的灵敏度(41.6 MHz/WLR)。该传感器由一个直径为30毫米的20毫米高圆柱体和聚醚-醚-醚-酮(PEEK)填充体组成。该传感器的非侵入性，以及谐振位移的高灵敏度，使其具有很强的实际应用价值。
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1. 介绍
在石油生产、加工和运输过程中，多相流中水分流失的监测是必不可少的。传统上，离线采样是在现场进行的，在流体分析实验室中用于测量WLR，这使得数据的可用性是一个漫长的过程，缺乏实时信息。这反过来又拖延了外地的业务决定，这可能会导致未经规划的进程和生产损失。对WLR进行精确的在线测量是非常必要的，但事实证明，在WLR范围的低端，尤其是在需要高精度[1]的情况下，具有挑战性。在线WLR测量仪(有时也称为含水率测量仪)通常是基于对油水混合物[1]介电常数、密度、红外或伽马射线光谱吸收特性的一种或多种测量方法。
在这些方法中，利用油和水介电常数的对比来进行WLR的检测已经成为研究的课题
lowast;通讯作者。
广泛的学术和工业研究。Dykesteen等人提出的最早的建议之一是[2]，包括使用两个绝缘电极和它们之间流动的多相混合物对流体馏分进行非侵入性测量的方法。测量了电阻抗，并用它来估计水、石油和天然气的组分。虽然测量不确定度和仪器漂移问题限制了它们对高精度要求的使用，但基于电容的方法也得到了发展。Hammer等人的[3]演示了一种螺旋状电容电极系统，用于油水混合物中的水分数，重复性优于1.5%[3]。他们还证明了螺旋形电极对流动状态变化的依赖性较小。Sami等人[4]研究了用于确定两相管道中体积分数的各种电容设计，并得出结论，双螺旋电极在各种流态下提供了最实用的线性传感器响应。Demori等人[5]提出了一种解决导电水存在下电容式传感问题的方法，引入寄生耦合，将杂散元件引入管道测量段之外。他们提出了一种新的传感器结构
采用保护电极，耦合到一个定制的电子接口来驱动保护电极。Chen等人研究了一种同轴电容传感器，并在垂直向上的油水两相流实验中进行了验证，有效地将时频分析应用于低含水率下的含水率估计。
基于电层析成像的方法已经引起了人们的兴趣，特别是多相流成像和相分数估计，尽管工业版本的现场使用仍在开发中。杨[7]对电容层析成像技术进行了广泛的综述，并提供了设计指导。在WLR范围的低端(0-5%)，测量问题尤其复杂，当油水混合物和单独的油之间的介电常数(r)对比度较差时，对要求高精度[8]的应用来说是一个挑战。
由于在电信行业快速发展的推动下，越来越多的精确电子产品的可用性，基于微波的传感解决方案已经迅速出现，用于鲁棒和准确的WLR测量。Castle等人开发了最早的用于原油含水率测量的微波传感系统之一。基于微波的传感原理可以分为基于波传输、反射和共振的方法。Nyfors[10]系统地综述了各种工业微波传感方法。
基于微波谐振的原理具有较高的精度和抗仪器漂移[10]的鲁棒性，具有很强的现场应用价值。基于微波的侵入式谐振传感器在油田实际应用中得到了成功的验证，并提供了商用[11]。它们也被用来估计存在于多相混合物[12]中的水的电导率和盐度。Nyfors[13]开发了一种检测多相流中相分数的侵入式谐振器方法，特别适合于湿气应用。它由翅片谐振器组成，作为管道的侵入性特征，在管道结构中创建谐振器。随后，利用非侵入式微波谐振器开发了其他几种传感原理。Wylie等人的[14]演示了一种谐振腔传感器原理，它是非侵入性的，在100-350 MHz范围内传输低功率(10mw)的射频。他们进一步开发了工业版本的传感器，并在工业流程设置中进行了测试。Karimi等人[15,19]开发了一种采用t谐振器设计的平面微波传感器，用于在整个工作范围(0%-100% WLR)进行非侵入式WLR传感。该方法采用直接在管道表面上打印3D打印掩模的丝网印刷。t谐振器的谐振频率随油中水分数从0%到100%的变化，在90 MHz - 190 MHz频段(111%)变化。
表面微扰法由于其提供的近壁测量方法，即使在有气体存在的情况下也能有效地测量液体的性质，因此得到了研究的重视。此外，还评估了基于共振的微波传感器的高要求应用，如废水与非常低浓度的石油[16]。Ni和Ni[17]描述了一类用于一般应用的非侵入式微波谐振器传感器，称为腔外扰动法。奈福斯[18]提出了一种基于微波介质谐振器表面扰动的传感原理，并将其应用于湿式气体流动中。
Zarifi等人[20]建立了一种调谐至5.25 GHz的微波平面环形谐振器传感器，为液-液界面检测提供了一种非接触式方法。结果表明，该传感器可用于多种介电常数的水-橄榄油-乙醇样品的界面检测。在估计过程中除了利用谐振频率外，还利用谐振器的质量因子(Q-Factor)来提高传感器的鲁棒性。
采用单模和多模谐振腔[21]对原油中水的破乳进行了研究。
Oon等人研究了一种圆柱形微波谐振器传感器，用于监测两相流系统和被测相介电常数的变化，以区分空气、水和油的体积分数。微波在5-5.7 GHz范围内被用于分析管道中气-水和油水两相分层流动，显示了在全范围内检测水分数变化的能力。
Zarifi和Daneshmand[23]提出了一种采用有源反馈环辅助的平面微带微波谐振器的非接触式液体传感器。该传感器能够在0-8厘米的距离内以非接触方式工作。在1.52 GHz的谐振频率下，有源环路技术可以将空气中的初级q因子从210提高到500,000。该装置用于区分水、乙醇、甲醇、异丙醇和丙酮。此外，还演示了微带微波谐振器传感器在监测有耗介质[24]中固体颗粒沉积中的应用。
al - kizwini等人提出了一种基于电磁波谐振腔的非侵入式传感器。它利用谐振器内发生的共振频率位移，确定和监控管道中两相(石油和天然气)的体积百分比。温度对液体介电常数有显著影响，特别是对水。它还影响微波谐振器测量的谐振频率，因此对温度[26]引起的测量变化进行补偿是很重要的。
从文献综述中可以看出，随着多相流测量的应用，基于微波谐振器的传感原理得到了越来越多的关注。本文针对在线近壁WLR传感的需要，提出了一种频率范围为4.4-4.6 GHz和6.1-6.6 GHz的新型非侵入式表面微扰微波谐振腔，其有源模态分别为TM010和TM011。通过对两相(油水)流动中低水稳性的测量，并在恒温条件下进行了仿真和实验，验证了该方法的可行性。
2. 传感原理
所提出的圆柱谐振腔传感器与流动液体接触的原理图如图1所示。传感器的平开表面与液体相互作用，以测量它的单位
图1所示。研究了微波谐振器传感器与油水流场的相互作用。
mittivity。该传感器的一个重要特点是利用谐振腔的条纹场探测管道壁面附近的液体流动。这使得传感器在物理上不具有侵入性，而只有感应电磁(图中的EM)条纹场才能穿透管道。
该传感器的谐振频率随液体介电常数的变化而变化，然后用来估计水听电阻率。由于传感器只探测到管壁附近流动混合物的一小部分，因此需要均匀混合的液体来进行准确的估计。
2.1。谐振腔微扰法
在使用谐振腔微扰的传统方法中，要表征的材料被放置在电磁场中预定的位置，通常在谐振腔内。然后，利用预先定义的模型或校准曲线，从谐振频率和谐振q因子的位移估计材料的介电常数。
微扰测量原理假定，当测试材料占谐振腔体积的一小部分时，谐振腔的整体电磁场与无扰动谐振腔的电磁场相差不大。这种由测试材料引起的小扰动的假设，一旦被违反，可能会导致共振模式转换到另一种模式，甚至共振完全消失。如果材料占据谐振腔体积的很大一部分，并且/或具有高损耗介电常数(具有高微波吸收的材料，如盐水)，就可能出现这种情况。因此，传统的空腔微扰方法在这种情况下是无效的。解决这一问题的另一种方法是将样品置于谐振腔外部，但仍然通过谐振腔的倏逝场或边缘场与谐振腔耦合。在这种情况下，由测试材料引起的腔体微扰可以很小，共振微扰要求仍然可以满足。这些方法属于所谓的腔外微扰方法[17]，与传统的谐振腔微扰方法相比，它们有可能在测试介质的介电常数范围内发挥更大的作用。
图2显示了腔的扰动。
作为推广，空腔谐振器部分填充材料用符号v表示，符号Vc和Vs分别表示控制体积和供给体积。E1和H1表示未扰动腔的电场和磁场，
图2所示。a)无扰动腔。b)摄动腔。
图3所示。基于柱形微波谐振腔条纹场的传感原理。
分别。麦克斯韦旋度方程[17]推导出如下方程:
式中，为未受扰腔的谐振频率，为受扰腔谐振频率的位移。谐振腔受介电常数()和/或磁导率()变化的扰动。式(1)表示谐振腔谐振频率的增加或减小。
本文提出了一种开放式圆柱型微波腔传感器。圆柱形谐振腔传感器由介质填充材料填充。谐振器传感器封装在金属腔内;圆柱体的一个平面是非金属的，用于利用谐振腔外的边缘电磁场探测液体(图3)。谐振腔的金属平面端采用同轴馈电，在微波频率下激励谐振腔。
同轴馈电按顺序提供微波扫频，并使用矢量网络分析仪(VNA)测量来自馈电的反射信号。由于谐振器的储能和分频作用，在谐振频率处端口电压反射系数最低，在传统理论[27]中称为S11。由于谐振腔开口端边缘场穿透液体，液体的介电常数影响谐振频率。通过测量谐振频率，利用经验标定方程，估计了液体的介电常数，并将其应用于混合模型中，估计了水稳性。
2.2。腔体谐振器的设计方法
传统的微波圆柱腔谐振器是以圆波导的形式存在的，其金属边界在弯曲端和平面端。建立了这种圆柱形金属谐振腔共振频率估计的解析式。然而，提出的传感原理需要
P. Sharma等/传感器和执行器B 262 (2018) 200-210 203
图4所示。圆柱形空腔谐振器。
所述腔体要用介质填料填充，所述圆柱形腔体的平端之一为非金属，向所述测试介质开放。对于这种几何形状的谐振频率，目前还没有一个解析式，因此，为了合理的设计指导，我们使用了闭端公式来估计无扰动谐振腔的谐振频率。对开放式微波谐振腔的实际谐振频率进行了仿真和实验研究。
图4给出了封闭圆柱腔谐振器的例子。这里，#39; a #39;和#39; d #39;分别是圆柱腔体的半径和高度。在谐振腔内，电场和磁场在腔内振荡，功率在金属壁面和介质填充材料内耗散。介电填料也影响谐振频率和q值。
圆柱腔中有两类模态:横向电模态(TEmnp)和横向磁模态(TMmnp)，这取决于电场或磁场的方向在圆柱轴上是否有矢量分量。索引“mnp”表示圆柱坐标系中r、z方向的场模式模态节点。谐振频率与封闭腔的尺寸和填充材料的介电性能有关。(2)和(3)[27]。
(fr) TMmnp =
1
2radic;ε(
中性粒细胞
一个
)
2
(p d)
2 (2)
其中Jm(Pmn) = 0
图5所示。a) TM010模式b) TM011模式的电场(实线)和磁场(虚线)。
式中:Jm为m阶贝塞尔函数;Pmn和P #39;mn分别为Jm的n次方根和导数;J (P #39;mn) = 0。符号“p”表示模式索引“mnp”的第三个维度。
参照图4中的符号，在二维gt; 2a gt; d的情况下，圆柱腔的两种基本TM模态为TM010和TM011。图5为封闭圆柱谐振腔中TM010模和TM011模的电场(实线)和磁场(虚线)分布图。可以看出，磁场平行于腔底，垂直于电场，这是TM模态的一个条件。
当封闭腔体位于圆柱体底部平面边界处为非金属时，平面处的介质填充体暴露于其周围介质中。当介质表面与液体接触时，谐振频率随液体介电常数的变化而变化。传感器的谐振频率、fr、传感器与封闭腔,fr和共振转移f的函数混合物介电常数(εm),根据方程4 TEmnp模式或方程5 TMmnp模式:
(fr,传感器)TEmnp = (fr) TEmnp f (?) TEmnp (4)
(fr,传感器)TMmnp = (fr) TMmnp f(εm) TEmnp (5)
2.3。王俐人估计模型
从参考频率测量传感器的频移用于实证换能器模型来估计液体混合物的介电常数(εm)。图6给出了基于介电常数的油水混合物传感器的估计流程。水的介电常数(εw),油介电常数(εo)和混合物介电常数(εm)是用于混合模型来计算王俐人。利用Stogryn[28]建立的模型可以计算已知水温
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