伽马射线探测系统及信号校准和混合介质相分率计算方法技术方案

本发明专利技术涉及一种伽马射线探测系统及信号校准和混合介质相分率计算方法，其包括探测组件、FPGA模块和单片机；探测组件中的流量计本体设置在流体管道外侧，位于流量计本体两侧分别设置有与流体管道连通的放射源安装腔和采集器安装腔；放射源安装腔的端部腔壁上位于轴心上设置有射线穿出孔，该射线穿出孔经第一密封垫密封；采集器安装腔的腔壁上设置有射线穿入孔，该射线穿入孔经第二密封垫密封；放射源安装腔内设置有伽马射线放射源，采集器安装腔内设置有伽马射线采集器；伽马射线放射源发出的伽马射线经第一密封垫、流体管道、第二密封垫后照射到伽马射线采集器上。本发明专利技术系统结构简单，快速实现偏移计算和偏移校正，最终检测曲线更精确。

Gamma Ray Detection System, Signal Calibration and Calculation Method of Phase Separation in Mixed Media

The invention relates to a gamma ray detection system, signal calibration and phase fraction calculation method for mixed media, which includes detection module, FPGA module and microcontroller; the flowmeter body in the detection module is arranged outside the fluid pipeline, and the radiation source installation chamber and the collector installation chamber connected with the fluid pipeline are arranged on both sides of the flowmeter body; and the end chamber of the radiation source installation chamber is arranged on both sides of the flowmeter body. A ray perforation hole is arranged on the wall at the axle center, and the ray perforation is sealed by the first sealing pad; a ray perforation hole is arranged on the wall of the collector installation chamber, and the ray perforation hole is sealed by the second sealing pad; a gamma ray radiation source is arranged in the radiation source installation chamber, and a gamma ray collector is arranged in the collector installation chamber; and a gamma ray radiation channel emitted by the gamma ray radiation source is arranged in the collector installation chamber. The first gasket, the fluid pipeline and the second gasket are irradiated on the gamma ray collector. The system has the advantages of simple structure, fast migration calculation and correction, and more accurate final detection curve.

【技术实现步骤摘要】
伽马射线探测系统及信号校准和混合介质相分率计算方法
本专利技术涉及一种油田油、气、水三相流中含水率测量
，特别是关于一种伽马射线探测系统及探测信号快速校准和油气水混合介质的相分率计算方法。
技术介绍
近二十年来，随着数字化智能油田的开发，国内如大庆油田、长庆油田对测量含水率的仪器仪表-含水仪提出了新的需求。含水仪朝着低成本、更安全、更智能且能容忍一定自由气或溶解气的方向发展。目前市面上的含水仪通常分为两大类，基于射线技术的含水仪和非射线技术含水仪：(1)射线技术含水仪通常基于单能级伽马射线对管道中油、水混合物进行原子级别的测量，不受介质流型流态及结蜡的影响，在油-水两相含水率全范围0-100％之间，其测量绝对误差基本在±2％范围内，整体测量精度优于非射线技术含水仪。另外，射线技术仪表通常是非接触测量，管道中无须布置插入件，对流体无阻挠，不受结蜡及流体中杂质影响，具有更优的适用性。但射线因为其复杂的防护和安全环保要求以及可能潜在的危险因素，使其在油田使用受到一定的限制，无法普遍采纳。(2)非射线技术含水仪一般基于微波、红外线、电容电导等技术。该类技术优点是成本低廉，安全，无射线辐射顾虑。但缺点也很明显，首先受限油水乳化、泡沫(油田开采过程中无法消除的现象)影响；其次这类仪表往往需要接触测量介质，布置的探头、探针等需伸入到管道内部，会阻挠流体，受结蜡影响，当流体中有杂质时，有时甚至引起阻塞，从而使得测量失效。在油田生产过程中，随着压力的波动，会有部分天然气从原油中释放出来，以自由气的形态存在于流体中，形成油气水三相流。所以，无论是射线技术还是非射线技术含水仪在测量油田单井含水率的过程中，实际是测量油气水三相流中的含水率。当自由气非常少量时，气相以气泡存在，随着含量的增加，将会形成连续气相。上述无论单能级射线含水仪还是非射线技术含水仪，均无法解决有气相存在情况下的含水率测量。即便是气泡的存在对其精度影响也不容忽视，若气相形成连续相，这两类含水仪将完全失效。目前，在测量密闭管道中的组分时，有文献提到采用豁免原进行检测，但是在信号采集和信号处理过程中，容易受到外部环境干扰，导致能谱图的位置及形状发生改变，以下称之为能谱偏移，进而使同样介质状态下，检测精度低。对于上述缺陷，现在采用的方案为：通过控制伽马传感器组件所处环境的温度或者通过实时调整光电倍增管的高压以控制探测器输出稳定的能谱数据，但是经过实践证明以上两种方案存在时间滞后，反映速度慢，影响测量精度的问题。基于上述问题，有必要提出一种新的技术方案，来克服上述缺陷。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种伽马射线探测系统及探测信号快速校准和油气水混合介质的相分率计算方法，其采用豁免源进行管道组分测量，在不改变控制器计算速度的情况下，实现了信号快速处理和能谱位置实时判断的功能，并通过对能谱位置的跟踪，对能谱取数范围进行实时快速调整。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种伽马射线探测系统，其包括探测组件、FPGA模块和单片机；所述探测组件将探测到的流体管道中组份信息传输至所述FPGA模块内，所述FPGA模块将接收到的组份信息传输至所述单片机，并接收所述单片机反馈至的控制信号；所述探测组件包括流量计本体、伽马射线放射源、伽马射线采集器、放射源安装腔、采集器安装腔、第一密封垫和第二密封垫；所述流量计本体设置在所述流体管道外侧，位于所述流量计本体两侧分别设置有与所述流体管道连通的所述放射源安装腔和采集器安装腔；所述放射源安装腔的端部腔壁上位于轴心上设置有射线穿出孔，该射线穿出孔经所述第一密封垫密封；所述采集器安装腔的腔壁上设置有射线穿入孔，该射线穿入孔经所述第二密封垫密封；所述放射源安装腔内设置有所述伽马射线放射源，所述采集器安装腔内设置有所述伽马射线采集器；所述伽马射线放射源发出的伽马射线经所述第一密封垫、所述流体管道、所述第二密封垫后照射到所述伽马射线采集器上。进一步，所述单片机内设置有数模转换模块和控制器；所述伽马射线放射源发出的伽马射线穿过所述流体管道后照射到所述伽马射线采集器上，所述伽马射线采集器经所述FPGA模块与所述数模转换模块连接，所述数模转换模块与所述控制器连接，所述控制器与上位机连接。一种基于上述探测系统的伽马射线探测信号快速校准方法，其包括以下步骤：S1：初始化；控制器启动后向探测组件供电，使其正常工作；并设定稳峰采集周期、稳峰采集起点、能谱采集周期、能谱采集起点和标准能谱；S2：控制器根据稳峰采集周期、稳峰采集起点以及FPGA模块读取的探测信号，判断探测信号是否处于稳峰状态；若是，进入步骤S3；否则进入下一稳峰采集区段，返回步骤S2；S3：控制器发送读取命令，根据能谱采集周期、能谱采集起点从探测信号获取对应的能谱数据；并采集任意连续两个能谱采集地址间的脉冲累计计数；S4：控制器将获取的能谱数据发送至上位机，并绘制得到能谱图，对能谱道数进行编号；S5：控制器根据绘制的能谱图与标准能谱作对比，若一致，则输出该能谱图对应的能谱数据；否则进入步骤S6；S6：控制器对能谱图进行卷积计算，并结合标准能谱计算能谱偏移量；S7：根据能谱偏移量对能谱图进行偏移校正，返回步骤S5。进一步，所述步骤S2中判断是否进入稳峰状态的具体步骤为：S21：控制器读取探测信号，并根据稳峰采集周期、稳峰采集起点得到稳峰判定区段；S22：设定稳峰判定区段任意时间点作为对称中心点，分别获取该对称中心点前后N个脉冲波峰对应位置；S23：对比该对称中心点前后N个脉冲以及N个脉冲波峰对应位置的对称比例：若对称比例大于预先设定的对称比例，则判定进入稳峰状态；否则，返回设定下一稳峰采集周期时间点为稳峰采集起点后，返回步骤S22。进一步，所述步骤S6中，控制器对能谱图进行卷积计算，并结合标准能谱计算能谱偏移量的具体步骤为：S61：控制器根据能谱采集周期、能谱采集起点任意获取一段X字的能谱作为待检测能谱；并设定Y＝1；S62：从标准能谱中任意选择连续的x字的标准能谱，得到第一能谱；根据能谱采集起点，从待检测能谱中任意选择连续的x字的待检测能谱，得到第二能谱；S63：对第一能谱、第二能谱中所有的波峰对应时刻分别编号；S64：将第一能谱、第二能谱编号相同所对应的峰值一一对应相乘后累加，得到第Y次累加值；S65：判断Y是否等于Z，若等于则进入步骤S66；否则，将能谱采集起点向后移动一个字，并设定Y＝Y+1后返回步骤S62；S66：比较Z次累加值的大小，其中累加值最大所对应的第二能谱所对应的最大峰位与标准能谱最大峰位的差值，即为能谱偏移量。进一步，所述能谱偏移量由卷积计算公式计算得到累加值最大值，在算得累加值最大值时读取能谱的峰位值，其中标准能谱为初始阶段写入的能谱，然后由卷积计算的最大值时的峰位值减去标准能谱的峰位值，即为峰位偏移量。进一步，所述峰位偏移量d为：d＝pM(max)-pB，其中，d为峰位偏移量，pM(max)为累加值M(Y)算得最大值时读取的峰位值，pB为标准能谱的峰位值。进一步，所述步骤S6中，根据能谱偏移量对能谱图进行偏移校正的公式为：式中，H为校正后能谱道数；h为原设定能谱道数；d为能谱偏移量；p为峰位道数。一种基于上述探测系统的油气水混合介质的相分率计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种伽马射线探测系统，其特征在于：包括探测组件、FPGA模块和单片机；所述探测组件将探测到的流体管道中组份信息传输至所述FPGA模块内，所述FPGA模块将接收到的组份信息传输至所述单片机，并接收所述单片机反馈至的控制信号；所述探测组件包括流量计本体、伽马射线放射源、伽马射线采集器、放射源安装腔、采集器安装腔、第一密封垫和第二密封垫；所述流量计本体设置在所述流体管道外侧，位于所述流量计本体两侧分别设置有与所述流体管道连通的所述放射源安装腔和采集器安装腔；所述放射源安装腔的端部腔壁上位于轴心上设置有射线穿出孔，该射线穿出孔经所述第一密封垫密封；所述采集器安装腔的腔壁上设置有射线穿入孔，该射线穿入孔经所述第二密封垫密封；所述放射源安装腔内设置有所述伽马射线放射源，所述采集器安装腔内设置有所述伽马射线采集器；所述伽马射线放射源发出的伽马射线经所述第一密封垫、所述流体管道、所述第二密封垫后照射到所述伽马射线采集器上。

【技术特征摘要】
1.一种伽马射线探测系统，其特征在于：包括探测组件、FPGA模块和单片机；所述探测组件将探测到的流体管道中组份信息传输至所述FPGA模块内，所述FPGA模块将接收到的组份信息传输至所述单片机，并接收所述单片机反馈至的控制信号；所述探测组件包括流量计本体、伽马射线放射源、伽马射线采集器、放射源安装腔、采集器安装腔、第一密封垫和第二密封垫；所述流量计本体设置在所述流体管道外侧，位于所述流量计本体两侧分别设置有与所述流体管道连通的所述放射源安装腔和采集器安装腔；所述放射源安装腔的端部腔壁上位于轴心上设置有射线穿出孔，该射线穿出孔经所述第一密封垫密封；所述采集器安装腔的腔壁上设置有射线穿入孔，该射线穿入孔经所述第二密封垫密封；所述放射源安装腔内设置有所述伽马射线放射源，所述采集器安装腔内设置有所述伽马射线采集器；所述伽马射线放射源发出的伽马射线经所述第一密封垫、所述流体管道、所述第二密封垫后照射到所述伽马射线采集器上。2.如权利要求1所述探测系统，其特征在于：所述单片机内设置有数模转换模块和控制器；所述伽马射线放射源发出的伽马射线穿过所述流体管道后照射到所述伽马射线采集器上，所述伽马射线采集器经所述FPGA模块与所述数模转换模块连接，所述数模转换模块与所述控制器连接，所述控制器与上位机连接。3.一种基于如权利要求2所述探测系统的伽马射线探测信号快速校准方法，其特征在于包括以下步骤：S1：初始化；控制器启动后向探测组件供电，使其正常工作；并设定稳峰采集周期、稳峰采集起点、能谱采集周期、能谱采集起点和标准能谱；S2：控制器根据稳峰采集周期、稳峰采集起点以及FPGA模块读取的探测信号，判断探测信号是否处于稳峰状态；若是，进入步骤S3；否则进入下一稳峰采集区段，返回步骤S2；S3：控制器发送读取命令，根据能谱采集周期、能谱采集起点从探测信号获取对应的能谱数据；并采集任意连续两个能谱采集地址间的脉冲累计计数；S4：控制器将获取的能谱数据发送至上位机，并绘制得到能谱图，对能谱道数进行编号；S5：控制器根据绘制的能谱图与标准能谱作对比，若一致，则输出该能谱图对应的能谱数据；否则进入步骤S6；S6：控制器对能谱图进行卷积计算，并结合标准能谱计算能谱偏移量；S7：根据能谱偏移量对能谱图进行偏移校正，返回步骤S5。4.如权利要求3所述校准方法，其特征在于：所述步骤S2中判断是否进入稳峰状态的具体步骤为：S21：控制器读取探测信号，并根据稳峰采集周期、稳峰采集起点得到稳峰判定区段；S22：设定稳峰判定区段任意时间点作为对称中心点，分别获取该对称中心点前后N个脉冲波峰对应位置；S23：对比该对称中心点前后N个脉冲以及N个脉冲波峰对应位置的对称比例：若对称比例大于预先设定的对称比例，则判定进入稳峰状态；否则，返回设定下一稳峰采集周期时间点为稳峰采集起点后，返回步骤S22。5.如权利要求1所述校准方法，其特征在于：所述步骤S6中，控制器对能谱图进行卷积计算，并结合标准能谱计算能谱偏移量的具体步骤为：S61：控制器根据能谱采集周期、能谱采集起点任意获取一段X字的能谱作为待检测能谱；并设定Y＝1；S62：从标准能谱中任意选择连续的x字的标准能谱，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪毅，潘艳芝，孙钦，尹丰，侯广信，安维峥，
申请(专利权)人：中国海洋石油集团有限公司，中海油研究总院有限责任公司，海默科技集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11