高频电磁波持水率计是一种测量原油持水率的仪器,它是通过检测电磁波经过油水混合介质时被混合介质引入的相移来完成测量的。由同轴线传输理论可知,同轴线内外导体间的介质会影响电磁波的传播特性,当其中介质的介电常数发生变化时,会导致同轴线传感器接收端信号的幅度和相位发生变化。因此,当不同持水率的油水混合介质流经同轴线时,内外导体间介电常数和电导率有较大的变化,这些特征就为通过检测同轴线内油水混合物引起的高频信号相位偏移来确定原油的持水率提供了有利的条件。首先,本文介绍了课题的背景与意义。随着油田地面产液量的不断累积,地下采油层出现了亏空的现象,为了弥补不间断采油造成的亏空,维持原有的压力,实现油田的高产稳产,通常采取注水法来提高采收率。然而到油田开发中后期,产出液中持水率会与日俱增。目前,我国东部陆上油田大部分也已经进入开发后期,综合持水率都已经达到80%以上,其中部分油田已超过90%。随着采出液总量的不断增加,能耗也随之大幅增长。而且我国有近80%的油井是含油量不高的轻载油井,开发高峰期过去以后,产出液中的含油量越来越小。在这种情况下,仍需大功率机械维持抽油井正常运转,此时,油井经常处于“空抽”的状态,浪费了大量能源,导致生产成本急剧增加。因此,实现每口井油水混合液持水率变化的实时监测是非常必要的。当开采出的原油的价值低于其开采所需要消耗的能源时,应暂时停止开采,采用适合于低含油率油井的开采方案,提高效益。要实现油井持水率的实时监测,就需要一款能够满足这种要求的高性能持水率计。通过对国内外持水率计性能和价格进行综合分析后发现,国外的仪器在低持水率测量时具有良好的分辨率,但其价格昂贵,而且生产方对仪器的使用权利有所限制,不利于仪器的合理利用,且只适用于低持水率的油井,不适合于在国内陆上油田使用。相较而言国内的仪器价格低廉,但是受矿化度的影响不能满足实时动态监测的要求。在这种情况下,设计一款能够实现高精度实时监测持水率的仪器意义重大。这不但满足了国内需求,而且打破了国外石油仪器对中国的封锁,提高了自主研发石油仪器的能力。其次,对设计方案进行了理论方法的研究。分析了电磁波的传播特性,得到结论：油水混合流体等效介电常数与持水率成单调递增关系；结合电磁波在同轴线内传输的实际状态,得到结论：信号在介质中传播时引入的相移与持水率成单调递增关系,而幅度特性与持水率不成单调变化关系。这一结论证明：通过检测信号在一定长度的同轴线中传播时被内外导体间混合介质引起的相位延迟来测量持水率的方案是可行的。然后从电路工作的特殊环境与设计工艺要求出发,为了防止矿化度对测量的影响,本文选用80MHz的高频激励信号与80.02MHz的本地振荡信号,为了精确测量信号相移,本设计在电路部分运用混频技术,将高频信号相移不失真地搬移到低频信号。最后在电路部分,完成了基于相移的持水率测量。第三,硬件电路设计。硬件电路分为四个部分：信号源模块、混频电路鉴相电路和脉宽检测与数据处理单元。信号源模块是运用直接数字合成(DDS)技术,利用AD9954芯片来实现的,提供给电路80MHz的探测信号和80.02MHz的本地振荡信号；混频电路的功能是实现两路信号的模拟相乘,本电路是采用模拟乘法器芯片MC1596来完成的,完成了本振信号与激励信号的模拟乘法运算,并经带通滤波器后,输出了带有相移信息的20KHz低频信号；在将高频信号携带的相位差信息成功搬移到低频信号后送入鉴相电路,电路首先对正弦信号进行整形,然后将整形后的两路方波转化成为脉冲信号,该鉴相电路主要采用过零比较器芯片LM139和D触发器实现的；基于计数器CD54HC4040的脉宽检测单元完成了脉宽的测量；最后通过外部中断方式来触发单片机读取脉宽信息,并在单片机内部完成数据的初级处理。第四,实验与刻度。在不同温度下(25℃-170℃),进行大量反复的样本实验和调试,将事先配置好的不同比例的21组原油样本混合液分别充满同轴线,此时在鉴相电路输出端会得到不同脉宽的21组脉冲信号。然后利用外部计数器测量对应的实验数据,脉宽越宽计数值越大。在计数器完成测量的同一时刻,单片机读取计数器的数值。最后通过单片机串口将此数据送给PC机,记录数据。然后改变温度,重复上述实验。最后将记录的数据制作成三个轴分别为温度、计数器数据、持水率的三维可查询表,完成仪器刻度。最后,本文对所做的工作做了总结,并对今后的工作做出了展望。提出了工作中存在的问题,分析了电路设计不足之处,然后对其提出了改进方案。