[发明专利]多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量多孔介质中天然气水合物电阻率的传感器，具体地说是一种在测量电阻率过程中测量电流无分流，电极之间电势差为零的，抗干扰、测量精度高的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器。

背景技术

能够准确测得多孔介质中天然气水合物的电阻率值具有非常重要的意义。天然气水合物生成过程中其电阻率值会发生明显变化，根据这种变化可以判断水合物的生成情况，并且通过其电阻率值可以反演出天然气水合物的饱和度。

目前的多孔介质中天然气水合物模拟实验，其电阻率的测量主要采用一种三电极传感器。该三电极传感器通过供电电极在被测介质中建立电流场，测量流过该电流场的电流和测量电极与其中一个供电电极的电位差，通过公式就可计算得出该小区域内的电阻率。

上述天然气水合物电阻率测量三电极传感器存在一些问题。首先，测量传感器置于多孔介质中，与多孔介质产生相对较大的空隙，同时空隙中会填满电解质溶液，其电阻率较低，导致测量电流沿固定电极的绝缘杆轴向分流严重，从而影响测量电流更多地进入待测多孔介质，降低了测量的准确性；其次，对于多孔介质中天然气水合物的生成、开采二维平板实验模型，它是一金属的密闭容器，由于实验模型上下壁之间的距离较小，当传感器处于狭小的模型空间时，外层的两供电电极会与实验模型上下壁距离很近，此时由于两供电电极之间存在电势差，极容易沿实验模型壁形成电流回路，降低了测量精度，同时还容易引入外界干扰。

因此，需要设计一种能够准确测量多孔介质中天然气水合物电阻率的传感器，该传感器亟需解决两个问题：第一，尽量消除测量电流过多地沿测量传感器与待测介质之间缝隙的分流现象，也就是说，最大程度地使测量电流流入待测多孔介质中；第二，使测量传感器最外层的两个电极之间的电势差为零，消除沿实验模型壁形成电流回路的发生条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器，克服上述已有技术存在的由于结构不合理造成传感器测量精度低的问题。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：

本发明包括传感器本体、聚焦电极、主电极、回流电极、交流电压变送器、交流电流变送器、航空插头、导线，其特征在于传感器本体设计为圆柱体，上端部尺寸大于上部直径，上部直径大于下部直径，在下部直径变径处的上边设有环形卡口槽，在下部的外周从下向上逐序嵌有回流电极B、聚焦电极B、主电极、聚焦电极A和回流电极A，在传感器本体上端面中心设有一个航空插头，航空插头的三根导线的中间一根导线与主电极相连，下边一根导线与聚焦电极A和聚焦电极B连接，上边一根导线与回流电极A和回流电极B连接；通过航空插头外围联接有交流电压变送器，交流电流变送器和交流信号激励电源，交流电压变送器联接在主电极和回流电极A之间，交流电流变送器联接在主电极和聚焦电极A之间，交流信号激励电源联接在聚焦电极A和回流电极A之间。

传感器本体是由ABS塑料或非金属材料制作，航空插头、聚焦电极A、聚焦电极B、主电极、回流电极A和回流电极B均与传感器本体模压一体。

聚焦电极A和聚焦电极B对称设置在主电极的两边，回流电极A和回流电极B对称设置在主电极的两边。

本发明的原理是通过固定在绝缘杆上的环状电极在待测多孔介质中建立电流场，然后测得流经待测区域的电流以及形成该电流的电势差，最后通过计算得出其电阻率值。为了防止测量电流从电极流出后会大量沿绝缘杆轴向直接流回回流电极，而不是流经待测多孔介质然后流回回流电极，所以，考虑在测量中若能同时形成两个同性电流场，一个为流入待测多孔介质的电流场，为测量提供有用信息，另一个为聚焦电流场，能够将主电流场挤压进待测多孔介质，这样即可减少测量电流沿绝缘杆与待测介质之间缝隙的分流。另外，如果绝缘杆上起相同作用的电极成对称结构排列，并将起相同作用的电极内部用导线短路，就可以保证最外层两个起回流作用的电极之间电势差为零，有效避免沿实验模型内壁形成电流回路。

基于上述发明思想建立的多孔介质中天然气水合物电阻率测量传感器数学模型，作如下分析：

给绝缘杆上的两个环状电极供电，在电极间距不大的情况下可以形成球形电场。同时，聚焦电流场必须位于主电流场内部才能够起到将主电流挤压进待测介质的目的，换言之，主电流场必须绕过聚焦电流场才能够消除沿绝缘杆与待测介质之间缝隙的分流现象。根据电磁场理论，可对电阻率进行计算，为了减少计算复杂性，做如下假设。

假设1：聚焦电流场为一个实心球体，主电流场为聚焦电流场实心球体外的空心球体；