【正文】 移動(dòng)式電容法原油儲(chǔ)油罐多液位測(cè)量裝置。近十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，石油產(chǎn)出量的增長(zhǎng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)石油的需求，石油及油品進(jìn)口量已占我國(guó)石油消費(fèi)量的30%。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)油罐液位檢測(cè)技術(shù)及裝置的研究取得了巨大的發(fā)展，發(fā)明了許多新的測(cè)試方法，研制了許多新的產(chǎn)品。90年代中期，曼徹斯特理工大學(xué)電子工程系研制的分段電容陣列法[4l，但是這種方法的電容傳感器制作傳感器的工藝要求很高，而且安裝維護(hù)要求很高。鋼帶自重需要補(bǔ)償，但很難做到完全自動(dòng)補(bǔ)償:溫度補(bǔ)償因素。曼徹斯特理工的電容法比較好，解決了上下液面測(cè)量的問(wèn)題，也不會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞣笤诨瑒?dòng)桿上，但是它對(duì)電容的制作工藝要求很高，多個(gè)電容的安裝維護(hù)比較復(fù)雜。氣體的相對(duì)介電常數(shù)為1，和原油的差別也很大。這樣就可以把反映含水率的相對(duì)介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電容信號(hào)的變化，再聯(lián)合位移信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐油水界面、油氣界面的識(shí)別，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，實(shí)現(xiàn)顯示和控制等。在正程測(cè)量完成即運(yùn)行到最低點(diǎn)后，主控計(jì)算機(jī)發(fā)出電動(dòng)機(jī)停止指令，使電容變送器在最低點(diǎn)停止5分鐘。(2) 具有高分辨率、大量程兩個(gè)特性。；；；電容式傳感器是以各種類(lèi)型的電容器作為傳感元件，通過(guò)電容傳感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。所以電容式可以分為三個(gè)種類(lèi):改變極板距離d的變間隙式；改變極板面積A的變面積式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。環(huán)境條件變化將影響電容量的變化。由于本設(shè)計(jì)的電容變送器是采集非電信號(hào)的工具，它需要長(zhǎng)時(shí)間在油罐工作，同時(shí)油罐內(nèi)的溫度較高，而原油很粘稠，具有很強(qiáng)的附著性，測(cè)量的范圍很大等特殊條件要求設(shè)計(jì)必須考慮以下的問(wèn)題:(1)電容是否可以在粘稠原油中正常工作；(2)工作范圍:2m一14m，引線(xiàn)電容的影響(3)工作溫度:80℃左右，元器件的選??；(4)電容邊緣效應(yīng)的影響；(5)溫度對(duì)介電常數(shù)的影響問(wèn)題；(6)測(cè)量裝置的防爆問(wèn)題；(7)長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性，防腐，密封； 電容變送器形狀和材質(zhì)；一般工程上采用圓柱形同心圓筒式電容進(jìn)行油品的介電常數(shù)或者含水率測(cè)量，圓筒的內(nèi)壁和外壁作為電容的兩個(gè)電極，油品在兩個(gè)圓筒之間流過(guò)引起電容的變化就可完成參數(shù)的測(cè)量，但是這種傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，特別是內(nèi)圓筒很難固定，圓筒在原油油罐中做來(lái)回的運(yùn)動(dòng)時(shí)，極容易出現(xiàn)掛料的可能，使得測(cè)量的精度極大的受影響，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)被原油敷住而不能正常工作。 電容信號(hào)檢測(cè)電路；對(duì)于電容的檢測(cè)方法一般分為直流充放電法、交流電容測(cè)量法和直接電容頻率變換法。(2)交流電容測(cè)量法交流電容測(cè)量法是在高頻交流激勵(lì)源的作用下，將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流電壓量，然后通過(guò)模擬乘法器和低通濾波器經(jīng)過(guò)刀D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量可以送到上位機(jī)。圖中第二級(jí)為放大級(jí)，作用是進(jìn)一步放大第一級(jí)的輸出，提高系統(tǒng)的分辨率。所以此時(shí)的振蕩周期為充電時(shí)間和放電時(shí)間之和。首先，電容是否可以在粘稠原油中正常工作以及長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性，防腐，密封的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的帶有保護(hù)環(huán)的平行極板結(jié)構(gòu)，將極板的邊緣效應(yīng)轉(zhuǎn)移到保護(hù)環(huán)上，可以保證有效極板面積之間是均勻的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高了測(cè)量精度。由于電容變送器工作在80℃高溫的油罐內(nèi)部，所以外界溫度的變化不會(huì)影響油罐內(nèi)部的溫度。由于邊緣附加電容比值較大，而且隨參量變化而變化，在實(shí)時(shí)檢測(cè)中，難以用精確的公式進(jìn)行計(jì)算處理，因此必須想辦法克服其影響。尤其電容漏電流大小，將直接決定電容測(cè)量值的穩(wěn)定性。本傳感器的電極上涂有絕緣漆，具有很好的抗腐蝕能力。辨向電路判別光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向，也就是物體的移動(dòng)方向。工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，光電編碼器已深入產(chǎn)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化(FA)、商場(chǎng)自動(dòng)化(sA)、辦公室自動(dòng)化(OA)、家庭自動(dòng)化(HA)。如圖16，17所示。增量式光電編碼盤(pán)由于檢測(cè)的是位移的增量，所以在大位移測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。碼盤(pán)輸出的脈沖，經(jīng)過(guò)四細(xì)分及辨向電路，功計(jì)數(shù)電路，最后通過(guò)單片機(jī)處理得到位移量。的相位角。；實(shí)驗(yàn)證明，移動(dòng)式電容法測(cè)量油罐多液位方法是完全可行的，并且通過(guò)聯(lián)機(jī)調(diào)試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能可靠，可以達(dá)到油罐液位測(cè)量的目的。如果形成通用產(chǎn)品，推向市場(chǎng)，將會(huì)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。首先非常感謝學(xué)校開(kāi)設(shè)這個(gè)課題，為本人日后從事計(jì)算機(jī)方面的工作提供了經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)。從他身上，我學(xué)到了許多能受益終生的東西。感謝老師四年來(lái)對(duì)我孜孜不倦的教誨，對(duì)我成長(zhǎng)的關(guān)心和愛(ài)護(hù)。在論文的撰寫(xiě)過(guò)程中老師們給予我很大的幫助，幫助解決了不少的難點(diǎn)，使得論文能夠及時(shí)完成，這里一并表示真誠(chéng)的感謝。四年的風(fēng)風(fēng)雨雨，我們一同走過(guò)，充滿(mǎn)著關(guān)愛(ài)，給我留下了值得珍藏的最美好的記憶。其次，我要感謝大學(xué)四年中所有的任課老師和輔導(dǎo)員在學(xué)習(xí)期間對(duì)我的嚴(yán)格要求，感謝他們對(duì)我學(xué)習(xí)上和生活上的幫助，使我了解了許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)和為人的道理，能夠在今后的生活道路上有繼續(xù)奮斗的力量。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來(lái)最好的檢驗(yàn)。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。可向國(guó)內(nèi)油田推廣，對(duì)節(jié)約能源具有重要的意義。采用移動(dòng)平板式電容法很好的解決了當(dāng)前其它測(cè)量方法傳感器容易被油罐中的原油敷住而不能正常工作的缺陷，電容器在油罐中移動(dòng)，不需要精確的測(cè)量值，利用測(cè)量拐點(diǎn)實(shí)現(xiàn)測(cè)量出各個(gè)界面是本方法的核心所在。也就是說(shuō)，脈沖當(dāng)量的14才是光電編碼器可利用的最高精度139]。為了提高檢測(cè)精度，可以提高刻線(xiàn)精度和刻線(xiàn)密度，但刻線(xiàn)密度達(dá)到200線(xiàn)n甘n以上時(shí)，刻線(xiàn)制造變得困難，成本也高。增量式光電編碼盤(pán)輸出A、B兩組相位相差900的方波信號(hào)，正轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相900，反轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相900。因此，它能夠檢測(cè)絕對(duì)位移，但由于受制作工藝的限制，只能檢測(cè)相對(duì)較短的位移量。在我國(guó)，光電編碼器普遍應(yīng)用在雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、機(jī)器、數(shù)控機(jī)床和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，是自動(dòng)化設(shè)備理想的位移傳感器。圖14為位移變送器結(jié)構(gòu)框圖。目前常采用的方法有:將電子線(xiàn)路的前級(jí)放在靠近傳感器的地方，以減少電纜長(zhǎng)度和電纜位置變化的影響。 （2)抗腐蝕能力強(qiáng)。保護(hù)環(huán)與極板1具有同一電位，則可將電極板間的邊緣效應(yīng)移到保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣，于是在極板1和極板2之間得到均勻場(chǎng)強(qiáng)分布。這是本系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。 圖11 電容變送器頂示圖再次，引線(xiàn)電容與防爆問(wèn)題的解決。本設(shè)計(jì)利用了該特點(diǎn)，設(shè)計(jì)傳感器極板間合適的距離，使傳感器能夠在原油儲(chǔ)灌中垂直運(yùn)動(dòng)而不被粘住。故圖9 555接成多諧振蕩器 圖10 V0和Vc波形圖 （58） （59） （510）由式510可看出，f與c成反比關(guān)系。 (3)直接C壓變換法以上兩種方法都是將電容量轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電壓值，要想進(jìn)一步處理還需采用電壓頻率轉(zhuǎn)換電路將電壓值轉(zhuǎn)換成頻率，需要兩級(jí)轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力差。圖中第一級(jí)為檢測(cè)級(jí)，作用是將電容量變成與此相對(duì)應(yīng)的交流電壓量。，傳感器電容的靜電容變換成電壓的電路。 對(duì)于電容的極板材質(zhì)，選取的原則是:電阻率要小，對(duì)介質(zhì)的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)的老化和催化作用要小，價(jià)格低，機(jī)械性能好，壓延性好，柔韌，機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量要大，密度小，容易焊接，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)要適當(dāng)。濕度變化可引起介電常數(shù)及絕緣電阻的變化。變面積式一般采用測(cè)角位移(自一角秒至幾十度)或較大的線(xiàn)位移。圖5 電容式傳感器基本工作原理 Ad 當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容的電容為： （51）：A——極板面積； d——極板間距離； ——相對(duì)介電常數(shù)； ——真空介電常數(shù)，=；，當(dāng)d、A和。(4) 有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境的要求低于激光干涉測(cè)量方法，在環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)其穩(wěn)定性?xún)?yōu)于電感式傳感器?？梢钥闯鲋骺赜?jì)算機(jī)在整個(gè)測(cè)量中的作用主要包括以下5個(gè)方面:(1)控制電容變送器在每一次測(cè)量過(guò)程中，電容變送器自上而下降至罐底一定高度時(shí)自動(dòng)停住，然后電容變送器自動(dòng)自下而上升至預(yù)定位置自動(dòng)停住。在各個(gè)層內(nèi)部，基本性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，大體成分線(xiàn)性分布，所以可以大體描繪出油位高度和原油相對(duì)介電常數(shù)的理論曲線(xiàn)(如圖2)。這是本裝置的核心，也是本裝置的一大特點(diǎn)。； 油田現(xiàn)場(chǎng)油罐工況；油田開(kāi)采過(guò)程中注入大量的水，開(kāi)采出來(lái)的含水原油通過(guò)輸油管道送入沉降罐(分離罐)，以遼河油田為例，沉降罐一般高為15米，直徑為30米，每個(gè)采油廠(chǎng)均有數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)沉降罐。綜上所述，基于高度法的浮子式流量計(jì)，不能滿(mǎn)足油罐測(cè)量的精度要求。在國(guó)內(nèi)，80年代初，大連第五儀表廠(chǎng)研制成功浮子鋼帶液位計(jì)，80年代后期，北京自動(dòng)化儀表四廠(chǎng)又引進(jìn)美國(guó)VAREC公司制造技術(shù)生產(chǎn)的鋼片式液位計(jì)。接觸式是指測(cè)量用傳感器直接與罐內(nèi)存儲(chǔ)介質(zhì)相接觸，從而獲得測(cè)量參數(shù)的方法。特別是我國(guó)東部的大慶，遼河等油田到了開(kāi)發(fā)的后期，石油不能象初期那樣，在巖石下受到很大的壓力，自己噴出來(lái)。A Study of the Instrument for