【文章內容簡介】 精度。綜上所述，基于高度法的浮子式流量計，不能滿足油罐測量的精度要求。 近年以來國內外對非接觸式液位測量進行了大量的研究和試驗，并有產品問世。如德國 NERAF 一 ONIus 公司開發(fā)的微波液位計。非接觸式液位測量技術及裝置主要有 :微波雷達技術及微波雷達式液位計；激光技術及激光液位計；光纖技術及光纖液位計和超聲技術及超聲液位計等。其特點是 測量手段不是采用浮子之類的固態(tài)物，而是采用聲、光、射線的能量，液位計不和被測介質接觸，但目前這些工作多數仍處在實驗室研究階段，即便有適用的產品問世，也多用來測量油罐的上液位。 總之，當前非接觸式的如雷達法、激光法等局限在研究階段或者在測量油罐上液面使用的比較多，接觸式的液位測量儀如浮子式、浮筒式、磁致伸縮法雖然可以用在測量上液面和下液面但是他們的致命缺點都是傳感器的浮子部分要沿著滑動桿上下移動，在粘稠油品中，傳感器被敷住容易失靈。曼徹斯特理工的電容法比較好，解決了上下液面測量的問題，也不會因為傳感器敷在滑動 桿上，但是它對電容的制作工藝要求很高，多個電容的安裝維護比較復雜。針對我國多數油田高臘、高粘、高凝“三高”的特點，必須找到一種方法解決了上述的問題，完成油層各個界面的測量。 三 .整體方案論證； 油田現場油罐工況； 油田開采過程中注入大量的水，開采出來的含水原油通過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，每個采油廠均有數個到數十個沉降罐。為完成石油和水和氣體及泥沙的分離，沉降罐中要投入適量的降粘劑、乳化劑、破乳劑，并采用高溫蒸氣管路或電加熱法對罐內原油加熱 (一 般在 50℃一 80℃，平均為 78℃ )。經過一定時間，就實現了油水分離，由于比重不同，使水沉積到底層，純油浮現上層，原油儲罐的工況如圖 1 示。 圖 1 原油儲罐工況示意圖 移動式電容方法的確定； 檢測原理 。 原油是由多種碳氫化合物混和而成，屬于非極性物質，其相對介電常數為 2一 3。而水是極性分子，由水分子組成的液態(tài)水為極性電介質，其相對介電常數是 80，兩者相差很大。氣體的相對介電常數為 1，和原油的差別也很大。 因此我們利用檢測出的相對介電常數的不同就能區(qū)分出不同的介質，然而氣、油、水的相對介電常數受濕度，溫度等因素的影響，準確值很難測得，而我們只是為了區(qū)分出界面，利用不同介質介電常數不同的特點，不需測量出氣、油、水的介電常數的準確值，利用界面介質的介電常數的跳變點實現原油上界面和下界面的分辨，再聯合測量高度的信號，就可以完成界面的高度定位和準確測量。這是本裝置的核心，也是本裝置的一大特點。 忽略原油中含有的雜質的影響，含水原油可近似看成純油和純水兩種介質的混和， 其有效介電常數可用下式表示： r 1 2= D + D? ? ?（ 1 ） （ 31） 式中： r? —— 混和介質的有效介電常數； 1? —— 純油的介電常數； D—— 原油中水的體積百分比。 由上式可見，混和介質的有效介電常數介于純油介電常數和純水介電常數二者之間，原油中含水的體積百分比的變化將顯著地影響原油的有效介電常數。電容器置于含水原油中，當電容器的結構及外形尺寸一定時，電容量： rC=K? （ 32） 氣層 泡沫層 油層 乳化層 水層 泥沙 式中： —— 介質的介電常數 。 K—— 常數，由電容器的結構、尺寸確定 。 由 ， 式可見，原油中含水量不同，則傳感器的電容值就不同。這樣就可以把反映含水率的相對介電常數的變化轉化為電容信號的變化，再聯合位移信號就可以實現儲油罐油 /水界面、油 /氣界面的識別，并經過計算機的處理，實現顯示和控制等。 一般說來，含水率 95%左右認為是水和乳化層的分界面，含水率介于 95%到 5%之間是乳化層， %5 以下認為是純油。在各個層內部，基本性質相對穩(wěn)定，大體成分線性分布，所以可以大體描繪出油位高度和原油相對介電常數的理論曲線 (如圖 2)。 圖 2 油位高度與相 對 介 電 常數之 間 的理 論 關系曲 線 在 20℃情況下，根據理論曲線可以看到 2 個明顯的拐點，在純水層的介質相對介電常數是 80，水和油的混和層相對介電常數介于 80 和 之間，純油的介電常數是 ，氣層的介電常數是 1。因此第一個拐點可以看成是水 /油的界面，第二個拐點是油 /界面。 四 .系統(tǒng)的整體設計； 系統(tǒng)原理框圖； 整個測量系統(tǒng)由傳感器，位移變送器，電容變送器，信號轉換電路，主機等組成，以單個的油罐為例，其整體系統(tǒng)結構圖如下所示： 圖 3 系 統(tǒng) 原理框 圖 硬件系統(tǒng)主要分為位移變送器，電容變送器，傳輸電路，標定接觸器，電動機及驅動電路，采集板計算機組成，其中位移變送器主要由編碼器和處理電路組成把電動機帶動鋼帶移動的距離轉換成數字脈沖經過傳輸電路送入采集板卡計數實現，然后送至上位工控機進行處理；另一路電容變送器由電容傳感器和電容/頻率變換電路組成，把在鋼帶的帶動下電容探頭采集的反映介電常數變化的信號經過信號處理變換成頻率信號，經傳輸電路送至上位機的數字信號采集板卡，至計算機完成數據的采集； 計算機通過采集板卡對電動機驅動電路發(fā)出復位、正轉、反轉或者停止的信號；標定接觸器使得開始測量的每次都使傳感器處于同一個位置，這樣就消除了由于初始基準位不固定造成的誤差，消除了誤差的積累；保護接觸器是為了電動機發(fā)生故障到了標定位依然向上移動造成事故設置的，當電動機帶動傳感器到保護接觸器位置，自動給電動機強制斷電，防止事故的發(fā)生；計算機主要完成數據的處理、存儲、歷史當前數據的查詢、顯示，用戶的登錄和各種設置功能等。 系統(tǒng)工作過程； 系統(tǒng)的工作過程示意圖如下圖所示： 圖 4 系統(tǒng)工作過程示意圖 電容 變送器 數據傳輸電路 電機 驅動控制電路 數據采集卡 計算機 位移變送器 信號變換電路 傳輸電路 由圖 3，圖 4可見，當對某個儲油罐進行測量時，由主控計算機首先根據標定接觸器的狀態(tài)驅動電動機轉動，使測量從基準位為開始，發(fā)出正轉指令，通過采集板卡輸出相應的控制信號驅動電動機系統(tǒng)，從而驅動電容變送器在原油罐中垂直向下運動，實時測量介電常數的變化，并配以位移變送器。根據設計參數的要求，每隔 6~間隔采集一個介電常數數據，同時一記錄高度數據，送至主控計算機，由主控計算機經過數據處理，存入數據庫。在正程測量完成即運行到最低點后，主控計算機發(fā)出電動機停止指令，使電容變送器在最低點停止 5分鐘。然后主控計算 機發(fā)出反轉信號，使電容變送器在相同的各個位置再測量一組數據，這樣在同樣的高度就可以得到兩組數據，兩次求平均值就當成是該點的相對介電常數，可以減小滯后效應造成的誤差?？梢钥闯鲋骺赜嬎銠C在整個測量中的作用主要包括以下 5個方面 : (1)控制電容變送器在每一次測量過程中，電容變送器自上而下降至罐底一定高 度時自動停住，然后電容變送器自動自下而上升至預定位置自動停住。 (2)讀取標定接觸器的狀態(tài)，確定是否開始一次新的測量。 (3)根據保護接觸器的狀態(tài)，確定是否給電動機強制斷電。 (4)實時讀取電容變送器在油罐中的位置 ，并把位移信號、相對介電常數信號和日期時間存入數據庫。 (5)繪制液面高度與原油含水率關系的相對介電常數分布曲線，從而將上界面 (氣 /油界面 )和下界面 (油 /水界面 )結果顯示出來。 系統(tǒng)構成； 位移變送器 本設計中的測量位移變送器要求測量范圍大、精度高、較強的抗干擾能力，并且可以容易地實現模數轉換，所以采用光柵尺，其優(yōu)點在于 : (1) 高精度 :隨著光柵劃刻技術及電子技術的發(fā)展以及莫爾條紋對光柵柵距具有局部消差的作用，在大量程測長方面光柵檢測裝置的精度僅次于激光測量裝置。 (2) 具有 高分辨率、大量程兩個特性。 (3) 可實現動態(tài)測量、自動測試和數字顯示功能。 (4) 有較強的抗干擾能力，對環(huán)境的要求低于激光干涉測量方法，在環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現場其穩(wěn)定性優(yōu)于電感式傳感器。 (5) 具有較高的測量速度。 位移變送器可以把傳感器在油罐內移動的位移通過光柵和摩爾條文細分技術轉化為數字脈沖，然后通過在采集板卡中計數并且配以電動機正反轉的信號就可以實現位移的測量。 電容變送器 電容變送器由電容傳感器、電容 /頻率變換電路、傳輸電路等組成可以實時測量油罐內反映原油含水率的介電常數的變化。這 部分是本論文設計的重點，將在下一章做詳細的介紹。 傳輸電路，采集板選擇，主機的選擇等不是本文重點就不做具體介紹。 五 .電容變送器的設計； 電容法理論基礎； 電容式傳感器工作原理； 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，通過電容傳感元件，將被測物理量的變化轉換為電容量的變化。因此電容式傳感器的基本工作原理可以用圖 5所示的平板電容器來說明。 圖 5 電容式傳感器基本工作原理 A d 當忽略邊緣效應時，平板電容的電容為： r0AC= Add??? ? （ 51） 式 中： A—— 極板面積； d—— 極板間距離； r? —— 相對介電常數； 0? —— 真空介電常數， 0? =； 由式 可知，當 d、 A和。 。中的某一項或某幾項有變化時，就改變了電容 C。 C 的變化在交流工作時，就改變了容抗 Xc，從而使輸出電壓或者電流得以變化。 D和 A 的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映彈力、壓力等變化。的變化，則可以反映液 面的高度、材料的濕度等的變化。 實際應用電 容式傳感器時，常使 d、 A、三個參數中的兩個保持不變，而改變其中一個參數來使電容發(fā)生變化。所以電容式可以分為三個種類 :改變極板距離 d 的變間隙式；改變極板面積 A 的變面積式；改變介電常數的變介電常數式。 變間隙式一般用來測量微小的線位移 (小至 .001 微米一零點幾毫米 )。變面積式一般采用測角位移 (自一角秒至幾十度 )或較大的線位移 。變介電常數式常用于固體或者液體的物位測量以及各種介質的濕度、密度的測定。 在多數情況下，電容式傳感器可以看作成一純電容。表 列出了一些電容器 的基本公式。 表 幾何形狀 電容公式 備注 電容式傳感器的特點； 電容式傳感器是由電極板和間隙組成的，電極間既要相互絕緣，又有機械連接，其結構性能直接影響傳感器的工作性能。 電容式傳感器的電容量很小，一般為幾十到幾百皮法，小的甚至只有幾個皮法，因此，這種傳感器具有高的輸出阻抗和小的輸出功率。由于這樣，它的絕緣問題需要特別的注意，一般極間絕緣電阻應在數百兆歐以上。 環(huán)境條件變化將影響電容量的變化。例如，溫度變化可引起極板尺寸、間隙大小和介電常數的變化 。濕度變化可引起介電常數及絕緣電阻的變化 。而極板面上潮氣凝結的薄膜將引起很大的電容改變 。在振動、加速度條件下，會引起極板的移動，從而影響電容量等等。 因此，傳感器的絕緣材料必須具有高的絕緣性能，足夠的機械強度，高的形狀穩(wěn)定性，良好的抗?jié)裥阅?。電容極板的內表面必須保持清潔，應防塵、防濕、防凝露以及防腐蝕。 電容變送器的設計； 電容變送器設計首要考慮的問題；