【正文】 .......... ........................................ ........................ 第六章 實驗結(jié)果及分析 .................................................... 空氣、柴油和水中實驗和分析 ..................... 錯誤 !未定義書簽。設(shè)計一個原油儲油罐多液位測量裝置，實現(xiàn)儲罐油層上界面和下界面的測量，當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)的存儲、曲線的顯示等。 5．畢業(yè)設(shè)計 (論文 )的目標及具體要求 （ 1） 傳感器設(shè)計； （ 2） 檢測系統(tǒng)硬件框圖及主要單元電路設(shè)計； （ 3） 軟件流程圖及部分程序設(shè)計 （ 4） 完成畢業(yè)設(shè)計 (論文 )所需的條件及上機時數(shù)要求 須計算機仿真，上機時數(shù) 60 小時 。 近年來，許多高新技術(shù)、新方法和新型儀表如計算機、微電子、光纖、超聲波、雷達傳感器等高新技術(shù)己應(yīng)用到油罐的計量領(lǐng)域，使油罐的自動計量進入到一個多功能、高精度的新階段。因此提高儲油效率的 多相液面測量這個重要措施市場前景很好。清華大學(xué)出版社 （ 3）《單片機原理及接口技術(shù)》 .朱定華。華中科技大學(xué)出版社。 （ 5）長江大學(xué)電子圖書館。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(fù)雜。 五 .主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路 ，參數(shù)的測定及計 算。 （ 1） PC 機一臺 （ 2）計算機輔助軟件：組態(tài)王 （ 3）運行環(huán)境： windowsXP 五 .工作的主要階段 .進度及時間安排 （ 1）準備階段 3月 5日 3月 12日 （ 2）收集信息階段 3月 12日 4月 2日 （ 3）設(shè)計階段 4 月 3 日 5 月 2 日 （ 4）調(diào)試階段 5 月 3 日 5 月 17 日 （ 5）完成階段 5 月 18 日 6月 2日 （ 6）論文答辯階段 6 月 3 日 6 月 10 日 八 ．指導(dǎo)教師審查意見 長江大 長江大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計 )指導(dǎo)教師評審意見 學(xué)生姓名 胡九零 專業(yè)班級 自動化 10802 班 畢業(yè)論文 (設(shè)計 )題目 油罐多液位測量系統(tǒng)研究 指導(dǎo)教師 朱清祥 職 稱 副教 授 評審日 期 評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文 (設(shè)計 )的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。 評審意見： 。因此，快速準確地檢測出油水界面是確定出水量、出油量的關(guān)鍵，同時這個參數(shù)也為了解油井產(chǎn)量，油井壽命等提供可靠的依據(jù)。本設(shè)計針對這些問題，采用移動式電容法，提出了利用不同油層的含水體積百分率不同引 起的界面處介質(zhì)的介電常數(shù)的跳變實現(xiàn)原油上 界面 (氣 /油界面 )和下界面高度(油 /水界面 )測量的在線檢測技術(shù)。 關(guān)鍵詞 : 電 容法，介電常數(shù)，油罐，多界面測量 。 近年來，許多高新技術(shù)、新方法和新型儀表如計算機、微電子、光纖、超聲波、雷達傳感器等高新技術(shù)己應(yīng)用到油罐的計量領(lǐng)域，使油罐的自動計量進入到一個多功能、高精度的新階段。因此提高儲油效率的多相液面測量這個重要措施市場前景很好。從伊拉克入侵科威特，到海灣戰(zhàn)爭，到今天的美國占領(lǐng)伊拉克，里面無不滲透著石油的因素。在這種情況下，開發(fā)采收率高的油田化學(xué)品，提高石油鉆采開發(fā)技術(shù)，將剩留在枯竭油層的原油開采出來，是當(dāng)前緊迫而具有戰(zhàn)略意義的任務(wù)。面一前通常采用注水法，使枯竭油層的油飄浮起來同時也增大了壓力，進行開采，然而這樣的另一個后果就是原油的含水率一般都很高，最高達到 80%左右，使得原油必須從油井出來后經(jīng)過分離罐，分離出大量的水，然后才能進行傳輸，冶煉等。為了提高儲油罐的效率，了解儲油罐中 油層的高度，就必須準確的測量出原油的上界面 (氣 /油界面 )，以便安全地輸入原油，防止溢出 。目一前，在油田 (如遼河油田油氣集輸公司脫水站 )仍沿用土辦法 — 操作員用取樣桶每隔四小時到罐頂手工測量一次，再作記錄，這樣其結(jié)果不僅誤差大，而且有很大的人身危險 (按規(guī)定，四級風(fēng)以上不能上罐頂測量 )，因此，設(shè)計和開發(fā)遠程全自動原油儲罐多界面測量裝置新產(chǎn)品，實現(xiàn)遠程無人值守，全自動的多界面測量裝置，并能進行自動記錄、存儲、顯示、打印就尤為重要。當(dāng)前，國內(nèi)外油罐液位測量儀表根據(jù)測量方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩種類型。 60 年代末至 80 年代初，國外主要研制和使用的是各種鋼帶浮子液位計，大多是每個罐獨立安裝，現(xiàn)場顯示。由于使用了伺服馬達，消除了因機械摩擦而引起的誤差，提高了 靈敏度和復(fù)現(xiàn)性，其液位計量精度得到極大的提高。德國的 ENRAF 一 NONUIS 公司于 80 年代末期推出了電容串式物位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多級電容串式液位傳感器。近幾年，美國研制出磁致伸縮液位計，沈陽工業(yè)大學(xué)碩 _上學(xué)位論文這種傳感器可以同時 測溫，具有很高的精度，但是其致命的缺點是不適合測量粘稠的原油。90 年代初，中科院聲學(xué)所研制成功 CJY 一 2 型光導(dǎo)液位計。這些測量方法存在著幾個主要問題，如油罐面積一般是非線性的 。浮子 式液位計，在測量油高和油重在實際使用中也存在以下問題 :機械傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，摩擦力影響力運動，影響精確度 。油罐罐底下沉影響測量精度。 近年以來國內(nèi)外對非接觸式液位測量進行了大量的研究和試驗，并有產(chǎn)品問世。非接觸式液位測量技術(shù)及裝置主要有 :微波雷達技術(shù)及微波雷達式液位計；激光技術(shù)及激光液位計；光纖技術(shù)及光纖液位計和超聲技術(shù)及超聲液位計等。 總之，當(dāng)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。針對我國多數(shù)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。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(nèi)原油加熱 (一 般在 50℃一 80℃，平均為 78℃ )。 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 。而水是極性分子，由水分子組成的液態(tài)水為極性電介質(zhì)，其相對介電常數(shù)是 80，兩者相差很大。 因此我們利用檢測出的相對介電常數(shù)的不同就能區(qū)分出不同的介質(zhì)，然而氣、油、水的相對介電常數(shù)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(zhì)介電常數(shù)不同的特點，不需測量出氣、油、水的介電常數(shù)的準確值，利用界面介質(zhì)的介電常數(shù)的跳變點實現(xiàn)原油上界面和下界面的分辨，再聯(lián)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。 忽略原油中含有的雜質(zhì)的影響，含水原油可近似看成純油和純水兩種介質(zhì)的混和， 其有效介電常數(shù)可用下式表示： r 1 2= D + D? ? ?（ 1 ） （ 31） 式中： r? —— 混和介質(zhì)的有效介電常數(shù)； 1? —— 純油的介電常數(shù)； D—— 原油中水的體積百分比。電容器置于含水原油中，當(dāng)電容器的結(jié)構(gòu)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(zhì)的介電常數(shù) 。 由 ， 式可見，原油中含水量不同，則傳感器的電容值就不同。 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。 圖 2 油位高度與相 對 介 電 常數(shù)之 間 的理 論 關(guān)系曲 線 在 20℃情況下，根據(jù)理論曲線可以看到 2 個明顯的拐點，在純水層的介質(zhì)相對介電常數(shù)是 80，水和油的混和層相對介電常數(shù)介于 80 和 之間，純油的介電常數(shù)是 ，氣層的介電常數(shù)是 1。 四 .系統(tǒng)的整體設(shè)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(zhuǎn)換電路，主機等組成，以單個的油罐為例，其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖經(jīng)過傳輸電路送入采集板卡計數(shù)實現(xiàn)，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(shù)變化的信號經(jīng)過信號處理變換成頻率信號，經(jīng)傳輸電路送至上位機的數(shù)字信號采集板卡，至計算機完成數(shù)據(jù)的采集； 計算機通過采集板卡對電動機驅(qū)動電路發(fā)出復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)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(shè)置的，當(dāng)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(shù)據(jù)的處理、存儲、歷史當(dāng)前數(shù)據(jù)的查詢、顯示，用戶的登錄和各種設(shè)置功能等。根據(jù)設(shè)計參數(shù)的要求，每隔 6~間隔采集一個介電常數(shù)數(shù)據(jù)，同時一記錄高度數(shù)據(jù)，送至主控計算機，由主控計算機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，存入數(shù)據(jù)庫。然后主控計算 機發(fā)出反轉(zhuǎn)信號，使電容變送器在相同的各個位置再測量一組數(shù)據(jù)，這樣在同樣的高度就可以得到兩組數(shù)據(jù)，兩次求平均值就當(dāng)成是該點的相對介電常數(shù)，可以減小滯后效應(yīng)造成的誤差。 (2)讀取標定接觸器的狀態(tài)，確定是否開始一次新的測量。 (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(shù)信號和日期時間存入數(shù)據(jù)庫。 系統(tǒng)構(gòu)成； 位移變送器 本設(shè)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(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)及電子技術(shù)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。 (3) 可實現(xiàn)動態(tài)測量、自動測試和數(shù)字顯示功能。 (5) 具有較高的測量速度。 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(nèi)反映原油含水率的介電常數(shù)的變化。 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。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。 。 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。的變化，則可以反映液 面的高度、材料的濕度等的變化。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(shù)的變介電常數(shù)式。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 。 在多數(shù)情況下，電容式傳感器可以看作成一純電容。 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(jié)構(gòu)性能直接影響傳感器的工作性能。由于這樣，它的絕緣問題需要