电容法油罐多液位测量仪的研究

 刘丽钧,冯海杰,常　丽

(沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110023)

关　键　词:电容法;介电常数;原油含水率;油罐液位;测量系统

随着电子技术和石油工业的不断发展,电子、光纤、电磁、计算机等高新技术越来越广泛地应用于油罐液位测量系统,使油罐的自动计量进入一个多功能、高精度的新阶段.但是,目前绝大多数新型仪表应用在炼油厂、油库以及成品油储罐中,而在油田原油生产过程中很少应用[1].其主要原因有:①原油检测条件恶劣,特别是一些稠油产区,原油的粘度大,传感器易被敷住,使其无法正常工作;②罐内的油水界面和含水率都是随时间变化的.罐内油层高度不同,含水率不同.因此,采用静止测量元件无法检测出油罐的多个液面.因此原油分离罐多液面的测量成为一个亟待解决的问题.本文基于以上原因以及含水率与油罐高度的关系,提出了一种基于电容的在线、实时测量油罐多液位的有效方法.

1　分离罐原油多液位的测量原理

纯油是由多种碳氢化合物混和而成,属于非极性物质,在室温20℃条件下,其相对介电常数约为2·3.而水分子组成的液态水为极性电介质,在室温20℃条件下,其相对介电常数是80,两者相差很大,因而它们作为介质所呈现的电容特性不同.当以油为介质的电容作为负载时,该负载随着混和液中油水比的不同而变化.忽略原油中含有的杂质的影响,含水原油可近似看成纯油和纯水两种介质的混和,其有效介电常数可用下式表示[2]

式中:εr———混和介质的有效介电常数;

　ε1———纯水的介电常数;

　ε2———纯油的介电常数;

　D———原油中水的体积百分比.

由上式可见,混和介质的有效介电常数介于纯油和纯水之间,原油中含水体积百分比的变化将显著地影响原油有效介电常数.电容器置于含水原油中,当电容器的结构及外形尺寸一定时,电容量

式中:K———常数,由电容器的结构、尺寸确定.由式(1),(2)可见,原油中含水量不同,则传感器的电容值就不同.

2　系统组成及工作过程

整个测量系统由硬件部分和软件部分组成,硬件部分包括传感器数据采集电路、驱动控制电路、信号变换电路、数据传输电路,数据采集板卡和计算机.具体系统框图如图1所示.

　　其中硬件部分完成对数据的采集、变换、传输,软件部分采用当前流行的可视化编程软件VC++6.0和Microsoft ACCESS数据库编程完成对数据的保存、显示、打印,历史和当前曲线的显示,整个系统的参数设定、控制等功能.系统的工作过程是:在上位机中设定系统中油罐的ID号,上限高度,下限高度,测量间距,数据保存时间,启动方式等参数;测量时电容式含水率测量传感器置于被测油中(如图2),系统判断测量传感器是否在限位开关下边的基准位,如果是就驱动控制电路控制电机正转,带动传感器在原油里向下缓缓移动,测量出电容信号,所测得的信号经过C/F变换送入采集板卡进入上位计算机;高度测量电路测得高度信号,变换处理后通过数据传输电路也送入采集板卡进入到上位计算机中,上位机根据实时的高度信号以及相邻两次的高度差是否满足测量设定的值,决定是否把相应的含水率、高度、时间、油罐号等数据进行处理并存入ACCESS数据库[3];电动机带动传感器继续下移,重复判断,直到下限位置,然后计算机通过采集板卡控制电动机反转,带动传感器返回.考虑到传感器在油中测量存在迟滞现象,因此在返程中相同的位置再测量一次,直到回到基准位置,这就完成了一次测量.本文采用取两次结果平均值的算法,减小迟滞造成的误差.