电容式三相流含水率测量方法的研究

　　1引言

　　目前测量三相流含水率的方法有蒸馏法、离心法和电脱法等，这些方法都需加溶剂油稀释，并分别采用加热法、机械旋转运动法、电场法向其提供能量，将水分进一步分离出来，最后计算含水率。这些方法均存在手续繁杂，耗能较大等不足，而且测量准确度不高。

　　近年来，有些人利用水与油介电常数差别较大的特性研究开发了测量油品中水的质量分数的电容式传感器。这种传感器具有测量方便、快捷、灵敏度高等一系列优点，为油品中含水量的快速测量提供了一种有效的手段，受到各方面的重视。

　　本文根据这种原理研究出电容器敏感探头来感知被测介质的介电常数，直接测量出原油的含水率。同时进行了转换电路的优化设计，使其具有实时在线、快速节能等优点，很有开发应用前景。

　　2测量原理

　　电容法三相流测量的基本原理是利用电容极板间油气水混合物中，三相介电常数不同，使得电容随着三相流浓度的变化而变化，测量出电容传感器的电容值，然后再将其转化成电压、电流、频率等信号。

　　由于电容传感器的电容值很小，一般在几pF至几十pF之间，故要求电容测量电路必须保持低的零点漂移，很高的灵敏度，能抗杂散电容及外电场干扰。测量系统框图如图1所示。

　　2.1电容式传感器结构

　　电容传感器结构示意图，如图2所示。

　　灵巧型敏感探头采用圆柱型同心套筒电容结构，在其内电极涂敷钦氟纶绝缘层，保证绝缘强度大于Zo0MO/50OV，涂层厚度均匀，表面光滑，无针眼，消除含水导电效应，使仪器在。一100%含水率测量范围内均有良好的工作特性。在电容的外电极板上开一定规律的圆孔，以保证其工作时的自均流作用。测量时，探头与流体流动方向相对插人。设圆柱型电容的中心电极半径为r，内电极涂敷的绝缘层厚度为6，绝缘材料相对介电常数为:A，传感器外电极半径为R，电极长度为h，三相流体混合液相对介电常数为。

　　2.2电容式传感器设计

　　常温常压下，水的相对介电常数为80，油为2.2左右，气的相对介电常数与油的相差不大，因此，可以用等效介电常数描述其宏观介电特性，相对介电常数是含水率的函数。一般情况下，电容法测量出的组分比例与管道中流体的流动方式无关。因此采用变介质电容式传感器测量油水比，将被测信号的变化转换成电容量变化。

　　由同轴柱状电容器电容计算公式，可得绝缘层和混合液对应的电容C人、CB分别为：

　　探头的电容传感器CT可视为CA、C。的串联，