全遥控式原油含水率、界面监测仪.doc

全遥控式原油水的质量分数、界面监测仪 马世勇 （潍坊学院 信息与控制工程系，山东 潍坊 261041）摘 要：我国石油化工行业原油各生产加工环节的水的质量分数计量主要是靠原始的蒸馏化验方法来完成。本文介绍了一种先进的全遥控式原油水的质量分数、界面监测仪，说明了其主要工作原理，提出了关键问题的解决办法，给出了其先进的全遥控式测量仪器的应用实例。关键词：全遥控、原油、水的质量分数、界面中图分类号：TP212.9 文献标识码：B 文章编号：Remotely control interface inspection instrument and the quality grade of the type water of crude oil completely Ma Shiyong (Dept. of Institute information and control project, Weifang University ,Weifang 261061,China ) Abstract: The quality grade of the water of each production processing link of the petroleum chemical profession crude oil of our country measure is the distillation method of lab test of relying on original mainly consummately. The quality grade and interface inspection instrument of this paper that has introduced a kind of advanced type water of remote control of crude oil have explained its major working principle, the method of solving of having put forward key problem has given its advanced application example of the whole type measure instrument of remote control. Keyword: Remotely control completely , interface and the quality grade of crude oil and water 0 引 言石油化工行业中，原油水的质量分数和油水界面是原油生产和加工过程中的两大计量参数。水的质量分数数据的测量是否正确和及时，对原油生产和管理具有极其重要的意义。准确及时的数据可反映出油井的工作状况是否正常，以此为根据采取有效可靠的措施或改善工艺来合理地开采能源，从而避免因措施不当或工艺不合理而造成的人力、物力的极大浪费。油罐油水界面的自动监控能有效地避免因手工排放污水而造成的环境污染和原油的直接流失，节约大量的人力、物力和能源。当前，我国石化行业原油各生产加工环节水的质量分数计量主要靠原始的蒸馏化验来完成。此方法有采样少、数据不及时、人为因素影响大等缺点，同时消耗大量的电力和汽油。油罐中原油所含污水的排放一直靠手工来完成，由于无法识别油水界面的准确位置，浪费很多原油，造成环境污染。为此，研制了该全遥控式原油水的质量分数、界面监测仪。该仪器可在石油、化工等部门精确测量原油生产过程中不同阶段的水的质量分数；可对储油罐、分离罐、电脱罐等的油水界面进行准确的监控。1 测量的工作原理1 . 1 电容传感器的探头原理电容传感器的敏感探头是一变介电常数式电容传感器。该探头对被测含水原油的介电常数敏感。而含水原油的介电常数随原油水的质量分数变化而变化，敏感探头置于被测含水原油中，如果忽略原油中所含杂质的影响，可近似看作纯油和纯水的混合物。纯油属非极性电解质，介电常数在2.3左右。而纯水是极性电介质，其介电常数为80左右。显然，原油中水的质量分数的变化将显著影响原油介电常数的变化。将敏感探头（电容传感器）置于含水原油中，原油水的质量分数的变化即转化成敏感探头电容量的变化，电容传感器送出一个和水的质量分数相对应的电信号，由此可以测出原油的水的质量分数。1 . 2 电容传感器的工作原理Fig.1 Capacity sensor principle picture 如图1所示，线路左端为稳定的高频振荡器，右端为谐振电路。通过电感器耦合，从稳定的高频振荡器中取得振荡电压。电容传感器的敏感探头电容C为谐振电路中调谐电容的一部分，在随含水原油的水的质量分数发生变化时，使得谐振电路的电容量相应发生变化，从而使谐振电路的固有频率相应发生变化。若谐振电路的固有频率和高频振荡器的频率相差悬殊时，回路处于失谐状态，检波后电压值较低；若两者频率相等时，回路处于谐振状态，检波后电压值较高。实际上谐振电路的固有频率随含水原油的水的质量分数发生变化。当探头置于纯水中时，回路处于谐振状态，检波后电压值较高；当探头置于无水油中，回路失谐，检波后电压值较低；当探头置于含有一定水份的原油中时，回路处于既不完全谐振又不完全失谐状态，检波后电压值处在两者之间。因此，由检波电压值即可确定探头处的原油水的质量分数。1 . 3 整机的工作原理如图2所示，水的质量分数传感器（电容传感器）将原油水的质量分数模拟信号送到A/D转换器后再送到89C52进行处理。同时，温度传感器AD590将原油即时温度经由TLC0832进行A/D转换后送到单片对原油水的质量分数进行温度补偿。这样原油含水信号通过自身特性曲线修正和温度补偿曲线修正，保正了该原油含水监测仪的精度。 Fig.2 Overall working block diagram 2 主要问题的解决方案2 . 1 电容传感器的敏感探头设计如图3所示，电容传感器的敏感探头设计成同轴圆柱形状，是一段长度小于1/4波长的终端开路的硬同轴线。为适合测量动、静态原油的水的质量分数，电容传感器的外电极沿轴向开缝隙槽。因敏感探头插入到原油当中，直接与原油接触。当被测原油的电导率小于10-9 s/m时，内外电极漏电流很小，由此因起的电容量变化很小，不会影响含水量的变化。而当电导率大于10-9 s/m时，内外电极间漏电流较大，引起敏感探头电容量变化较大，影响测量结果。为此，敏感探头内电极外表面紧贴有用聚砜材料做成的绝缘套，防止了漏电流的影响。外电极上沿轴向开了四个缝隙槽，槽的宽度以外电极直径的一半为宜，槽的两端做成半圆行，以适合动、静原油含水量的测量。为了提高传感器的灵敏度，设计时充分考虑了其敏感探头的尺寸和结构：（1） 外电极内径为16mm，内电极外径为3.1mm两者之比在58之间。使敏感探头既有较大的电容量，而内部又有较大的空间，提高了其灵敏度。（2） 内电极加有绝缘层后，其外径为7.5mm，略小于外电极缝隙槽的宽度8mm，提高了其动态测量的快速性。（3） 内、外电极结构，在其开口端包有绝缘层的内电极顶端比外电极缝隙槽稍短，也是为提高其测量的快速性和灵敏度。同时也考虑其机械强度，防止各种原因引起的变形，影响测量结果。 Fig.3 The conductor shape in sensitive probe 2 . 2 振荡频率的确定和敏感探头电容量的计算振荡器的振荡频率是根据被测介质的阻抗特性确定的。油和水的阻抗特性随振荡频率而改变。实验证明，在振荡频率约为10MHz时，油和水的阻抗特性差别至最大限度，故将其振荡频率设计为10MHz。该敏感探头为同轴圆柱形电容，而且内电极表面贴有绝缘套，其电容量为1 C 的值确定为： 式中 L 为探头长度； xr 为被测液体的相对介电常数；r A 为外导体內径； r 为绝缘套材料的相对介电常数； r B 为绝缘套外径； 0 为真空介电常数。 2 . 3 “油包水” “水包油”状态的确定与解决的方法所谓油包水和水包油状态，是在原油中油和水两者比例不同时的两种存在状态。一般情况下，在原油水的质量分数较低时，其中所含的水份成一个个“小水滴”状态被所含比例较高的油所包围，原油导电率较低，其阻抗一般在几百K以上；当原油水的质量分数达到一定比例时，情况则相反，其中的油呈一个个“小油滴”状态被水所包围，原油导电率较大，其阻抗一般在100K以下。经实验证明，油品水的质量分数达到65%70%范围内，原油由“油包水”转换成“水包油”状态。具体在哪一比例点转换与不同的原油和其搅拌程度不同而定。传感器的输出特性曲线如图4所示。检波电压 水的质量分数 25 6575 100 图4 传感器输出特性曲线 Fig.4 The export property curve of sensor以上分析知，“油包水”和 “水包油”两种状态阻抗值差别很大，从而使电容传感器的电容值在两种状态下变化较大，如果不加以区分这两种状态会给原油水的质量分数测量带来很大的误差。为此，我们在敏感探头的内电极加有对地电极，用来测量该电极与地之间阻抗值，从而判断出被测原油是“油包水”还是“水包油”状态。判断出是哪种状态后，由电子开关切换到不同的放大电路，再由不同的修正曲线进行修正，大大提高了传感器的测量精度。2 . 4 电容传感器的正确安装该传感器可用于原油的动、静态水的质量分数测量。进行在线的快速测量时，为适应各种不同的原油产品测量，保证其测量精度及安全可靠使用，要有正确的安装方法。2 . 5 全遥控方式的实现仪器应用了先进的红外线遥控技术，与计算机技术有机结合，将所有需要修正、调整等操作经译码解码技术用红外线遥控器实现，使现场调校仪器或修正內置参数变得方便快捷。遥控器键盘示意图如图2所示 图5 遥控器键盘示意图 Fig.5 Remotelies control ware keyboard sketch 3 测量结果该产品已在胜利石油管理局、海洋石油公司研究所等地在输油管线上针对实际原油进行了实际测量。测量结果共20组，其中一组结果如表1 测量结果。表1 测试结果Table 1 Tests result 序号 水的质量分数理论值 水的质量分数测量值 误差1 20.05 19.18 -0.252 21.95 21.69 -0.263 24.80 24.50 -0.304 25.50 25.25 -0.25 5 26.72 26.64 -0.08 6 27.66 28.01 -0.35 7 29.01 29.49 +0.48 8 30.27 30.77 +0.50 9 31.63 32.18 +0.55 10 33.60 33.99 +0.393 结束语利用该传感器，我们研制了全遥控式原油水的质量分数、介面监测仪。主要技术指标如下：测量范围： 最大099.99%，量程任意设定测量精度： 量程05%时， 0.1%“油包水”状态时， 1.0%“水包油”状态时， 1.5%显示方式： 屏幕显示和微机打印信号输出： DC420mA至外设主要特点如下：（1） 传感器可判断出“油包水”、“水包油”的不同存在状态，分别放大，修正和温度补偿，大大提高了测量精度。（2） 外电极上有温度传感器，可进行温度补偿。（3） 仪器的传感器和显示器做成一体，既可就地显示，又可实现数据远传。（4） 仪器做成全遥控式，所有功能均在红外遥控器上操