（检测技术与自动化装置专业论文）原油含水率测试技术及装置的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着油田的多年开采，油井的高压注水使原油输油管线中含水率增高，原油含水率 直接影响原油的开采、脱水、集输、计量、销售、冶炼等，若含水率检测不准，将直接 影响油井及油层动态分析，破坏电脱水器中电场，降低脱水效果，给原油集输造成很大 能源浪费，在原油炼制过程中原油含水率超标易引起突沸等恶性事故的发生，因此原油 含水在线检测非常重要。而含水率的精确测量十分困难，因此需要研制宽范围含水率计 量仪表，实现原油含水率的在线精确测量。这对于确定出水、出油层位，估计产量和预 测油井的开发寿命以及油田的产量质量控制、油井状态检测、减少能耗、降低成本和采 油管理自动化具有重要的意义和实用价值。 本文的研究工作以含水原油为研究对象，由于输油管道内原油的含水率不同，使电 容传感器探头的输出电容值发生变化，其变化量一般在几十到几百皮法范围，因此本文 主要研究原油含水率的检测，主要完成了以下工作： 1 通过阅读国内外相关文献，对原油含水率测试技术及国内外相关产品的的动态 进行介绍。 2 对原油含水率现有的几种捌试方弦进行了归纳总结和比皎，分析了各冲测 试方法的基本原理、应用范围、优缺点并结合我国原油高黏度和高含水率的特点确定系 统整体方案。 3 对系统的关键部分即电容传感器的输出电容的检测方法进行了阐述和比较，针 对笱件方法的特点，确定本系统采用充放电法进行检测。重点阐述了充放电法的基本 j 啄理，分析、设计、制作并调试了此方法的实际电路，即将电容值转换为线性成比例的 电压值。 4 进行了系统其它部分的设计、制作和调试，包括电压信号的转换，即电压一频率 转涣电路、等精度频率测量电路、上位机酬数鼹采集、处理。 5 分析实验数据，为系统的进一步完善提出了几点建议。 关键词：原油含水率，电容传感器，充傲电法，等精度测频 一一堕里型幽堂堂璧 一 _ _ _ - _ ，_ _ ，一一 s t u d y o fm e a s u r i n gt e c h n i q u ea n de q m p m e n to nt h ew a t e r c o n t e n to ft h ec r u d eo i l m i n ea l o n gw i t hm a n yy e a r so ft h eo i lf i e l d ，t h eh i g hp r e s s u r ea f f u s i o n o ft h eo i lw e l l m a k e sw a t e rc o n t e n ti nt h ec r u d eo i lp i p e l i n eh i g h e r t h e w a t e rc o n t e n td i r e c t l ya f f e c t st h ec r u d eo i le x p l o i t a t i o n ，d e h y d r a t i o n ， t r a n s p o r t i o n ，m e a s u r e ，s e l l ，s m e l te t c t h e i n a c c u r a t em e a s u r eo ft h ew a t e r c o n t e n tw i l la f f e c td i r e c t l yo i lw e l la n do i ll a y e rd y n a m i cb q a l y s e ， d e s t o r yt h ee l e c t r i c a l f i e l di nt h ee l e c t r i c d e h y d r a t o r ，l o w e r t h e d e w a t e r i n ge f f e c t ，r e s u l t i ne n e r g yw a s t e d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ec r u d e o i ls m e l t i n g ，t h es u p e r s c a l eo ft h ew a t e rc o n t e n tw i l le a s i l yc a u s es e r i o u s a c c i d e n t ss u c ha sb o i le t c s ot h eg n l i n em e a s u r eo ft h ew a t e rc o n t e n to f t h ec r u d eo i li sv e r yi m p o r t a n t b u t t h ea c c u r a t e l ym e a s u r eo ft h ew a t e rc o n t e n ti sv e r yd i f f i c u l t ， t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt od e v e l o paw a t e rc o n t e n tm e t e rw i t hw i d e s c o p e ii no r d e rt or e a l i z et h eo n l i n em e a s u r eo fw a t e rc o n t e n t o fc r u d e o i l t h i sh a si m p o r t a n tm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u et op o s i t i o nt h el a y e ro f w a t e ra n do i l ，e s t i m a t eo i ly i e l d ，p r e d i c tt h el i f eo fe x p l o i t a t i o no ft h e o i lw e l la n dc o n t r o lt h ey i e l d ，d e t e c tt h es t a t u so fo i lw e l l ，r e d u c ee n e r g y w a s t e ，l o wt h ec o s ta n dm a n a g ea u t o m a t i c a l l y t h em e a s u r m e n to b j e c to ft h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni st h ec r u d e o i lw i t hw a t e rc o n t e n t b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n t w a t e rc o n t e n t ，t h eo u t p u t c a p a c i t a n c e so ft h ec a p a c i t o rs e n s o rv a r y t h er a n g ec o r 帆o n l yb e t w e e nt e na n d h u n d r e dp f ，s ot h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d yt h em e a s u r e m e n to fw a t e r c o n t e n to fc r u d eo i l t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 t h r o u g hs t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a 七i o n a l i n t r o d u c et h em e a s u r i n gt e c h n o l o g yo ft h ew a t e rc o n t e n t t r e n do fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l a t e dp r o d u c t s r e l a t e dd o c u m e n t s s t a t e sq u oa n dt h e 2 t h ee x i s t i n gs e v e r a lt e s tm e t h o d so fw a t e rc o n t e n to fc r u d eo i lare s u m m a r i z e da n dc o m p a r e d ，t h eb a s i cp r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o n ，m e r i t sa n d s h o r t c o m i n g sa r ea n a l y z e d t h ew h o l es c h e m eh a sb e e na d v a n c e da c c o r d i n gt o t h ef e a t u r eo fh i g hv i s c o s i t ya n dh i g hw a t e rc o n t e n to fo u rc o u n t r y 3 t h ek e yp a r to ft h es y s t e mn a m e l yt h em e a s u r e m e n to ft h eo u t p u t c a p a c i t a n c eo ft h ec a p a c i t o rs e n s o rh a sb e e ne x p a t i a t e da n dc o m p a r e d ， a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f e v e r yk i n do fm e t h o d s c h a r g e | d i s c h a r g em e t h o dh a sb e e na d o p t e d 4 t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ec h a r g e d i s c h a r g em e t h o di s e x p a t i a t e d a r i a l y s i s ，d e s i g n ，m a k ea n da a j u s tt h ep r a c t i c a lc i r c u i to ft h i sm e t h o d ， n a m e l yc a p a c i t a n c ei sc o n v e r t e dt ol i n e a rp r o p o r t i o n a lv o l t a g ev a l u e 。 5 d e s i g n ，m a k e a n da d j u s tt h eo t h e rp a r t so ft h e s y s t e m ，i n c l u d i n gt h e c o n v e r s i o no fv o l t a g e ，n a m e l yv o l t a g e - f r e q u e n c yc i r c u i t ，t h ee q u a l p r e c i s i o n f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tc i r c u i t ，d a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fp c 6 a n a l y z et h ee x p e r i m e n td a t a ，g i v es o m ea d v i c e sf o rt h ef u r t h e rp e r f e c t o ft h es y s t e m k e yw o r d s ：w a t e rc o n t e n to ft h ec r u d eo i l , c a p a c i t o rs e n o r , c h a r g e d i s c h a r g e , e q u a l - p r e c i s i o nf r e q u e n c ye s s u r e 3 一 独，创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：起盔蓑 日期： 2 鲤3 ：3 ：1 5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期： 2 凶31 三：1 5 翁 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 课题的研制意义 随着油田的多年开采，油井的高压注水使原油输油管线中含水率增高，原油含水率 直接影响原油的开采、脱水、集输、计量、销售、冶炼等，若含水率检测不准，将直接 影响油井及油层动态分析，破坏电脱水器中电场，降低脱水效果，给原油集输造成很大 能源浪费，在原油炼制过程中原油含水率超标易引起突沸等恶性事故的发生，因此原油 含水在线检测非常重要。而含水率的精确测量十分困难，因此迫切需要研制宽范围含水 率计量仪表，实现原油含水率的在线精确测量。这对于确定出水、出油层位，估计产量 和预测油井的开发寿命以及油田的产量质量控制、油井状态检测、减少能耗、降低成本 和采油管理自动化具有重要的意义和实用价值“， 1 2 课题的来源 本课题为金喜平老师的省教委课题，编号为9 9 0 5 2 1 0 3 0 。 1 3 课题国内外发展动态 目前在我国石油行业中，普遍使用的仍然是传统的定时取样蒸馏化验的人工方法， 这种检测方法取样时间长，无在线性，取样随机性大，且人为误差大，费时费力，不能 满足油田生产自动化管理的要求“1 。可用于在线测量的方法有射线法、短波吸收法、微 波法、电容法等。射线法是利用原油和水对射线的吸收能力不同，以此计算出原油含水 率。】。短波吸收法是将电能以电磁波的形式辐射到以乳化状态存在的浊水介质中，根据 油、水对短波吸收能力的不同来检测油水乳化液中的含水率。微波法的原理是微波可 以被物质吸收，特别是水分对微波能量的吸收最为显著，因此采用微波反射式结构，将 由水分引起的微波衰减量转化为电流信号输出，建立输出电流与含水率之间的关系来测 量含水率“1 。电容法是采用适合测量液态物系含水率的同轴筒形电容传感器m ，利用原 油乳化液的介电常数与含水率有关的原理来实现对原油含水率的测量。 国内外原油含水率测试产品不多，性能指标和适用范围差别也较大。国外的相关产 品如：c t cc h i n a a m e r i c at e c h n o l o g yc o r p 。的产品采用y 射线法测量原油中的水及气 一鲨堕型燮燮垡墼一 体含量；a g a rc o r p 的产品o w - 1 0 2p i p e l i n eb s & wm o i t o r s 采用微波法原理进行测 量；美国p i 公司( p r e m i e ri n s t r u m e n t s ，i n c ) 的红眼含水测量仪是利用独有的光学传 感器技术开发的种先进的含水测量仪。这种含水测量仪基于大量红外线照射过油水混 合物时的光学性质会发生变化的基本原理研制而成，通过分析近红外线照射过流体后的 透射光、反射光和折射光性质，结合光谱分析进行测量。这些方法造价高，使用及维护 困难。国内相关产品如：庆仪产品h d y 一5 0 4 2 型原油含水分析仪是采用独特的双能量测 水技术、运用跟踪稳峰技术和单片机技术研制而成的防瀑式、智能化在线仪表。它有两 种型号：h d y - 5 0 4 2 a 型高中含水分析仪和h d y - s 0 4 2 b 型低含水分析仪。北京北斗星化学 研究所石油仪器部的手持式石油液体水分检浸4 仪h - b d 4 m ；j d y 系列原油含水含气在线 分析仪是河北冀东石油机械有限责任公司的产品，该产品是利用测量y 射线在穿过原油 后强度的变化来测量含水率和含气率的，具有技术先进、测量精度高、性能稳定可靠、 非接触自动在线i 财量等特点。燕山大学产业集团的原浊含水率测试仪是由传感器探头、 电缆和电子仪表等器件组成。具有测量范围大、误差小、稳定性好、成本低、结构灵 巧、可在线测量等优点。 1 4 课题的研究目标 本设计的研究目标是： 1 了解国内外原油含水率测试技术及产品的动态； 2 进行测量方案对比，提出最佳方案； 3 进行系统整体方案的设计、制作及调试； 4 在实验室进行模拟实验。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 方案比较 2 1 1 方案i - - - 射线法 测量原理”： 般情况下，原油和地层水对于低能y 射线的线性吸收系数不同，利用两种介质对 同一射线的线性吸收系数的差别计算出油水混合物的含水率。当初始强度为n 。的y 射线 束穿过厚度为x 的介质时，它衰减后的强度n x 为： n x = n o e “ l l u 是反映介质对y 射线吸收8 毪力的个物理常数，它与y 射线的能量有关，当v 射 线的能量一定时，它取决于介质的性质，u 称为介质对y 射线的吸j 5 【系数。介质厚度x 定时。强度n 仅与介质的吸收系数u 有关。不同的介质对射线的吸收系数不同，原油 的吸收系数u 。比水的吸收系数u 小，即水对y 射线的吸收能力大于原油对y 射线的吸收 能力。对于水和原油的混合介质可用等效吸收系数u 来表示它对y 射线的吸收能力，而 u 。取决于水和原油的相对比分。由公式( 1 ) 可得 u i = i n ( n j n = ) x( 2 l 式中，n 。和x 是已知常数，只要测定n x 值，即可求得u 。值，从而得到油和水的相 对比分，由此测定含水量。 此方法可用于在线仪表，提高生产过程和生产管理的自动化程度。但由于对6 0 m e v 的y 射线来说，油和水的吸收系数仅差2 0 ，因此仪表的灵敏度和测量精度不如电容式 仪表；且存在人身安全问题，造价高，使用和维修困难。 2 ，1 2 方案2 - - - 短波吸收法 测量原理”“： 将电能以电磁波的形式辐射到以乳化状态存在的油水介质中，根据油、水这两种介 质对短波吸收能力的不同来检测油水乳化液中的含水量。 鲨里：! 些奎堂堡主堂焦丝兰 一一 根据朗伯一贝尔定律，电磁波通过介质时将或多或少的被吸收。因此，宅磁波的出 射能量总是小于入射能量。这种能量的减少服从朗伯一贝尔定律。如果吸收介质由多种 物质组成，则这种能量的减少服从下式： i = i e “1 ( 3 ) 油水乳化液中，( 3 1 式可变为： i = im e ”“1( 4 ) 式中：是原油吸收系数；n 。是原油分子数；u 是水吸收系数；n 。是水分子数，由实验 可知，岫 r f c + t 时，有 其极点为 从而有 h ( j t o ) = a + 争) 徊+ 赢丽a + i 】 r c c 悯耐+ 菘亳徊+ 而知 s , , 2 - 一2 t ( c + c f ) a c f h ( j c o ) = a a r f c f 2 r 凹 喝吨絮一1 ) 絮一1 ) 当选用c m o s 开关，c x 放电到零伏的时间大约为几十至n 盾纳秒。因而对一次单一 的放电周期，电流可看作是个冲击函数，从而流经传感器的电流f ( f ) 可表示成： 其频谱为 = c 。( f ) 6 ( 卜聆r ) n = o i ( j o a ) = ，c ，( f ) 【- ( 一n o ) 。) 一1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 式中，t 为重复时间吐：孕，e ( f ) 为传感器时变电容，e ( j ) 为e ( f ) 的傅立叶变 换a 设c j ( f ) 的频率带宽为，f f f 6 0 s 2 ( - 0 m 。为了恢复信号e ( f ) ，传感器的带宽应满 ，21 - 2 夏i c f c x ，其目的是去除输入端的瞬态电压尖峰信号。t f = r f c f ，一般较大。 2 2 4 3 1 充电过程 当时钟信号变高电平时，k l 和k 3 接通，开始对c x 充电( 此时k 2 和k 4 处于断开 状态) 。e x 上的电压很快被充电到v c 。令c o = c s + c 。+ c 。，c o = c 。+ c 。+ c 。与c d 有关的 各电容器的电压也被充电到v c ，而与b 极相连的所有寄生电容c o 均通过k 3 被放电至 零电位。 2 , 2 4 3 2 放电过程 当时钟信号变低电平时，k 1 与k 3 断开，k 2 闭使b 极板与保持虚地的检测计输入端 相接，然后k 4 接通。经过很短时间，使c x 和c o 的电位放电到零电位。只有c x 和c 。 中的放电电流流经检测计，因此，c o 对测量c x 没有影响。 由于在k 2 接通前，c 。处于零电位，当k 2 接通后，c 。从检测器输入端拉走的电 荷为：q = c o v ，式中，v 为检测器输 端电压。 。1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 由于在检测极b 与地之间无电流泄放通道，在放电间隔内流过检测器的全部电荷 为：q = c x v c + c o v 。当检测器的放大器的开环增益 i 0 0 0 时，v 小于5 m v 。若取v c = s v ， 则检测器对c o 的灵敏度远远小于对c x 的灵敏度。由于 o q 1 1 3 一c o ：v 2s 5 m y _ v = 0 0 0 1 a q d ( x v c5 v 因此，c 。7 对c x 的测量的影响很小。可见，图所示电路结构实际上消除了c m o s 开 关电容和屏蔽寄生电容的影响，非常适合测量小电容，而且不需人工调整“。 结论：由上式可知，要想提高传感器的灵敏度，只要将f 、k 。、r f 中任意参数提 高即可。该电路结构简单，易于实现，可以消除寄生及杂散电容的干扰、减小漂移和提 高稳定性。因此，本设计采用此方法。 2 2 4 4c v 转换电路的进一步改进 由v o = f v 。：r f c x 可知，如果充电电压v 。、时钟频率f 和反馈电阻r f 中有个参数 发生波动，即使被酒1 4 电容不变，输出也发生了变化，从而产生了漂移。如果传感器的灵 敏度很高，这种漂移会给测量结果带来误差。为了避免这些干扰因素，可以对充电电源 增加稳压装置，同时选用温度系数小的电阻和合适的元器件。以下是减少c v 转换电路 漂移的两种改进电路： 方 基一：参考电容平衡法 改进电路如图2 1 1 所示： r 图2 1 1 参考电容平衡法 图中实际上是增加了漂移的平衡电路，在传感器工作过程中它将传感器产生的漂移平衡 掉。工作过程中，模拟开关s 5 和s 2 同步，s 6 和s 4 同步。在被测电容c x 被充电到+ v c 一1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 时，参考电容c r 也同时被充电到一v c 。图中的转换方程为：v o = f v o r f ( c x c r ) 对此式求 偏导并除以f v c r f 后得： c = a c x 一c r + ( c x c r ) ( a f f + v o v o + a r f r f ) 由此式可知，当c r = c x 时，af f 、av c v c 、ar f r f 各参数的变化对测量结果的影响 可以忽略。实际应用中，参考电容可选可变电容，传感器工作时，在管道处于空载时， 将参考电容凋至使传感器输出为0 。这样，当管道正常工作时，参考电容就可起到减少 漂移的作用。 方法二：微机实时漂移补偿法 改进电路如图2 1 2 历示： 图2 1 2 微机实时漂移补偿法 图中在被测电容的电极a 端增加了两个模拟开关s 5 和s 6 ，它们的通断受计算机控制。 其补绷为：在尚未对被测电容c x 充电时，设在t l 时刻由计算机控制门s 5 打开， 门s 6 闭合，使c x 的a 端接地，而开关s l 和s 3 正常工作，这时计算机对转换结果进行 采集，设采集值为v ( t d ，该值可以认为是检测电极端的杂散电容c o 引起的，然后计 算枕控制门s 6 打开，门s 5 闭合，这时被测电容处在正常的充放电状态，计算机对转 换输出进行采集，设值为v ( t 1 ) ，在t 2 时刻，又将门s 5 打开，门s 6 关闭，此时睑测值 为v ( t 2 ) ，接着门s 6 打开，门s 5 关闭，对被测电容进行检测，若此时被测电容已经变 沈阳工业大学硕士学位论文 化为c x 它随含水率而变化) ，检测值为v ( t 2 ) 。现将v ( t 2 ) 与v 1 ( t 1 ) 相减，得a v ： v ( t 2 ) 一v ( t 1 ) ；当v = o 时，表明在t 2 一t 1 时间内转换电路没有漂移，此时v ( t 2 ) 值 反映的是被测电容c x 真实值；当av o 时，说踢此时回路有漂移，漂移值为av ， 则被测电容的真实值应为：w ( t 2 ) = v ( t 2 ) + a v 。可见，这种方法能对检测回路的漂移 进行实时补偿。 2 2 5 小结 根据原油含水率的四种测试方法的特点并结合我国生产实际进行了最佳方案沦证， 主要是对电容传感器的输出电容进行测量。现有工业小电容的测试方法主要有谐振法、 振荡法( 包括r c 振荡法和l c 振荡法) 、交流电桥法、充放电法。根据各种方法的特 点，本设计采用充放电法。重点阐述了充放电法的基本原理、理论推导、电路抗干扰分 析及进一步改进措施。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 1 系统整体框图 如图3 1 所示： p c 机 显示 打印 图3 。1 系统总体框图 本系统包括以下几大部分： 1 电容传感器： 2 电容电压( c v ) 转换电路； 3 电压频率( v - f ) 转换电路； 4 单片机测温、控制f p g a e p i k 3 0 1 4 4 3 ) 测频； 5 单片机与p c 机串口通信电路。 3 2 电容传感器探头的设计 3 2 】电容传藤器的基本原理 电容传感器的基本原理【，1 ： 电容传黪器是将被涣! f 菲电量转换为电容量变化的一种传感器。其特点是结构简单、 分辨率高、工作可靠、非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 主要用于位移、振动、压力、压差、液位、成分含量等方面的测量。最常用的是平行板 电容器和圆柱形电容器。 被测物系不同，电容传感器的结构不同，网轴圆柱探头是一段长度小于四分之一波 长的终端开路的硬同轴线，外导体上沿轴向开缝隙槽，适宜测量液态物系的含水率。被 一1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 测液体的电导率小于i 0 4 s m 时，司直接和探头接触；当电导率大于1 0 。9 s m 时，内导体 的外表面应套有绝缘介质，减小内外导体间因漏电流影响含水率的测量结果。当内导体 外表面紧贴有绝缘套( 两者间不能有间隙时) ，同轴圆柱探头的电容量计算公式是： p 2 n e o e r 积r 口i n 竺+ e x r l n r o r b，c 式中：l ：探头长度； r c ：内导体外径r b ：绝缘套外径r a ：外导体内径；er ：绝缘 套材料的相对介电常数；ex r ：被测液体的相对介电常数；e 。：真空介电常数，8 b 5 x 1 0 4 2 法米。 3 2 2 电容传感器设计 由于油和水的介电常数相差很大( 常温下，油为2 左右，水为8 0 左右) ，原油中 含水率的高低直接影响混合液的介电常数，因此本设计采用适宜测量液态物系含水率的 同轴圆柱探头。为了消除含水导电效应，内导体外表面要涂敷钛氟纶绝缘层，使仪器在 中高含水测量范围均有良好的工作特性。在传感器的外电极板上开定规律的圆孔以实 现液体的自均流作用。由于水在不同温度时其介电常数相差较大，因此，必须进行温度 实时测量以进行温度补偿。测量时，探头与流体流动方向相对插入，温度传感器放于其 中。传感器探头结构如图3 2 所示“m ”： 图3 2 传感器探头结构图 其中，圆柱形电容器的中心电极半径为r ，内电极涂敷的绝缘层厚度为6 ，绝缘材料介 电常数为e 一，传感器外电极半径为r ，电极长度为h ，电极绝缘层与仪器内壁之间被测 沈阳工业大学硕士学位论文 流体的电介质称为第二层介质，其介电常数为e 。，根据同轴柱状电容器容量计算公 式， c= 2 x ea 口h e ai n 而r ，n 半 ( 1 。 估算：首先忽略绝缘层的厚度6 ，即6 = 0 ，则( 1 0 ) 式为 c = 等 1 1 ) 1 1 ) 式中，由于在实验室进行实验，取h = 1 1 0 r u ，r ：8 n n u ，r ：1 6 r m u 。则 c = 8 8 2 4 5 0 5 e ( 1 2 ) 实际测量时可以选择相应的h 、r 和r 值以适合输油管线直径的不同。 3 2 3 电容量估算 由于，原油乳化液的介电常数可由下式来表达u ”： 铲( i + 匹3 w ) ， 0 一 ( 1 3 ) 式中，ea 为原油乳化液的相对介电常数；e 。为被测净油的相对介电常数；e 。为乳 化液中水的相对介电常数；w 为原油乳化液含水体积分数。 由于水的介电常数e 。是随温度而变化的，如表3 1 所示： 表3 t 水的介电常数e 。与温度的关系 t c01 02 03 0 4 05 0 8 o8 88 48 0 7 67 37 0 l 不同温度下的电容c 和含水率w 的数学表达式如表3 2 ( 1 3 ) 式，可年导 婆里三些塑主兰垡塑 得到不同温度值含 表3 2不同温度下电容c 与含水率w 关系 t不同温度时对应的电容值公式 oc i = 1 9 4 1 3 9 1 1 + ( 1 + 3 + w ( 9 0 8 5 8 - w ) ) 1 0 c 2 = 1 9 4 1 3 9 1 1 + ( 1 + 3 w ( 8 4 ，8 1 8 一w ) ) 2 0 c 3 = 1 9 4 1 3 9 1 1 + ( 1 + 3 + w ( 8 2 7 7 8 - w ) ) 3 0c 4 = 1 9 4 1 3 9 i + ( i + 3 。w ( 7 8 7 3 8 - w ) ) 4 0 c 5 = 1 9 4 1 3 9 i i + ( 1 + 3 + w ( 7 5 7 0 8 - w ) 】 5 0 c 6 = 1 9 4 1 3 9 1 1 + ( i + 3 + w ( 7 2 6 7 8 - w ) ) 图3 3 不同温度值含水率w 与电容值c 的曲线关系图 其中，横坐标为含水率百分比；纵坐标为电容值，单位为p f 。 3 2 4 小结 介绍了电容传感器的基本原理，在实验阶段进行了电容传感器的理论设计，根据传 感器的尺寸对电容传感器的输出电容量进行估算，以用于后级信号处理电路的设计。 3 3c - v 转换电路设计 3 3 1c v 转换原理框图 c v 转换电路的原理框图如图3 4 所示： 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 4c - v 转换电路原理框图 3 3 ，2 器件的选择 3 3 2 1 运放的选择 a 高输入阻抗；b 低输出阻抗；c 低失调电压，低失调电流；d 运放带宽大。 本设计选用c a 3 1 4 0 e ，其技术指标如下：高输入阻抗：1 5 t ；低输出阻抗：6 0q ；失 调电压：2 m v ，失调电流：o ，5 p a ：增益带宽积：4 5 m r z 。 3 3 2 2 模拟开关的选择 模拟开关的主要技术指标如下： 3 3 , 2 2 1 导通电阻r o n 如果不考虑温度、电源电压的影响，r o n 与输入电压v i n 呈线性关系；另外，r 。n 与开关的供电电压有关，r o n 随着电源电压的增大而减小。 3 3 2 2 2 注入电荷 低r o n 并非适用于所有的应用，较低的r o n 需要占据较大的芯片面积，从而产生 较大的输入电容，在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。时闻常数t ： r c ，充电时间取决于负载电阻( r ) 和电容( c ) ，一般持续几十纳秒。这说明低r o n 开 关具有更长的导通和关断时间。导通电阻较高，开关速度较快；导通电阻较低，开关时 间较长。 3 3 2 2 3 系统电源 为单电源供电系统选择模拟开关时， 这类开关不需要单独的v 一和g n d 引脚， 应尽量选择那些专为单电源供电而设计的产品 节省了一个引脚。同样，低电压双电源供电系 沈阳工业大学硕士学位论文 一一 一 一 统需选用双电源供电开关，它们具有独立的v - 和g n d 引脚，还特别设有与标准的c h o s 或t t l 电平的逻辑接口。出于模拟开关只能处理辐度在电源电压摆幅以内的信号，输 入信号幅度必须保证在所规定的电源电压范围内，对于未加保护的模拟开关，过高或过 低的输入信号将造成模拟开关的永久损坏。 基于以上所述并结合本设计的要求，选用d g 2 0 1 ，其特性如下： a 导通电阻r o n = 1 7 5q ( m a x ) ；b t o n = 4 8 0 n s ，t o f f = 3 7 0 n s ；c 正负电源供电。v + 至v - 为 4 4 v ；d 输入信号范围：1 5 v ；e 开关的控制由参考电压决定，这里选v 。= 5 v ，即兼容 于c m o s 和t t l 电平。 3 3 1 3 电容c 的选择 它是去耦电容，用于吸收运算放大器输入端的瞬态尖峰电压，保证运算放大器的输 入端具有稳定的虚地电位。经实验本设计选用1 0 0 n f 的仪表电容。 3 3 2 4 电容c f 的选择 它与电阻r f 构成运算放大器的时间常数。这里给出一组数据表3 3 可以表明它对 传感器灵敏度的影响： 测试条件：k = 1 5 0 2 1 2 v ，e ：1 5 0 4 3 5 v ，c x ：4 7 0 p f ，c p = i 0 3 9 m h z ， v r e f = 4 9 9 8 7 v ，c = l q q n f ，c f = i ( o n f ，f = 5 0 4 1 k q ，v o 用5 位半智能数字多用表测量， 调试：e l y 变换调零：c x 不接，r f = 6 0 4 5 2 kq ，调节c a 3 1 4 0 e 的调零电位器，使 v o = o v ，然后调c p ：用4 7 0 p f ，调信号源频率，在i 0 3 9 m 时，v o 最大为1 4 6 5 6 0 v 。 表3 3 电容c p 对测试结果的影响 c f ( f ) i n 2 2 n3 3 n1 0 n垂7 n1 0 0 n4 7 0 n v o ( v )1 4 6 3 9 01 4 ，6 3 9 01 4 6 3 6 01 4 6 2 9 01 4 6 3 9 01 4 6 5 6 01 4 6 4 4 5 3 3 2 5 电阻r f 的选择 电阻r f 需要选取高精度的电阻，正确的选取r f 十分关键。提高电阻r f 不仅会提 高测试灵敏度，而且也会增加噪声干扰的灵敏度，所以电阻r f 不能选取过大；相反， 减小电阻r f 会降低测试灵敏度，所以电阻r f 也不能选取过小。经实验电阻r f 选取范 围应在1 k q 到1 0 k q 之间。 一2 3 沈塑型茎! 塑圭堂! 燮一 一一 测试数据如表3 4 ： 测试条件：k = 15 0 2 1 2 v ，u = 1 5 0 4 3 5 v ，v r e f = 4 9 5 9 v ，c = l o o n f ，c f = l o o n f 1 c p 选为1 0 3 9 i 蛐z ：r f 选择5 0 4 i k f ) 。2 c p 选为1 0 1 6 衄z ；r f 选择6 6 0 1 5 k q 。 表3 4 电阻r f 对攫试结果的影响 c i p p ) 4 31 4 6 2 6 。94 6 76 3 9 8 1 99 6 61 1 2 v 。、( v o 2 8 8 80 5 4 6 6 0 9 0 3 01 3 7 6 81 8 5 5 32 3 , 1 3 32 8 5 7 0 3 3 2 3 8 v n v ) o 3 3 9 30 6 9 8 4 1 1 3 1 21 7 3 9 b2 3 4 8 72 9 6 9 83 6 1 5 4 4 2 2 7 8 c ( p f )1 6 3 1 1 9 3 62 2 72 6 9 33 4 4 14 , 6 2 8 v 。( v )4 4 2 0 0 5 1 6 4 85 9 9 2 56 9 7 t 78 6 1 0 01 1 2 2 5 0 v 吐( v j 5 6 7 4 86 6 1 6 1 7 6 7 1 28 9 5 9 91 1 1 1 3 61 4 6 5 6 0 开关频率的稳定度直接影响该浏试电路灵敏度的稳定，所以应用晶体振荡器来产生 才能获得相当稳定的开关频率c p 。经实验，本设计中的c p 最佳范围在5 0 0 k t t z 到2 i v g - l z 之间。下面一组数据是表明开关频率c p 改变对c 川变换的输出v o 的影响，如表3 5 所 示。 测试条件：k = 1 2 3 0 6 v ，e = 1 1 8 7 6 v ，v r e f = 4 9 5 9 v ，c x = 4 7 0 p f ， c = i o o n p ， c f = 1 0 0 n f ，r f = 5 5 2 6 2 kq 。 表3 ，5 开关频率c p 对测量结果的影响 c p ( k i - i z )1 2 2 5 1 51 0 8 5 0 1 10 0 7 ，3 2 9 7 6 0 29 1 4 7 8 8 7 7 28 0 6 6 57 8 t ! v o ( v ) 一0 1 5 0 90 2 4 4 63 7 8 8 25 5 8 6 29 4 7 5 31 0 1 4 1 09 7 8 2 5 9 5 6 2 1 c p ( y d - l z ) 7 5 1 77 3 4 37 1 5 9 46 8 7 7 26 5 4 8 66 2 0 1 05 7 3 65 3 3 7 6 v o ( v )9 2 3 3 89 0 2 48 8 2 4 98 。5 0 7 88 1 2 5 37 7 1 2 57 1 4 9 16 6 5 8 2 c pf y d - l z )4 9 7 1 74 4 9 7 53 9 9 2 03 4 9 8 22 9 5 8 92 5 0 0 l2 0 4 91 4 6 4 v o v j6 ，2 0 1 65 6 0 4 64 9 6 5 84 3 4 1 23 6 5 4 43 0 7 2 9 2 4 9 0 5 1 7 2 7 0 c p ( k i - i z ) 3 0 1 7 04 9 8 42 4 5 41 1 1 3o 9 6 0 o 7 0 ( v ) 1 1 5 6 00 4 8 6 20 1 6 0 6 0 9 2 60 ，l t t 3 4 0 1 5 2 7 2 4 沈阳工业大学硕士学位论文 一一一 这些数据表明适当的开关频率对电荷检测器灵敏度有很大的关系。 由表3 。5 可知，开关频率c p 对测量结果有很大的影响，将以上数据用曲线表示更加直 观，如图3 5 所示： 02 0 0如6 0 08 口d1 0 0 01 2 0 01 4 图3 5 开关频率c p 对测量结果的影响 由上图可知，开关频率c p 有个峰值，可将电路的晶振频率选在此频率。 1 3 2 7 充电电压v r e f 主要受c m o s 开关所能承受的电压限制，对于i g 2 0 1 可选取在1 8 v 之闯的某一电 压。实验表明充电电压v r e f 值由零增大，将会使电荷检测器灵敏度增大，但在4 v 以上 增加的幅度已不是很明显，并且当v r e f 过大将会导致超过v - f 转换的输入最大电压 + 1 0 v 。充电电压v r e f 需要较高的稳定性。 3 3 2 8 电源的处理 实验中c m o s 模拟开关3 ( ；2 0 1 本身就用到了四路电源1 5 v 、+ 5 v 和v r e f ，为了减少 电源路数，v r e f 选用+