油水界面检测分析

摘要原油刚开采出来的时候并不纯，而是带一些水分的，需要在加工过程中进行油与水的分别。因为水与油的密度不同，在重力的作用下，原油储罐中的水会与油分开，水在下，油在上，这样就产生了油与水的分界面，再经过把水层和油层分别引出的，就能实现油与水分其他目的。为了更好的把控整个油水分别过程，就必须对整个过程进行精美、正确的实时测量，掌握最精确的数据。外国虽然有一些精美的设施能够更好的实现这一目的，可是其高昂的价钱却让人不得不低头，在国内，现今使用的仍是比较原始的方法，当前已经有好多专家学者提出把传统的电容传感器改为一种新式的分段式电容传感器来提高精确值。本文向大家介绍整个油水分别系统的构造组成，以及当前国内在此系统中一些硬件、软件方面的，并详细阐述小电容的精确检测方法及信号检测、办理电路的设计，剖析一些当前国内专家学者所做实验的实验数据，探讨分段电容传感器在此后我国原油的油水分别中的前进意义。重点词：油水界面；分段式电容传感器abstractWhencrudeoilisnotjustpuremined，Butwithsomeofthemoisture，Separationofoilandwaterintheprocessneedstobe，Becauseofdifferentdensitiesofwaterandoilgravityofcrudeoilstoragetanksinthewaterwiththeoilseparated，Inthefollowingoilandwaterintheabove，Thisproducesoilandwaterinterface，Thenthroughthewaterandoilwereexportedmethods，Willbeabletoachievethepurposeoftheseparationofoilandwater。Inordertobettercontroltheoilandwaterseparation，hewholeprocessmustbepreciseandaccuratereal-timemeasurement，Masterthemostaccuratedata。Althoughtherearesomesophisticatedequipmentabroadarebetterabletoachievethisgoal，Butitshighpriceisunacceptable，Inthecountry，Currentlyinuseisstillrelativelyprimitivemethods，Therearealreadymanyexpertsputforwardthetraditionalcapacitivesensorstoanewkindofsegmentedcapacitancesensortoimprovetheprecisionvalues。Inthispaper,weintroducethestructureoftheentireoilandwaterseparationsystem，Andthecurrentdomesticdesigninthissystemsomeofthehardware,softwareaspects，Discussesindetailthedesignofasmallcapacitorandthesignaldetectingprecisiondetectionmethod,theprocessingcircuit，Somecurrentexperimentaldataanalysisexpertsandscholarshavedoneexperiments，ExplorethesignificanceofsegmentedcapacitancesensorinthefutureofChina'scrudeoilandwaterseparationinthe。Keywords:oil-waterinterface;segmentedcapacitancesensor第一章绪论...................................................................................................................................51.1油水分别界面检测的现在背景以及意义........................................................................51.2几种常用油水分别界面检测方法介绍...........................................................................51.3本文的主要内容...............................................................................................................7第2章原油加工过程以及当前国内对电容式液面检测法的研究成就.....................................82.1生产中原油分别过程.......................................................................................................82.2当前国内对电容式液面检测法的研究...........................................................................9第3章新型分段电容传感器的优势.......................................................................................103.1传统的电容传感器.........................................................................................................10传统的电容传感器的检测原理.........................................................................10传统电容传感器的缺点.....................................................................................113.2分段电容传感器.............................................................................................................12分段电容传感器的检测原理.............................................................................123.2分段电容传感器构造图.................................................................................................13分段电容传感器与传统电容器相比的优越性.................................................14第四章系统硬件设置.................................................................................................................154.2极板阵列控制电路..........................................................................................................16电路的设计..........................................................................................................16多路模拟开关的选择..........................................................................................164.3细小电容检测电路设计..................................................................................................17正弦波发生电路..................................................................................................17变换电路........................................................................................................19相敏解调电路和低通滤波器..............................................................................20低通滤波器..........................................................................................................20减法器和参照电压电路......................................................................................21缓冲器..................................................................................................................234.4数据采集及办理系统......................................................................................................234.4.1C8051F005单片机简介......................................................................................23单片机资源的应用..............................................................................................244.5显示及键盘控制电路......................................................................................................25显示模块..............................................................................................................25键盘控制模块......................................................................................................26第5章系统软件的设计.................................................................................................................285.1单片机检测程序..............................................................................................................28主程序..................................................................................................................28系统初始化..........................................................................................................28正弦波激励............................................................................................................29零点参数的设定....................................................................................................30非易失存储器的存取............................................................................................30数字滤波................................................................................................................31油水界面高度判断的算法....................................................................................315.1.7.1界面粗测.............................................................................................................325.2PC机程序.........................................................................................................................375.2.1PC机串行通讯375.2.2上位机界面38第一章绪论1.1油水分别界面检测的现在背景以及意义石油能源在世界的地位越来越高，现现在，石油能源已经被经济公司、经济部门所宽泛的使用在居民的平时生活中，在一定程度上，能够说石油工业的水平代表这个国家的现代化发展水平。可是现有的石油开采量远远不能知足世界60亿人口的生活、生产需求，而且现有的石油开采技术也使得原油的开采量大打折扣，还造成好多资源浪费，鉴于此，研究怎样提高原油开采率，降低原油浪费，改良开采技术已成为好多科学家的主要课。尽人皆知，石油从发现到被使用到工业中要经过一系列的：开采、分别、提炼等步骤一个不能少，在这些步骤过程中，只是就开采一项就需要好多繁琐工序，实际上，原油开采的时候，会带出大量的水随和，同时还有少量泥沙，这样的原油并不是我们实际所需要的，要使用有关技术对这种混淆油进行分别办理，沙石与油的分别相对较为简单，但是油和水的分别就不是那么简单了，这里就出现了有关的油水分别技术。要分别油中的杂质，原油要被输送到油田脱水站，脱水站使用高温分别罐对油进行高温办理，静置48小时后，油就会在分别罐中分红几个界面，最下面是水和泥沙，中间为油和水，上面为气和油。这时，就要经过精确计算、测量油和水的分界面，这样才能放出分别罐中不含油的水，这是一项需要很谨慎、仔细去操作的环节，如果测量不正确，分别后的油中水分太多，容易造成炼厂冲塔事故；如果分别后将太多的油连同水放掉容易造成资源浪费和环境的污染，因此，油的分别过程对每一个开采场都是十分被重视的。截止到现在我国已经有一些特意运用于检测油水界面的仪器，可是这些仪器中好多技术都的运用率都还很低，还需要持续开发研究，外国虽然有一些较为先进的仪器，能够在一定程度上提高油水界面的检测效果可是其高昂的价钱让人望而止步。鉴于以上各种原因，研究和开发出一种效率、精确度更高的判定原油中油水界面的仪器对世界尤其是国内的油田开采拥有重要的意义。1.2几种常用油水分别界面检测方法介绍陪伴着科技的发展，人们对原油中油水分别界面检测技术越来越关注，而且随着各种高新技术，如：雷达、微电子、超声波、光纤以及其他各种高新技术传感器等的迅速发展，各式各种的新的检测技术也络绎不绝的出现。当前各种光纤式、压力式、浮力式超声波式的计量和仪表已经宽泛运用到各式各种的油罐中，随着这些高新检测技术的引入，使得油水检测抵达一个高精度、多功能全新的境界。但是这么多高新技术确实平分秋色，任何一种技术或许仪器都不能被此外一种技术或许仪器完全取代，他们都有自己的长处和缺点，下面对这些油水界面检测方法分别进行简述：（1）压力差值式界面检测方法水的密度与油的密度相差好多，密度不同相应的压力也就不同，这就能够对油罐中的每个地点的油水混淆物进行压力测量来推算出这个地点的混淆物的密度，从客观角度上来说，经过这种压力检测，不单能够测量出油罐中的油中含水的地点，还能够经过一定量的计算得出这个地点的含水量，可是，到当前为止，市面上的一些压力检测仪器很难测出计算所需要的精确数字，并且，因为破乳剂、矿化度等各种聚合物的扰乱，水和油的密度相差变小，同时，仪表很难实时的补偿出油的一直变化着的密度。（2）浮子式界面检测方法将浮子与特定的弹簧马达连在一同，并将这种特定的浮子放在油罐中的油水中，当油罐中的浮子随着界面有上下改变时，与浮子相连着的弹簧马达也相应的做出正反转，经过这种方式就将油罐内的界面高度体现在弹簧马达上，弹簧马达将这种改变变换成电信号进一步办理。在一些比较大的油罐中，还需要加装钢丝。浮子式界面检测方法的优点在于方法简单且精度较准，但有些原油粘度比较大，使得浮子检测精度大大降低，并且打的油罐中加装的钢带会因为油水页面的波动而断裂，维修特别不方便，因此，浮子式虽然在一定程度上较为简易使用，可是长久用不好维护。（3）磁致伸缩式界面检测方法运用磁致伸缩效应，使用带有磁致伸缩线的传感装置去检测，这就是磁致伸缩式界面检测方法。工作原理为检测仪与浮子共同工作，检测仪发出低电流脉冲，低电流产生磁场，此时浮子随着油罐内的油水界面而不断波动，这是，浮子内安装的磁铁所产生的磁场与电流磁场相遇，碰撞出波导歪曲的脉冲，经过两次脉冲发生的时间来确定浮子的地点，进行油水界面检测。磁致伸缩式界面检测方法的有点为稳固性好，精确度高，是无损害性检测，可是其同样存在缺点，其缺点与浮子式界面检测方法同样原油粘性高的时候其精确度大大降低。（4）超声波探测式界面检测方法油罐中油水混淆物中油和水的密度不同，超声波在其中的流传速度也不同。超声波探测式界面检测方法就是将超声波仪器：发生器和接收器放到油罐中，利用流传速度的诧异来判断油水混淆物界面，这种方法同样有自己的优缺点，优点是不像其他方法那样会挂油，缺点是因装置的原因致使精度不高。（5）光纤技术界面检测方法美国是利用光纤检测油水界面最多的国家，在此方面的研发专利也是最多。光纤技术界面检测法利用的是介质折射率不同致使光纤在里面的传输功率也不同的特点。光纤式界面检测法的优点好多：体积小、敏捷度高、范围大，可是它与其他接触式测量同样，也受外界环境的影响而致使精确度降低，可是光纤式法适合在易燃易爆场合进行测量。（6）电容式界面检测方法电容式界面检测方法合用在圆柱型的金属容器中，立电极于金属圆柱中间，这样就与金属壁形成电容器。在金属油罐内部，上层为油下层为水，两种电介质呈并联状变为两种电容器，合成一个电容，容量公式为：CC1C220r1H20r2(LH)C0kHln(D/d)ln(D/d)式（1.1）中，0为真空介质电常数，r1是水的想对介电常数，r2为油的相对介电常数，L为柱型金属容器的高度，D为外径，d为内径。经过此公式，可获得金属油罐中油水地点。电容式界面检测方法的有点在于精确度高、敏捷性强，缺点为受外界因素扰乱程度大，且整个仪器的价钱相对高。随着时间流逝，各项科技技术的有效发展，油水界面测量仪器中的技术现在抵达自动化的高度，精度也越来越高，功能也越来越自动化、一体化，特别是在微办理器技术引进之后。这大大的提高了我国原油开采中油水界面检测技术，使得我国原油开采实现质的飞越，可是发达国家相比，我们的技术仍是相对弱后的，因此，我们还有很长一段路要走。1.3本文的主要内容（1）对当前我国以及其他发达国家中常用的原油开采黄总液面检测技术以及原理进行较为详细的剖析，对照优劣。（2）从各方面对当前各专家学者提出的电容式界面检测方式进行剖析，介绍小电容的精确检测方法及信号检测、办理电路的设计，并剖析其可行性。第2章原油加工过程以及当前国内对电容式液面检测法的研究成就2.1生产中原油分别过程为了更好的解释整体，带大家看看原油生产最初过程。原油的发现到最后的使用，这个过程兵不像想象的那么简单，而是经过一系列繁琐工作程序得来的，原油开采出来后要经过采油站，中转站，联合站，一级分别罐，中间罐，脱水泵，二级分别罐，成品罐，采油站要计量原油，中转站负责初步分别，联合站负责计量、加热，一级分别罐负责沉降分别，中间罐负责脱水，二级分别罐进行最后加工，其中二级分别罐的温度比一级分别罐更高200摄氏度左右，一级分别罐为600摄氏度左右，二级分别罐为800摄氏度左右。油水检测技术需要在一级分别罐和二级分别罐中使用，两个分别罐的高度大概都在13m左右，如下图，罐顶端有溢流孔，底部有排水孔，当原油进入罐中时，经过一定的时间的分别，加上重力、破乳剂等的影响，在理论上能形成一个油水分界面。图2.1油水分别罐工况图整个工序解释起来相对简单，可是实际操作确实一个特别复杂的过程，因为上述所说的分别实际上是一个理论上的分别状态，现实中原料、破乳剂等带来的影响，使得原油在分别罐中并不体现理想的分别状态，而是会多出一个油水分别过渡层，也就是所谓的乳化层，乳化层的含水率根据离水层距离变化而变化，离水层近的含水量高，电常数就高，离油层近的含水量低、，则电常数就低，变化趋势最大可达到80最小可达到，正是这原因，使得油水界面检测变得更为复杂更为需要技术含量。2.2当前国内对电容式液面检测法的研究本文展现的是电容式液面检测法，优点在于能够根据分别罐中的每对电容极板的值，用差分法计算油罐中结蜡造成的误差，不需要知道分别罐中没个地方介质的电介常数。电容传感器、控制、检测、显示、通讯等单元组成一个较为完善的分别罐的原油油水液面检测仪器。详细工作流程如下：油水混淆物经过办理后放在分别罐中，先入一级分别罐再入二级分别罐，察看油水混淆物的界面抵达指定地点后，停止倒入，进行静置，在一准时间的静置后，油水混淆物会形成三层：油、水、空气，分层好之后，单片机、油罐中的电容极板开始工作，单片机接收C/V变换电路办理后再次经过A/D变换形成的信息，单片机办理接收到的信息，传送至显示装置，同时传送至计算机进前进一步计算。这样，最终接收到信息的计算机就能够在远端获得油罐中的高度信息，分层信息，进行自动控制。图2.2系统总体设计构造模型第3章新型分段电容传感器的优势3.1传统的电容传感器传统的电容传感器在界面检测中使用的理论依据是，原油在油罐中分层后，不同的介质拥有不同的介电常数，并且是在同一个油罐中，能够清除其他因素的扰乱，这样就能够利用电容传感器测出油罐中每个地点的介电常数，进而掌握油罐中的分层情况。可是传统的电容传感器在实际使用中拥有好多限制，这就为分段电容传感器的研究确立了基础，本文从传统到新型的分段电容传感器逐步为大家介绍传感器在油水界面检测中的使用。传统的电容传感器的检测原理传统电容传感器，依靠一根完整的检测电极来检测油罐内的液面分层情况。（如图3.1所示）。图3.1传统电容传感器使用方法当油罐内分层好后，在同一种介质中，电容值计算公式为：Cx2Hm20rHmDDlnln(3.1)dd式中0r为介质的介电常数，为真空介质常数，r为相对介质常数，0D为罐的内径，d为检测电极的外径，Hm为检测电池的长度。在图3.1的原理图中，把聚四氟乙烯套在检测电极中以起到绝缘的作用，在原油还没有倒入油罐的时候，整个油罐内部环境组成一个检测系统，整根Hm就是电极覆盖长度。当油水倒入后，水位高Hx，则导电液体就是电容的另一极板的一部分。在高度Hx范围内，作为电容外电极的液体部分的内径为D0，内电极直d0油层高度为Hm-Hx，由公式可知，在与罐内介质的介电常数成正比。介电常数D、d、Hm不变的条件下，电容大小r改变，电容值Cx就会发生变化，这时电容的计算公式为：（3.2）其中：C020r2Hm（3.3）lnD20dK(r1r2)（3.4）lnDdC1为高度Hm的介质1产生的电容，C2为高度为（Hm-Hx）的介质2产生的电容，r为介质1的想对介电常数，r2为介质2的想对介电常数，由公式（3.2）可见，总电容Cx与介质1的高度呈线性关系，只需检测出Cx的大小。就能够算出Hx的值。传统电容传感器的缺点在检测的时候，理论上能够根据原油和水的介电常数不同来检测油罐中油水的分层情况，因为原油的介电常数大体是水的介电常数的四十分之一，水位80左右，油为2.3左右，可是再操作的时候，碰到诸多困难：（1）首先是原理性的误差，也就是无法防止的误差，原因是传统的传感器对介电常数的要求很高，不能发生范围以外的改动，可是再野外条件艰难的地方，开采出来的油受温度、成分等个方面的因素影响，介电常数变得不稳固，这样，最后测量的Cx变化与预期相差很大，所最终获得精确度也大打折扣，不够理想。（2）乳化层的影响。乳化层中油水的分别并不清晰，而是一个渐渐过渡的过程，这样就无法确定乳化层的电介质常数，进而经过电介质常数计算的传统的电容传感器也就无法精确得出乳化层的地点，只能得出近似界面，所以怎样办理乳化层测量得出的数据也是一大难题。（3）长久使用电容器粘滞滞留带来的误差。长久在粘度高的原油中使用传统电容传感器一些含蜡高的介质容易在电极板或许油罐内壁中形成滞留，被测液领会因为这些蜡块儿而惹起电介质的常数发生变化，这也直接影响了最后的测量结果，影响测量的精确度。3.2分段电容传感器分段电容传感器的检测原理分段电容传感器很好的解决了传统电容传感器碰到的困难。分段电容传感器里面有好多小的、相互孤立的电容传感器，不再像传统电容器那样用一根电容器去测量，同时分段电容传感器在极板方面也做很大改变，不使用分别罐壁作为极板的另一端，而是使用小电容器的极板，这样就形成了好多个小电容器来共同测量油水界面。3.2分段电容传感器构造图本课题研究的是十个极板的，相邻的两个极板，一个起激励作用，一个起接收作用，共同组成一个电容，这样就有九个电容值（共组成九个极板对），就是这样的一个改变，将原来落伍的那种使用一根检测电容的方式改为现在的相同长度的从上到下的十个检测电容（图上注明的十段，实际需要的时候能够根据实际需要增加或许减少），这些检测电容是相互独立的却又相互协调工作的小液位计，共同来检测总量程的全液位，图3.2显示，除了最上面的电容传感器以外，下部的所有的电容传感器有的充满了原油，有的充满了矿物质，有的充满了水，可是不论哪一种全部除了最上部的那个以外，其他的都有充满介质，从图3.2中很容易看出，C2、C3、C4、C5、C6全都都被原油所填满，因此，又因为他们所处环境相同，并且电容的间距、电容的大小等都是同样的，所以容易推断出：C6≈C5C4≈C3≈C2；又根据图3.2容易得出在C8、C9、C10中满满的都是介质水，所以又容易推出C10≈C9≈C8工作时，以单片机为主体，进行切换电容、C/V变换、采样，油罐中的液面散布从上到下分别为空气、油、乳化层、水层，如图3.2四个地区的分层情况能够很好的根据分段电容显示出来。每个传感器的接线区分均以传感器中间位，这样根据传感器的测量数据就能有效得出在油罐中的分层情况（不同介质的电介质不同），再经过相应的计算，就能算出油罐内每个介质的高度，关于油水界面高度表示为：H=3L0+Lx（3.5）关于分段电容传感器，分段电容的地区宽度与传感器的制作工艺有关，因此式中的L0就比较固定，获得的数字较为精确，这样与传统的电容传感器相比克服了很多困难，现在关于油水界面的检测问题，即怎样的精确的去求得Lx，既而怎样解决H精度和Lx的问题成为重点。根据图3.2，首先要解决的问题是判断需要检测的油水界面终究在哪个地区，这个能够根据相应的数字进行推断，因为空气的和水以及原油的介电常数不同，空气的约为1，水的为空气的80倍，约为80，原油的介电常数为水的两倍到三倍，约为2.3~3.0，根据这些信息，容易判断在图3.2中每个电容区的电容值关系为：C1