電容式油水界面儀的設計與應用

劉闖，張照，彭正輝，朱今祥，吳燕民，葛薇

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266580)

原油站庫的原油交接計量直接關系到油田的成本核算，區塊的產油累計,地質開采方案編制等多方面。但由于油水密度的不同及受強電場、溫度、壓力等因素的影響，導致無法測得油罐內準確的油水界面,從而影響油罐盤庫計量準確度。通常情況下，從罐頂到罐底，物質的分布規律分別為氣體、原油、油水乳化液、水、污泥層。油罐中的油和水可以組成不同形態的油水乳化液，在界面處形成乳化帶，準確地測量出乳化帶的位置和寬度，就能確定油水界面的位置，進而計算出儲罐中原油和水的體積。

在原油生產過程中，很多儲罐仍然采用人工方法檢測儲罐的油水界面的位置，測量誤差較大，操作不便，而且受取樣和測定周期的影響。因此，本文設計了一種電容式油水界面儀，可以實現原油罐的油水界面長時間動態的在線監測。

1 油水界面儀的工作原理與系統構成

1.1 工作原理

油水界面的位置可以通過監測浸在其中2個極板的電容值差異后計算得到，原理如圖1所示。

圖1 板間電容原理示意

電容的計算如式(1)所示：

C=εrε0S/d

(1)

式中：C——電容值；εr——被測介質的相對介電常數；ε0——常溫空氣的介電常數；S——極板的正對面積；d——極板距離。由此可見，當兩極板的相對位置確定后，影響C的只有εr，因此C和εr之間的線性關系如式(2)所示：

C=aεr+b

(2)

式中：a,b——常數

1.2 測量系統構成

電容式油水界面儀主要由電容測量傳感器，檢測控制主機和上位機PC構成，其中電容測量傳感器置于油罐內部，可以單根工作，也可以根據實際油罐的高度多根級聯工作；檢測控制主機位于油罐外，主要用于上位機PC和電容測量傳感器之間的數據交互，實現對電容測量傳感器的控制；上位機PC主要實現數據的處理和圖形化顯示等。測量系統構成如圖2所示。

圖2 測量系統構成示意

1.2.1電容測量傳感器

電容測量傳感器的工作原理如圖3所示，主要由單片機MSP430，多路開關CD4051B，電容控制處理器AD7143，收發傳感器及外圍電路構成。其中MSP430產生100 MHz的方波信號源，通過CD4051B加載到發射傳感器端，激發電場經過被測介質到達接收傳感器，接收到的信號通過AD7143后傳輸到檢測控制主機進行融合等進一步處理。

圖3 電容傳感器電路示意

1.2.2檢測控制主機

檢測控制主機實現對多級電容測量傳感器的實時控制、故障檢測和數據傳輸，利用微處理器MCU完成數據融合處理和分析，并且實現輸入電源的電壓轉換，包括DC-DC及LDO單元。檢測控制主機和上位機PC的數據交互采用RS-485通信接口，保證數據的遠距離傳輸需求。

1.2.3管理軟件

油水界面管理軟件運行于計算機系統中，通過RS-485工業現場總線可對遠程的多個檢測儀進行監控和報警指示，管理軟件的功能包括： 介質層高度顯示、工作狀態指示、主機開關控制及超閾值報警四部分，其中介質層高度顯示的主要功能是顯示介質層高度，即顯示油罐內氣、油、油水混合區、水四種介質層高度的實時數據；工作狀態功能用來顯示儀器是否正常工作，硬件連接是否正常等；主機開關控制可以對每個級聯的電容測量傳感器的工作狀態實現單獨控制；過閾值報警功能可方便用戶設定介質層閾值，并做出相應的報警指示。

1.2.4數據處理

實際生產過程中，由于受到溫度、黏度、電場強度等因素的影響，油水界面通常是厚薄不均、含水不均的過渡帶，界面過渡帶的復雜性，還有周圍環境的隨機干擾，都增加了油水界面檢測的難度。采用自適應濾波、自適應背景對消等處理方法抑制隨機干擾信號、剔除背景噪聲，凸顯油水混合界面的微弱信號，采用差值、平滑、標準化等處理方法校正實時曲線，采用區間擬合技術實現油水界面的精確檢測定位，具體處理流程如圖4所示。

圖4 數據處理流程示意

2 室內和現場實驗

2.1 實驗室實驗

室內測試環境中，利用1.2 m×0.5 m×0.5 m的玻璃缸模擬油罐,下層注入高為80 cm的自來水,上部注入高為15 cm的油層,最上方為空氣層，利用鋼尺作為參照標準。將1根電容傳感器垂直放入到模擬油罐內，在不同深度處，分別進行數據采集和存儲工作，通過上位機軟件顯示，可以觀察到在不同位置處傳感器的不同測量值。室內實驗數據處理結果如圖5所示，橫坐標為電容傳感器(簡稱油尺)通道，縱坐標為歸一化電性參數反演值。從圖5中可見，電容傳感器的21～36通道位置處電性參數反應值最高，處于第一臺階，第21通道以上為空氣層，處于第二臺階位置，第36通道以下為水層，可見各個液體層界面比較明顯，分層清晰易識別，并且與鋼尺指示的位置一致，同時油水過渡帶可以清晰地判別出來。

圖5 室內實驗數據處理結果示意

同理，鋼尺位置不變，手動控制電容傳感器在油罐的不同位置，通過重復實驗、觀察測試結果，多組實驗結果如圖6所示。在4次測試中，均有空氣-原油界面有顯著的臺階式升高，油水界面臺階式下降，實驗1曲線抬升區為11～26通道，實驗2曲線抬升區為21～36通道，實驗3曲線抬升區為29～44通道，實驗4曲線抬升區為44～56通道，在每一種液體介質中，反演的電性參數較一致，不會出現較大波動，4次實驗抬升厚度均為15 cm，測量穩定。通過實驗室環境測試結果表明： 油水界面檢測儀具有很好的穩定性和較高的準確度。

圖6 多組實驗結果示意

2.2 現場實驗

2017年5月9—10日在某油田現場測試采油井，模擬油罐尺寸為1.5 m×0.5 m×0.5 m，試驗用的液體為該采油井現場采出液。

用鋼卷尺測量玻璃儲罐各界面高度并記錄，用油水界面儀樣機測試各界面，對比兩種方法的測量結果進行指標驗證，結果見表1所列。由表1可知，鋼卷尺記錄值和油水界面儀測量的油層厚度誤差均在1.0 cm以內，精度較高。

表1 現場試驗數據記錄 cm

3 結論

1)在油罐內，油層、水層、油水過渡帶的電容不同，通過算法處理后可以清晰地看到3個層位的曲線。

2)室內實驗中，在同一種環境，油水界面儀放置在不同位置均可獲得完整的油層、油水過渡帶、水層的差異曲線，效果穩定。

3)基于不同介質電容不同的原理，該油水界面儀可以精確地測量油層的厚度，精度在±1.0 cm以內。

4 結束語

本文介紹了電容式油水界面儀的工作原理和系統構成，系統采用電容式傳感器可以根據油和水的介電常數差異實現油層、水層及油水過渡帶的測量，通過RS-485工業總線可以實現遠程安全控制及顯示，經過室內實驗和現場實驗驗證，表明測量效果穩定，精度高，具有較高的使用價值。