智能型罐體內液體計量顯示器設計

徐向前，李 蕾，李 茂，張 濤，王兆雷

（1.西安石油大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.長慶油田分公司機械制造總廠，陜西 西安 710201；3.長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710299）

油氣田撬裝設備在油田建設中已經起到了很大的作用，越來越多的油田采油設備進行了撬裝化設計和應用，比如原油接轉撬是油田原油集輸的主要一體化集成裝置，具有過濾、加熱、緩沖、分離、增壓和計量等功能。目前，這些撬裝上的罐體都安裝有液位儀，能夠實時動態顯示罐體內液體的液面高度。但是對于罐體內的液體體積及油液比，需要專業人員采用專用儀器進行測量才能得知，不具有直觀、實時、動態顯示的特點。

當前常見的原油含水率測量技術和方法主要有離線人工測量和在線檢測2 種。其中離線人工測量包括蒸餾法、電脫法、卡爾-費休法等，在線檢測法包括電導法、電容法、射線衰減法、微波透射法、神經網絡模型、射頻法等。離線人工測量耗時較長，測量過程中可能有有害物質產生，但是結果較為準確。在線檢測因為檢測原理方法不同，設計的檢測儀器結構也不相同，檢測過程具有較大區別。通過文獻檢索沒有發現能夠直接應用于油田撬裝的罐體體內油液比例顯示的儀器。基于此進行了智能型罐體內液體體積計量顯示設計。根據罐體的幾何尺寸計算罐體體積，利用液面高度數據計算液體體積，再將油水體積比引入，即可計算出罐體內油和水的體積，將計算結果進行實時數據顯示，完成了罐體內油水體積的直觀顯示。

1 設計原理

1.1 油水比的實時檢測

采用電容法進行油水比的實時檢測。在撬裝罐體的液體入口處安裝一段管道，其中電容的陽極和陰極分別設置在管道中心和管道內壁上，這樣構成了一個圓筒電容器，油水介質流過時油水比的變化會改變電容的容值。

電容傳感器的容值計算公式如下：

式（1）中：為電容值；為介電常數；為陽極長度；為電容傳感器的內徑，電容傳感器的內徑即為電容傳感器的陰極直徑，也就是管道的內徑；為電容傳感器的陽極直徑。

分析式（1）可知，陽極長度和直徑以及陰極長度和直徑為具體的幾何參數，能夠引起電容容值變化的只有介電常數。因此可以通過測量電容的容值，計算出溶液的介電常數。溶液介電常數又與油水比有著密切的關系，20 ℃時不同含水率油水混合液的相對介電常數如表1 所示。

表1 20 ℃時不同含水率油水混合液的相對介電常數表

分析表1 中的數據可知，隨著含水率增加，介電常數也隨之增加。利用表1 中的數據進行介電常數與油水比的擬合，得到如下表達式：

式（2）中：為油水比。

將式（2）代入式（1）得：

分析（3）式可知，測量電容的容值，可以計算得到油水比。但是在測量過程中，電容的容值不易測量。因此，引入了C/V 轉換電路對電容容值進行測量，如圖1 所示。

圖1 C/V 轉換電路

由圖1 可知，輸入輸出信號間滿足式（4）的計算關系。

式（4）中：（）為輸出電壓信號；為輸入信號頻率；為反饋電阻；為檢測電容；為反饋電容；（）為正弦輸入信號。

如果＞＞1，則式（4）可以寫成如下形式：

分析式（5）可得到檢測電容的容值。將式（5）代入式（3），得出油水比的計算公式：

1.2 罐體體積計算

每個撬上的罐體結構都不同，但是大部分結構相似，因此本文以原油接轉撬為例進行罐體體積計算。原油接轉撬的罐體結構如圖2 所示。圖2 中給出的符號的尺寸都是罐體內的測量值，計算過程中不考慮溫度、壓力變化等原因而引起儲油罐的體積變化。

圖2 罐體體積計算簡圖

罐體的主體為圓柱體，罐體的兩端為球缺，為罐體的圓柱體的底面半徑；1 為球缺對應的半徑；為圓柱體的長；為球缺的高，當油液的高度為時，（）為總的儲油罐的油液的體積，（）的計算過程如下。

圓柱體內的油液體積（）隨油液的高度的變化關系為：

罐體的一端球缺內的油液體積（）隨油液的高度的變化關系為：

總的罐體內的油液體積隨油液的高度的變化關系為：

分別給幾何尺寸、、1 賦初值，再實時引入油液的高度，可以計算出罐體的液體總體積。

2 油水體積比顯示電路設計

依據上述原理進行硬件設計，顯示實時油水比數據。為了方便參數輸入和計算速度較快，進行了主控芯片的選型。為了將油水比讀入主控芯片中，進行了模擬量與數字量的轉換電路設計。根據液位計的液位高度數據輸出形式，將液位數據讀入主控芯片。根據現場數據顯示的要求，將數據顯示器件的選擇和接口設計。將各個功能電路部分進行集成設計，完成了油水體積比顯示電路設計。

2.1 基于ESP8266 的應用系統設計

撬裝設備上的罐體結構相似，但是具體尺寸相差很大。為了增加設備的智能性和通用性，選用能夠現場輸入或者調整相關參數的芯片最為合適。因此ESP8266 芯片被選中，作為主控芯片使用。ESP8266具有低功耗、小尺寸的UART-WⅠFⅠ的芯片，同時有32 位處理器和片內SRAM，能夠處理和存儲較多數據。ESP8266 模組有16 個引腳，需要進行外圍電路設計才能正常運行。ESP8266 應用系統如圖3 所示。

圖3 ESP8266 應用系統

為了方便調試設計了復位電路，工作模式和程序下載模式選擇電路。其中復位信號RST 通過按鍵進行接地完成復位；使能管腳EN 置位高電平完成芯片使能；ESP8266 的工作模式和程序下載模式由ⅠO0 決定，為高電位工作模式、低電位程序下載模式。將ⅠO2 和ⅠO14 配置為ⅠⅠC 通信引腳，用于數據傳輸。設計的基于ESP8266 應用系統可以完成系統的復位、程序下載、模擬量采集、數據傳輸和顯示等功能。

2.2 液位儀液位數據的讀入電路

目前油氣田撬裝設備中大型罐體上都裝有液位傳感器，因此在充分利用現有傳感器的基礎上完成液位數據的ESP8266 讀入。油田常用的液位傳感器通常能夠提供4～20 mA 的電流信號。在此設計中，充分利用該電流信號進行液位數據讀入，同時不影響現有控制或監測系統信號的使用。

采用信號隔離器將現在使用的4～20 mA 電流信號轉換成2 路相同的液位信號，一路供原先罐體上的控制或監測系統使用，一路供智能型罐體液體體積計量顯示器使用，液位數據轉換電路如圖4 所示。

圖4 液位數據轉換電路

圖4中信號隔離器輸出的仍然是4～20 mA電流信號，讀入ESP8266 時可以使用ADC 引腳進行模擬量讀入，但是需要與檢測油水比的（）分時復用。油氣撬裝上大型罐體的液位傳感器通常安裝2～3個不同類型的液位傳感器，如果采用分時復用的方法，會出現電路較為復雜的情況。為了簡化電路，同時增加智能性和通用型，采用數字信號讀入ESP8266。也就是將信號隔離器輸出的液位傳感器的液位4～20 mA 電流信號轉化成數字信號接入ESP8266。智能型罐體體積計量顯示器系統能夠清晰區分罐體上液位傳感器數據來源，有利于分析判斷數據。

2.3 數據顯示接口設計

根據液位數據計算罐體內液體體積，顯示計算后的液體體積數據需要設計顯示接口。依據設計的ESP8266 應用系統選用ⅠⅠC 顯示器。優點是數據線數量較少，只有電源VCC、GND、SCL、SDA 這4 根，接口設計簡單。ESP8266 的 ⅠO2 和 ⅠO14 引腳已經配置為ⅠⅠC 通信引腳，設計的ⅠⅠC 數顯顯示接口電路如圖5所示。根據數據顯示接口設計，選用OLED 顯示器進行數據顯示。OLED 顯示器固態顯示、溫度適應范圍大、響應速度快、功耗較低，適合作為儀器儀表數據顯示使用。選用的ⅠⅠC 數據顯示器作為從機使用SDA和SCL 實現數據傳輸。

圖5 數據顯示接口

3 結語

采用ESP8266 芯片進行了油氣田撬裝中罐體內油水體積實時動態顯示設計。其中ESP8266 應用系統中設計有模擬量采樣、數據顯示及復位和程序下載電路。采用電容法設計了罐體入口處的油水比檢測傳感器，采用C/V 轉換電路將電容值變化變換成電壓量，以便于ESP8266 系統進行模擬量采集。根據罐體的結構和幾何參數以及液位傳感器數據，采用ESP8266 系統計算了罐體內油和水的體積。采用ⅠⅠC 總線方式設計了數據顯示接口，實時顯示液體體積數據。同時ESP8266的Wi-Fi 功能為后期傳感器數據的綜合應用和邏輯分析提供了網絡拓撲基礎。設計的智能型罐體內液體體積計量顯示器，從理論上分析能夠直觀、實時、動態顯示液體體積數據，方便現場人員及時掌握罐體內情況。