原油含水率检测仪的研制

王清　张浩　徐斐阳刘黎明　李恒　王证印　葛亮

摘要：本设计基于AD7746芯片研究并制作了对原油含水率检测的仪器。在一定的温度下，不同含水率的原油具有不同的电容值，根据测量原油的电容值即可计算其含水率。本系统主要包括电容传感器的设计与制作，AD7746与单片机的通信。AD7746芯片实现模拟电容数字化，STC89C51对得到的数字电容值进行处理并驱动LCD1602显示其含水率、电容、温度。

关键词：原油含水率；智能检测；AD7746；电容传感器；单片机

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）27-6533-03

Abstract： This design that based the AD7746 researched and produced the equipment for detecting the moisture of crude oil. At a certain temperature， crude that have different water content have different capacitance values ??，whose value can be calculated based on that measured moisture content of the capacitance. The system includes the design and production of a capacitive sensor， the communication of AD7746 and MCU. AD7746 chip will converter analog capacitive to digital capacitive. STC89C51 process digital capacitance values ??and drive LCD1602 to display its moisture content， capacitance， temperature.

Key words： Crude moisture content； intelligent detection； AD7746； capacitive sensor； microcontroller

随着现代工业技术的不断发展，对各项参数的实时监测显得越来越重要。目前，我国大部分的油田已进入中、高含水期，部分老井的原油含水量不断增加，产量逐年减少，含水率的检测将会对原油的产量计算提供重要的参考价值。在原油生产过程中，原油产出且还未经过初步处理时，测定含水率有利于掌握注水情况。有利于调整后续生产性注水的计划，提高产量。在原油交易方面，测定含水率是销售上商务衡量的一个标准，原油含水率将直接影响原油销售价格。因此，对原油含水率的精确研究具有重要的意义及价值。在我国含水率检测仪应用方面 。通过对现有的原油含水率检测仪的比较分析，大多存在测量准确度低的现象，国外的原油含水率检测仪的测量准确度较高，但价格昂贵并且大多并非针对我国油田特色而设计。因此，针对我国现目前原油现状，并获得较高准确度的原油含水率分析仪是我们研究设计的重点。

1 系统框架设计

通过研究和对比发现，油和水的介电常数的差异较大，因此当油中混入水的比例在0%到30%时，不断在油中增加水的比例，可以明显的观察到混合溶液的介电常数的变化，其电容值也会发生相应变化。根据这种现象，本设计通过电容传感器测量其电容值，再将通过电容信号处理得到数字信号，传输到微处理器进行数据的优化和处理，最后将结果显示到液晶屏。本原油含水率检测仪研究的另一个特点就是便携化。因此，在设计过程中尽量将“硬件软化”。摒弃了原有的庞大的数据采集系统，采用可直接与电容传感器连接的数字电容转换芯片AD7746，并结合AD8515芯片，将采集到的电容值转化为数字信号送入单片机中，虽然增加了编程的难度但减少了仪器的体积，为手持提供了可能。

实际上，我们对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。但实际上，考虑到电容传感器极板间的漏电和介质的损耗，导线间的寄生电容等，会导致测量时有一定的初始电容值，因此在测量前需得到这个初始电容值。

2.2 模拟电容数字化电路

该模块主要通过AD7746实现电容信号的采集和电容到数字信号之间的转换功能，再将转换的结果送入单片机处理。利用AD8515对AD7746的激励源EXCA和EXCB产生的方波信号进行调理，之后接到待测电容Cx的一端，Cx的另一端接到AD7746的CIN+端，从而实现对电容的采集。AD7746与单片机的通信采用与I2C兼容的2线串口方式。其中数据通信线SDA与单片机P2.3相连，时钟控制SCL连接到单片机的P2.2口，两个端口均外接10K的上拉电阻到电源。另外还有一根描述状态转换结果的输出信号RDY*与单片机的P3.3口相连，使用单片机外部中断1的功能，该中断信号下降沿有效，当改端口上有一个从高到低的信号跳变时，表示数字转换完成，即可以读取AD7746数字寄存器内的新数据。模/数电容转换模块如图3所示。

2.3 显示及测温电路

该模块利用DS18B29数字温度传感器对温度的实时采集，并送入单片机进行处理，STC89C51单片机完成对相关参数的处理和显示。

5 总结

本文研究的是基于电容测量的原油含水率检测系统，能够在线实时检测出原油的含水率。当原油进入检测容器时，电容检测电路能测量出由于原油含水率变化而引起的电容的变化，并将次变化传递给上位机。原油含水率检测软件根据电容值和介电常数的函数关系式，并调用相关的原油含水率检测基准，得到准确的含水率值。

该文所做的研究工作主要有：

1） 根据原油含水率检测系统的特点和功能要求，分析了检测系统的总体设计需求，并设计了检测系统的整体方案。设计并制作了测量原油含水率专用的电容传感器。根据含水率的不同引起电容量的变化，建立了电容值与含水率之间的函数关系式。

2） 设计原油含水率检测系统中的核心部分电容测量电路，该电路能高精度、高分辨率的测量出原油电容的变化。在设计过程中，利用模块化的设计方法，设计出布线合理的电路。

3） 设计原油含水率检测系统中的软件模块部分，在设计程序的过程中，充分考虑到电容检测电路与上位机实时通信、数据传递的问题，使检测的数据能快速传递给上位机的原油含水率检测软件。

4） 建立了电容与含水率之间的关系式。将硬件和软件组装起来调试，结果表明，该文研究的原油含水率检测系统正确可行。

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