原油泡沫下液位测量的方法研究

林木

【摘 要】结合电容基本原理及电子测量技术，设计一种能够解决泡沫下液位测量的传感器检测系统。介绍该系统的各组成部分，包括电容式传感器的结构，检测电路的选择，使用方法和验证实验方案，取得令人满意的效果。

【关键词】电容式传感器；检测系统；泡沫

引言：

电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、易于实现非接触测量等优点。虽然易于受到外接干扰和寄生电容的影响，但随着电子技术的迅速发展，以及驱动电缆技术的出现，这些缺点正被逐步克服，可以实现常规测量手段所不能完成的任务。在油田现阶段生产中，由于各种辅助采油手段的使用，油质发生很大变化。其中储油罐内原油起泡沫的现象比较多，对准确计量产生严重影响。本文设计一种电容式测量方法，可以准确测量泡沫下液位，并能够区别空气、油泡沫、油、水四种介质。

一、电容式传感器系统组成

系统整体由绝缘极板电容、镀银屏蔽信号线、电容检测器、标准量油尺四部分构成。

（一）电容式传感器原理及结构设计

电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，其电容量为：

式中： ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；

S——两平行板所覆盖的面积；

d——两平行板之间的距离。

根据电容传感器原理，我们可以知道当电容极板间介质介电常数发生变化时，电容器的容量也同时发生变化。考虑油罐内不同介质分布情况，可以知道当同一电容器经过空气、油泡沫、油、水时，其电容量因不同介质填充在电极板间而发生改变，该改变量与介质的介电常数有关。也就是说通过预先测定四种介质的介电常数，就可以知道电容器所处介质环境。如果将电容器与标准量油尺相结合，就可以通过量油尺刻度获得不同介质的位置信息，从而完成泡沫下油液面的测量。

（二）对介质测量电容设计和检测电路选择的要求

电容器设计：作为测量装置，极板间必须可以通过检测介质，两极板间相对位置必须固定。考虑安全因素和污水导电特性，作为电路组成的极板必须与介质绝缘。由于计量精度要求，两绝缘极板构成的电容器必须可靠固定于量油尺上，合适的位置为量油尺重锤。

检测电容量仪器选择：电容要自如通过检测介质，极板间隔必须要大，根据合适的电容器设计实测其容量在数十PF左右，因此要求检测电路精度必须达到0.1PF级别。电路必须使用电池供电方式，耗电量符合移动仪表工作要求。

二、应用

（一）介質介电常数的标定

虽然作为测量装置的电容器要经过空气、油泡沫、油、水四种介质，但是我们只要标定其中的油的介电常数，就可以消减油泡沫和水对计量的影响。追求更高精度可以对水的介电常数进行测定，这样结合量油尺就可以完整判断油层厚度。如果在净化油罐中含水稳定，可以在油罐出口取样，测量系统连接完毕后进行消零操作，再将测量电容器浸没于油样中，读取电容示值，作为该净化油罐的测量样本。对于在含水较高油罐中应用，则需人工提取不同液位高度的油样，区别出液面油样和水面上油样，使用测量电容器实际测量该两油样的电容量作为油层开始和结束的电容数值样本。

（二）安全防爆问题的解决

作为检测装置的测量电容器要浸没于油罐液面下，属于防爆要求的0区，是有严格要求的。该测量方法使用的电容器，在结构上为防止油品含水过高导电影响测量准确度而采取绝缘密闭手段，客观上不存在引发爆炸燃烧的可能，其原理就如同两根相互绝缘、对罐壁绝缘、对介质绝缘的导线，国标《GB3836爆炸性环境用防爆电气设备》对此并没有要求。在罐外使用的电容量测量装置是符合GB3836要求的设备，因此必须使用符合1区要求的防爆外壳将其包围密闭。

（三）实际应用中的操作方法

在实际使用中应该两人操作，一人执量油尺进行下尺操作，一人观察测量电容器下降情况，并在量油尺最接近油泡沫时采取消零操作；同时密切观察电容量变化情况，当电容量与标定参考样本数值一致时记录量油尺下尺深度；两次记录的差值即表示油层厚度。

三、结论

泡沫下液位测量一直是计量领域的空白项目，该文根据电容原理提供一种设计，可以比较好的进行泡沫下液位检测工作，是该领域的突破。针对目前油田联合站储油罐出现的实际问题，是一种实用的、容易实现的检测方法。

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