电容式油水界面仪的设计与应用

刘闯，张照，彭正辉，朱今祥，吴燕民，葛薇

(中国电波传播研究所，山东 青岛 266580)

原油站库的原油交接计量直接关系到油田的成本核算，区块的产油累计,地质开采方案编制等多方面。但由于油水密度的不同及受强电场、温度、压力等因素的影响，导致无法测得油罐内准确的油水界面,从而影响油罐盘库计量准确度。通常情况下，从罐顶到罐底，物质的分布规律分别为气体、原油、油水乳化液、水、污泥层。油罐中的油和水可以组成不同形态的油水乳化液，在界面处形成乳化带，准确地测量出乳化带的位置和宽度，就能确定油水界面的位置，进而计算出储罐中原油和水的体积。

在原油生产过程中，很多储罐仍然采用人工方法检测储罐的油水界面的位置，测量误差较大，操作不便，而且受取样和测定周期的影响。因此，本文设计了一种电容式油水界面仪，可以实现原油罐的油水界面长时间动态的在线监测。

1 油水界面仪的工作原理与系统构成

1.1 工作原理

油水界面的位置可以通过监测浸在其中2个极板的电容值差异后计算得到，原理如图1所示。

图1 板间电容原理示意

电容的计算如式(1)所示：

C=εrε0S/d

(1)

式中：C——电容值；εr——被测介质的相对介电常数；ε0——常温空气的介电常数；S——极板的正对面积；d——极板距离。由此可见，当两极板的相对位置确定后，影响C的只有εr，因此C和εr之间的线性关系如式(2)所示：

C=aεr+b

(2)

式中：a,b——常数

1.2 测量系统构成

电容式油水界面仪主要由电容测量传感器，检测控制主机和上位机PC构成，其中电容测量传感器置于油罐内部，可以单根工作，也可以根据实际油罐的高度多根级联工作；检测控制主机位于油罐外，主要用于上位机PC和电容测量传感器之间的数据交互，实现对电容测量传感器的控制；上位机PC主要实现数据的处理和图形化显示等。测量系统构成如图2所示。

图2 测量系统构成示意

1.2.1电容测量传感器

电容测量传感器的工作原理如图3所示，主要由单片机MSP430，多路开关CD4051B，电容控制处理器AD7143，收发传感器及外围电路构成。其中MSP430产生100 MHz的方波信号源，通过CD4051B加载到发射传感器端，激发电场经过被测介质到达接收传感器，接收到的信号通过AD7143后传输到检测控制主机进行融合等进一步处理。

图3 电容传感器电路示意

1.2.2检测控制主机

检测控制主机实现对多级电容测量传感器的实时控制、故障检测和数据传输，利用微处理器MCU完成数据融合处理和分析，并且实现输入电源的电压转换，包括DC-DC及LDO单元。检测控制主机和上位机PC的数据交互采用RS-485通信接口，保证数据的远距离传输需求。

1.2.3管理软件

油水界面管理软件运行于计算机系统中，通过RS-485工业现场总线可对远程的多个检测仪进行监控和报警指示，管理软件的功能包括： 介质层高度显示、工作状态指示、主机开关控制及超阈值报警四部分，其中介质层高度显示的主要功能是显示介质层高度，即显示油罐内气、油、油水混合区、水四种介质层高度的实时数据；工作状态功能用来显示仪器是否正常工作，硬件连接是否正常等；主机开关控制可以对每个级联的电容测量传感器的工作状态实现单独控制；过阈值报警功能可方便用户设定介质层阈值，并做出相应的报警指示。

1.2.4数据处理

实际生产过程中，由于受到温度、黏度、电场强度等因素的影响，油水界面通常是厚薄不均、含水不均的过渡带，界面过渡带的复杂性，还有周围环境的随机干扰，都增加了油水界面检测的难度。采用自适应滤波、自适应背景对消等处理方法抑制随机干扰信号、剔除背景噪声，凸显油水混合界面的微弱信号，采用差值、平滑、标准化等处理方法校正实时曲线，采用区间拟合技术实现油水界面的精确检测定位，具体处理流程如图4所示。

图4 数据处理流程示意

2 室内和现场实验

2.1 实验室实验

室内测试环境中，利用1.2 m×0.5 m×0.5 m的玻璃缸模拟油罐,下层注入高为80 cm的自来水,上部注入高为15 cm的油层,最上方为空气层，利用钢尺作为参照标准。将1根电容传感器垂直放入到模拟油罐内，在不同深度处，分别进行数据采集和存储工作，通过上位机软件显示，可以观察到在不同位置处传感器的不同测量值。室内实验数据处理结果如图5所示，横坐标为电容传感器(简称油尺)通道，纵坐标为归一化电性参数反演值。从图5中可见，电容传感器的21～36通道位置处电性参数反应值最高，处于第一台阶，第21通道以上为空气层，处于第二台阶位置，第36通道以下为水层，可见各个液体层界面比较明显，分层清晰易识别，并且与钢尺指示的位置一致，同时油水过渡带可以清晰地判别出来。

图5 室内实验数据处理结果示意

同理，钢尺位置不变，手动控制电容传感器在油罐的不同位置，通过重复实验、观察测试结果，多组实验结果如图6所示。在4次测试中，均有空气-原油界面有显著的台阶式升高，油水界面台阶式下降，实验1曲线抬升区为11～26通道，实验2曲线抬升区为21～36通道，实验3曲线抬升区为29～44通道，实验4曲线抬升区为44～56通道，在每一种液体介质中，反演的电性参数较一致，不会出现较大波动，4次实验抬升厚度均为15 cm，测量稳定。通过实验室环境测试结果表明： 油水界面检测仪具有很好的稳定性和较高的准确度。

图6 多组实验结果示意

2.2 现场实验

2017年5月9—10日在某油田现场测试采油井，模拟油罐尺寸为1.5 m×0.5 m×0.5 m，试验用的液体为该采油井现场采出液。

用钢卷尺测量玻璃储罐各界面高度并记录，用油水界面仪样机测试各界面，对比两种方法的测量结果进行指标验证，结果见表1所列。由表1可知，钢卷尺记录值和油水界面仪测量的油层厚度误差均在1.0 cm以内，精度较高。

表1 现场试验数据记录 cm

3 结论

1)在油罐内，油层、水层、油水过渡带的电容不同，通过算法处理后可以清晰地看到3个层位的曲线。

2)室内实验中，在同一种环境，油水界面仪放置在不同位置均可获得完整的油层、油水过渡带、水层的差异曲线，效果稳定。

3)基于不同介质电容不同的原理，该油水界面仪可以精确地测量油层的厚度，精度在±1.0 cm以内。

4 结束语

本文介绍了电容式油水界面仪的工作原理和系统构成，系统采用电容式传感器可以根据油和水的介电常数差异实现油层、水层及油水过渡带的测量，通过RS-485工业总线可以实现远程安全控制及显示，经过室内实验和现场实验验证，表明测量效果稳定，精度高，具有较高的使用价值。