油田油水界面的測試，目前采用以浮球和射頻導納為原理的界面計較普遍。我們在實際應用中發(fā)現(xiàn)，浮球式界面計要求兩種不同介質(zhì)密度應有一定的差異，如果密度差異小，例如原油中含硫、含臘較高和油水密度相接近，浮球界面計就很難使用。此外，浮球式界面計因為有機械運動，浮子往往易卡死，造成虛假液位。射頻導納液位計其基本測量原理仍是電容式，但其測量的前題是介質(zhì)介電常數(shù)ε應保持不變，否則測量不準確，然而油田的原油成份并不十分確定，所以介電常數(shù)也是在一定范圍內(nèi)變化，同時由于水中含各種雜質(zhì)，探極使用一段時間后，在其外壁上將會結(jié)垢，而且結(jié)垢不均勻，測量出的電容亦不一致，其最后結(jié)果導致儀表顯示的界面和液面有相當?shù)恼`差。為此，我們使用了HX型分段電容式液位計來解決油田油水界面的測試問題。
“分段電容式物位
檢測方法”簡介 :
分段電容式物位檢測原理的主要特征就是將原來電容物位計一根全量程長度的檢測電極與罐壁構(gòu)成一個傳感電容的結(jié)構(gòu)，改變?yōu)橛脧纳现料孪嗤L度若干段(9段)獨立電極，相互串連，相互絕緣，獨立引線，與罐壁形成從上至下9個傳感電容，相當于從上至下9個1/9量程小物位計共同來檢測全量程的總料位，參見圖1。
分段的結(jié)果是每段電極所處高度層面物料存在的狀況信息，同時得到傳感和采集，通過9個段電容的大小和分布，就可以利用計算機軟件判斷各段物料的有無和多少，上部電容量最小的段肯定是空段C0，空段以下第一個電容變大的段是料面所在的段，即界面段CJ，而由于物料的連續(xù)性，界面以下其余的段，不論電容量是多少，肯定是滿料段CM，滿料部分由于各層面物料介電常數(shù)可能不同，因此各段CM也不一定相同，但這一段被判斷為滿料段，這一段在總料位中的料位就等于段電極的幾何長度L0，而與其電容量大小無關(guān)。若經(jīng)判斷界面段以下有N個滿料段，則滿料部分料位H滿=NL0。與實際料位高度沒有誤差�？偭衔籋=H滿+H界面。因此總料位檢測結(jié)果中的誤差只可能來自界面段。如果我們認為界面段物料與和它相鄰下面一個滿料段物料介電常數(shù)相同，滿段電容為CMA，那么C0、CJ、CMA三個參數(shù)就構(gòu)成了自校正的基礎(chǔ)要素。段長度L0就是校正高度的基準，就有：
H界面= (1)
總料位H=NL0+ (2)
由此可見，由于e在式(1)計算時已被除掉，H界面由于e引起誤差的可能性已不存在，H界面真正在不需人工干預情況下實現(xiàn)了自校正，總料位又是由已校正后H界面和沒有誤差的H滿相加而得來，其檢測精度是可想而知的。這一切功能的實現(xiàn)是在分段電容探極基礎(chǔ)上靠數(shù)字化的有無判斷，和單片機智能化校正計算完成的。我們已申報這個方法并獲得國家發(fā)明專利(ZL 94 1 00133.4)。
圖1 工作原理示例
圖2 工作原理示意圖
檢測方法的實現(xiàn):
一個完整的物位檢測產(chǎn)品是由探極、變送器、顯示儀表或上位機共同實現(xiàn)的。實時自校正式物位變送器，是本項目的核心部件。它要實現(xiàn)上述原理提出的分段電容自校正的功能，要完成探極構(gòu)成的9個檢測電容，電容量變化信息的采集、放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閱纹瑱C可以接受的數(shù)字信息，再由單片機和相應軟件對9段電容信息進行分析、判斷、計算，最后將計算的料位高度以數(shù)字的形式，通過RS485通信接口輸出，然后由單片機組成的顯示儀表顯示，或直接由上位微機組成DCS系統(tǒng)。因此，變送器硬件組成的原理圖如圖2所示。
我們在變送器的研制過程中開發(fā)并使用了以下幾種技術(shù)：
組合模擬開關(guān)技術(shù)及其模塊
原理提出的分段電容獨立檢測的要求，使相鄰很近的兩段電容電場的邊緣效應，給獨立檢測帶來影響。為了解決這個問題，我們研制成功模擬開關(guān)模塊，在選通某一段電容測量時，其余各段均處于有源屏蔽狀態(tài)，避免了相鄰段之間的干擾。這就是電路圖中的MK1。
微電容遠傳測量技術(shù)及其摸塊
排列在不同高度上相同長度的電容電極，由于電極長度縮短，本身電容量很小，有的小到0.1pF數(shù)量級。而不同位置電極到變送器的引線長度相差很大，有的達10幾米，分布電容達1000pF。因此要實現(xiàn)引線相差10幾米的微小電容的可靠檢測，是變送器研制的技術(shù)關(guān)鍵之一。我們的微電容遠傳技術(shù)和微電容遠傳測量模塊，成功地解決了0.1pF數(shù)量級的電容在用普通屏蔽線引至50m以外測量的問題。分辨率達到1000mv/pF以上。這就是電路圖中的MK2。
單片機智能化、數(shù)字化技術(shù)
上述兩項專有技術(shù)為變送器實現(xiàn)分段電容檢測提供了支持，為實現(xiàn)產(chǎn)品化，我們采用了89C2051單片機智能技術(shù)。由微電容模塊、組合開關(guān)模塊和單片機共同組成變送器。為了提高檢測分辨率，我們采用TI公司最新12位串行A/D芯片，保證了段電容量信號的分辨率，實現(xiàn)了與89C2051單片機接口。各段信號采集，空料、滿料、界面判斷，界面段的實時自校正計算及RS485 直接計算機信號輸出。由專門的軟件程序?qū)崿F(xiàn)了一種智能化自校正新型物位變送器，經(jīng)北京市技術(shù)監(jiān)督局指定304所檢測，取得滿量程精度為0.05%樣機合格證。并在化工、石油、建材等行業(yè)液位料位檢測中取得很好的使用效果。
結(jié)束語 :
分段電容式物位計已應用于大慶油田采油六廠四礦290中轉(zhuǎn)站的2000M3油水分離罐。并取得了令人滿意的結(jié)果。油位檢測高度與人工檢尺比較，差異為±1cm。水位高度與其它儀表比對相一致，檢測分辨率為1cm。
隨著油井開采期增長，回注水增加，各油田、油水分離過程中油水界面的檢測需求越來越大，這種原理結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、工作可靠的新型油水界面液位計一定會在石油行業(yè)得到廣泛應用
