油田油水界面的測試，目前采用以浮球和射頻導(dǎo)納為原理的界面計(jì)較普遍。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，浮球式界面計(jì)要求兩種不同介質(zhì)密度應(yīng)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(jì)就很難使用。此外，浮球式界面計(jì)因?yàn)橛袡C(jī)械運(yùn)動(dòng)，浮子往往易卡死，造成虛假液位。射頻導(dǎo)納液位計(jì)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(yīng)保持不變，否則測量不準(zhǔn)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(shí)由于水中含各種雜質(zhì)，探極使用一段時(shí)間后，在其外壁上將會(huì)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(dǎo)致儀表顯示的界面和液面有相當(dāng)?shù)恼`差。為此，我們使用了HX型分段電容式液位計(jì)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(jì)一根全量程長度的檢測電極與罐壁構(gòu)成一個(gè)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(dú)立電極，相互串連，相互絕緣，獨(dú)立引線，與罐壁形成從上至下9個(gè)傳感電容，相當(dāng)于從上至下9個(gè)1/9量程小物位計(jì)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(shí)得到傳感和采集，通過9個(gè)段電容的大小和分布，就可以利用計(jì)算機(jī)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(gè)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(gè)滿料段，則滿料部分料位H滿=NL0。與實(shí)際料位高度沒有誤差。總料位H=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(rèn)為界面段物料與和它相鄰下面一個(gè)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(gè)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(zhǔn)，就有：
H界面= (1)
總料位H=NL0+ (2)
由此可見，由于e在式(1)計(jì)算時(shí)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(yù)情況下實(shí)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(shí)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(jī)智能化校正計(jì)算完成的。我們已申報(bào)這個(gè)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(shí)現(xiàn):
一個(gè)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(jī)共同實(shí)現(xiàn)的。實(shí)時(shí)自校正式物位變送器，是本項(xiàng)目的核心部件。它要實(shí)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(gè)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(jī)可以接受的數(shù)字信息，再由單片機(jī)和相應(yīng)軟件對(duì)9段電容信息進(jìn)行分析、判斷、計(jì)算，最后將計(jì)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(jī)組成的顯示儀表顯示，或直接由上位微機(jī)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?cè)谧兯推鞯难兄七^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(dú)立檢測的要求，使相鄰很近的兩段電容電場的邊緣效應(yīng)，給獨(dú)立檢測帶來影響。為了解決這個(gè)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(shí)，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(yuǎn)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(jí)。而不同位置電極到變送器的引線長度相差很大，有的達(dá)10幾米，分布電容達(dá)1000pF。因此要實(shí)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(yuǎn)傳技術(shù)和微電容遠(yuǎn)傳測量模塊，成功地解決了0.1pF數(shù)量級(jí)的電容在用普通屏蔽線引至50m以外測量的問題。分辨率達(dá)到1000mv/pF以上。這就是電路圖中的MK2。
單片機(jī)智能化、數(shù)字化技術(shù)
上述兩項(xiàng)專有技術(shù)為變送器實(shí)現(xiàn)分段電容檢測提供了支持，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，我們采用了89C2051單片機(jī)智能技術(shù)。由微電容模塊、組合開關(guān)模塊和單片機(jī)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(hào)的分辨率，實(shí)現(xiàn)了與89C2051單片機(jī)接口。各段信號(hào)采集，空料、滿料、界面判斷，界面段的實(shí)時(shí)自校正計(jì)算及RS485 直接計(jì)算機(jī)信號(hào)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(jī)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(jì)已應(yīng)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(duì)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(jì)一定會(huì)在石油行業(yè)得到廣泛應(yīng)用
