基于电容传感器式油含水率测量系统的设计

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1、基于电容传感器式油含水率测量系统的设计刘静，王艳菊，边晓娜（河北师范大学，河北石家庄050016）摘要：针对我国原油生产特点，提出基于电容式敏感元件的油含水率新型智能化测量系统，实施了C/U转换、U/f转换电路及温度补偿设计。实验结果表明，系统能够准确地以全量程线性化刻度(0%～100%)显示。关键词：原油含水率；测量系统；电容传感器；转换电路；温度补偿DesignonSystemforMeasuringWaterContentBasedonCapacitanceSensorLiuJingWangYanjuBianXiaona(HeBeiNormal

2、University,Shijiazhuang,050016)Abstract:Aimingatthecharacteristicofcrudeoilproductioninourcountry,anewtypeintelligentsystemformeasuringwatercontentbasedcapacitancesensorisproposed.Inthesystem,C/Uconvertcircuit,U/fconvertcircuitandtemperaturecompensatingdesigninghavebeenputinpra

3、ctice.Theexperimentalresultsshowthatthesystemcandisplaypreciselywithlinearityscaleinthefullscale.Keywords:Watercontentofcrudeoil;Measuringsystem;Capacitancesensor;Convertcircuit;Temperaturecompensating中图分类号：TP212文献标识码：A1.引言在油田勘探、原油生产过程中，为了实时确定各油井的原油和天然气产量，油含水率的测量一直是最基本和重要的问题。目前

4、国内测量油多相流体含水率的方法主要是传统的定时取样和蒸馏（破乳）化验方法。由于取样周期长，在含水率变化较快时，定时取样难以实时准确地测量出实际的含水率。根据我国原油生产的特点，本课题基于插入电容测量原理设计的原油含水率在线测量系统，采用灵巧的自均流电容传感器，将含水率的变化转换为电容变化，经过C/U、U/f转换和温度补偿设计，送到计算机进行数据处理以实现对原油的实时监控测量。系统在0～100%含水率测量范围内具有高精度、高稳定性能。2.电容传感器的设计传感器的设计使非电量的检测输入即油含水率信号转换为电信号。传统观点认为，用电容传感器作含水率测量元件

5、，在低含水率时有良好的工作特性，当含水率超过30%～50%时，由于大量导电离子构成两电容极板间的导体，从而失去对含水率的分辨能力。该仪器作了结构改进与设计，使含水率测量范围达到100%。灵巧型敏感探头采用圆柱型同心套筒结构，外管径为40mm，内管径为20mm，电容的内电极涂敷钛氟纶绝缘层，保证绝缘强度大于200MΩ/500V，涂层涂层厚度为50µm且均匀，表面光滑，无针眼，消除含水导电效应，具有均衡的机械性能和极好的尺寸稳定性；在电容的外电极板上有规律地开一定数量的圆孔，以保证工作时有自均流作用。设圆柱型电容的中心电极半径为r，内电极涂敷的绝缘层厚度

6、为δ，绝缘材料相对介电常数为ε，传感器外电极半径为R，电极长度为h，原油混合液相对介电常数为ε。由同im轴柱状电容器电容计算公式，可得绝缘层和混合液对应的电容C、C分别为im2πεh2πεhimC=C=（1）im⎡r+δ⎤⎡R⎤lnln⎢⎥⎢⎥⎣r⎦⎣r+δ⎦探头的电容传感器C可视为C、C的串联xim河北省科技攻关项目（042135128）河北省教育厅科学研究基金资助项目（2004447）CC2πεεhimimC==（2）xC+CRr+δimεln[]+εln[]imr+δr原油混合液相对介电常数为油、水、气三相流体相对介电常数之和ε=aε+aε+a

7、ε（3）moowwgg式中a、a、a——为油、水、气相的比率owgε、ε、ε——为油、水、气的相函数owg根据高斯定理，忽略传感器边缘效应；同时，考虑到涂层较薄，内电极涂敷的绝缘层厚度δ的影响几乎可以忽略，因此可化简为C=Kε（4）x0m2πh式中K=为仪器系数。0Rln()r由式(4)可以看出，电容器的容量是其介电常数的单值函数。根据这一原理，可将被测介质的介电常数变化值转换成相应的电容量输出，只要正确标定出C与ε的关系，就可以xm根据所测得的电容值和相关的公式，换算出油、气、水的各相比率。3.转换电路本系统设计的经济简捷式电容传感器测量C/U转换

8、电路为三级集成运放构成，包括：正弦信号产生电路、缓冲电路和转换电路。其中文氏桥振荡器是转换电路的正弦波信号源