林木

【摘 要】結(jié)合電容基本原理及電子測量技術(shù)，設(shè)計一種能夠解決泡沫下液位測量的傳感器檢測系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的各組成部分，包括電容式傳感器的結(jié)構(gòu)，檢測電路的選擇，使用方法和驗證實驗方案，取得令人滿意的效果。

【關(guān)鍵詞】電容式傳感器；檢測系統(tǒng)；泡沫

引言：

電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、易于實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點。雖然易于受到外接干擾和寄生電容的影響，但隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及驅(qū)動電纜技術(shù)的出現(xiàn)，這些缺點正被逐步克服，可以實現(xiàn)常規(guī)測量手段所不能完成的任務(wù)。在油田現(xiàn)階段生產(chǎn)中，由于各種輔助采油手段的使用，油質(zhì)發(fā)生很大變化。其中儲油罐內(nèi)原油起泡沫的現(xiàn)象比較多，對準(zhǔn)確計量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本文設(shè)計一種電容式測量方法，可以準(zhǔn)確測量泡沫下液位，并能夠區(qū)別空氣、油泡沫、油、水四種介質(zhì)。

一、電容式傳感器系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體由絕緣極板電容、鍍銀屏蔽信號線、電容檢測器、標(biāo)準(zhǔn)量油尺四部分構(gòu)成。

（一）電容式傳感器原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。

由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，其電容量為：

式中： ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

S——兩平行板所覆蓋的面積；

d——兩平行板之間的距離。

根據(jù)電容傳感器原理，我們可以知道當(dāng)電容極板間介質(zhì)介電常數(shù)發(fā)生變化時，電容器的容量也同時發(fā)生變化?？紤]油罐內(nèi)不同介質(zhì)分布情況，可以知道當(dāng)同一電容器經(jīng)過空氣、油泡沫、油、水時，其電容量因不同介質(zhì)填充在電極板間而發(fā)生改變，該改變量與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。也就是說通過預(yù)先測定四種介質(zhì)的介電常數(shù)，就可以知道電容器所處介質(zhì)環(huán)境。如果將電容器與標(biāo)準(zhǔn)量油尺相結(jié)合，就可以通過量油尺刻度獲得不同介質(zhì)的位置信息，從而完成泡沫下油液面的測量。

（二）對介質(zhì)測量電容設(shè)計和檢測電路選擇的要求

電容器設(shè)計：作為測量裝置，極板間必須可以通過檢測介質(zhì)，兩極板間相對位置必須固定。考慮安全因素和污水導(dǎo)電特性，作為電路組成的極板必須與介質(zhì)絕緣。由于計量精度要求，兩絕緣極板構(gòu)成的電容器必須可靠固定于量油尺上，合適的位置為量油尺重錘。

檢測電容量儀器選擇：電容要自如通過檢測介質(zhì)，極板間隔必須要大，根據(jù)合適的電容器設(shè)計實測其容量在數(shù)十PF左右，因此要求檢測電路精度必須達(dá)到0.1PF級別。電路必須使用電池供電方式，耗電量符合移動儀表工作要求。

二、應(yīng)用

（一）介質(zhì)介電常數(shù)的標(biāo)定

雖然作為測量裝置的電容器要經(jīng)過空氣、油泡沫、油、水四種介質(zhì)，但是我們只要標(biāo)定其中的油的介電常數(shù)，就可以消減油泡沫和水對計量的影響。追求更高精度可以對水的介電常數(shù)進行測定，這樣結(jié)合量油尺就可以完整判斷油層厚度。如果在凈化油罐中含水穩(wěn)定，可以在油罐出口取樣，測量系統(tǒng)連接完畢后進行消零操作，再將測量電容器浸沒于油樣中，讀取電容示值，作為該凈化油罐的測量樣本。對于在含水較高油罐中應(yīng)用，則需人工提取不同液位高度的油樣，區(qū)別出液面油樣和水面上油樣，使用測量電容器實際測量該兩油樣的電容量作為油層開始和結(jié)束的電容數(shù)值樣本。

（二）安全防爆問題的解決

作為檢測裝置的測量電容器要浸沒于油罐液面下，屬于防爆要求的0區(qū)，是有嚴(yán)格要求的。該測量方法使用的電容器，在結(jié)構(gòu)上為防止油品含水過高導(dǎo)電影響測量準(zhǔn)確度而采取絕緣密閉手段，客觀上不存在引發(fā)爆炸燃燒的可能，其原理就如同兩根相互絕緣、對罐壁絕緣、對介質(zhì)絕緣的導(dǎo)線，國標(biāo)《GB3836爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》對此并沒有要求。在罐外使用的電容量測量裝置是符合GB3836要求的設(shè)備，因此必須使用符合1區(qū)要求的防爆外殼將其包圍密閉。

（三）實際應(yīng)用中的操作方法

在實際使用中應(yīng)該兩人操作，一人執(zhí)量油尺進行下尺操作，一人觀察測量電容器下降情況，并在量油尺最接近油泡沫時采取消零操作；同時密切觀察電容量變化情況，當(dāng)電容量與標(biāo)定參考樣本數(shù)值一致時記錄量油尺下尺深度；兩次記錄的差值即表示油層厚度。

三、結(jié)論

泡沫下液位測量一直是計量領(lǐng)域的空白項目，該文根據(jù)電容原理提供一種設(shè)計，可以比較好的進行泡沫下液位檢測工作，是該領(lǐng)域的突破。針對目前油田聯(lián)合站儲油罐出現(xiàn)的實際問題，是一種實用的、容易實現(xiàn)的檢測方法。

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