馬舜祺,劉興斌,,榮遠(yuǎn)宏,侯昱東,王延軍,付長(zhǎng)鳳,韓連福

(1.東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 黑龍江 大慶 163000；2.大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163000；3.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

在石油開(kāi)采、生產(chǎn)過(guò)程中，原油含水率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。測(cè)量含水率能為原油的開(kāi)采提供重要的信息，確保生產(chǎn)處于最佳的狀態(tài)，從而提高開(kāi)發(fā)效率。傳統(tǒng)的測(cè)量方法對(duì)原油人工采樣，采樣后通過(guò)蒸餾法、化學(xué)試劑法、離心法、電脫法等方式進(jìn)行處理，其采樣的時(shí)間間隔長(zhǎng)、采樣量小，以至于其采樣不具有代表性；且離線人工法人、物資源的投資較大，難以滿足油田現(xiàn)代化系統(tǒng)的需求。目前常用的在線含水率測(cè)量方法有密度法、微波法、射線法、超聲波法、電磁波法、電容法等[1-2]。電容法測(cè)量含水率是目前最常用的一種含水率測(cè)量方法。電容法是利用電容兩極板間的油水混合液的平均介電常數(shù)與油水混合液的含水率有關(guān)的原理實(shí)現(xiàn)原油含水率的測(cè)量，其相較于其他幾種方法具有：環(huán)境適應(yīng)范圍廣、靈敏度高、熱穩(wěn)定性好、對(duì)環(huán)境影響小、電路簡(jiǎn)單、易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

本文研制了一種基于CAV424的原油含水率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用帶屏蔽環(huán)的同軸圓柱電容傳感器，并利用CAV424集成芯片將電容傳感器產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由FPGA處理器完成控制高速16位A/D轉(zhuǎn)換器采集電壓信號(hào)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、含水率顯示、計(jì)算機(jī)通訊的工作。

1 電容傳感器結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

同軸電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)同軸電容傳感器電極裸露時(shí)，被測(cè)得原油直接接觸兩級(jí)，隨著含水率的增加，導(dǎo)電的影響不定，有時(shí)大，有時(shí)小，使傳感器不能正常工作，因此在電極表面添加了絕緣層。由于電容式傳感器的初始電容量很小，一般在皮法級(jí)，而連接傳感器與電子線路的引電纜電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容所形成的寄生電容缺很大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容是隨機(jī)變化的，使得儀器工作很不穩(wěn)定，從而影響測(cè)量精度，甚至傳感器無(wú)法正常工作。傳感器內(nèi)外絕緣壁之間由電極構(gòu)成，內(nèi)外電極貼附在絕緣層上，并且電極上下有相應(yīng)的絕緣環(huán)以便將寄生電容的影響降至最低。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)內(nèi)圓柱形電極之間的介電常數(shù)，從而通過(guò)計(jì)算得到含水率。r1為內(nèi)導(dǎo)體外徑，r2為絕緣層外徑，r3內(nèi)圓柱形電極外徑，r4外圓柱形電極內(nèi)徑，mm，L是內(nèi)外極板的長(zhǎng)度[5],cm。

圖1 同軸電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)εmix的計(jì)算公式包括：并聯(lián)公式、串聯(lián)公式、對(duì)數(shù)公式、H-B公式、雷列伊公式、串并聯(lián)公式等[6]，應(yīng)用不同的計(jì)算公式時(shí)，油水混合液的相對(duì)介電常數(shù)相差較大。其中串并聯(lián)公式不受含水率的大小和油水混合狀態(tài)的影響，與測(cè)量值最為接近，故采用串并聯(lián)的方式進(jìn)行油水混合液相對(duì)介電常數(shù)的計(jì)算。

油水混合介質(zhì)中，對(duì)于極性水分子而言錯(cuò)綜復(fù)雜的分界面相對(duì)于極化場(chǎng)既有串聯(lián)又有并聯(lián)，可采用并聯(lián)系數(shù)k描述混合極性狀態(tài)，且k與原油含水率相關(guān)，即k與原油中水量所占原油總數(shù)中的百分比存在線性關(guān)系，可表示為：

(1)

根據(jù)式(1)可知，當(dāng)內(nèi)外電極間距R、內(nèi)外圓柱電極程度L保持不變時(shí)，當(dāng)兩極板中具有不同的介質(zhì)時(shí)(即油水混合物的體積混合比不同時(shí))，其相對(duì)介電常數(shù)ε1不同，電容傳感器的電容量也會(huì)有所不同。

ε1是油水混合液的相對(duì)介電常數(shù)；ε2絕緣的相對(duì)介電常數(shù)；ε0真空的相對(duì)介電常數(shù)。根據(jù)電容計(jì)算公式，同軸圓柱形電容傳感器電容如式(2)：

(2)

得出原油的含水率與電容傳感器的電容值成一定的函數(shù)關(guān)系，即式(3)[7,8]：

(3)

由上可得當(dāng)電容傳感器的內(nèi)外電極半徑R、r,內(nèi)外電極的長(zhǎng)度L，油、水和絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)一定時(shí)，由于水的相對(duì)介電常數(shù)(80)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油的相對(duì)介電常數(shù)(2左右)，通過(guò)測(cè)量電容傳感器的電容值計(jì)算出混合溶液的介電常數(shù)從而計(jì)算出含水率，這就是電容法測(cè)量含水率的原理。通過(guò)公式模擬得出，電容相對(duì)值與含水率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 含水率與電容關(guān)系示意圖

其中橫坐標(biāo)為含水率，縱坐標(biāo)為電容相對(duì)值，可以看出，電容值與含水率成曲線線性關(guān)系，則可以采用電容法測(cè)量原油的含水率，更能準(zhǔn)確的描繪油水混合模型。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，將同軸電容傳感器與CAV424新型集成芯片相接，將其采樣到的電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，然后經(jīng)過(guò)16位的AD7705芯片進(jìn)行高速高精度A/D轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

FPGA通過(guò)采樣到的數(shù)字信號(hào)分析采集油水混合物的電容大小，得出油水混合物的含水率，并將其通過(guò)液晶屏顯示。由于傳統(tǒng)的電容測(cè)量電路抗干擾能力差、測(cè)量范圍小、電路復(fù)雜，本系統(tǒng)采用CAV424集成芯片實(shí)現(xiàn)電容傳感器的信號(hào)采集。CAV424是一個(gè)多用途的處理各種電容式傳感器信號(hào)的完整轉(zhuǎn)換接口集成電路，它同時(shí)具有信號(hào)采集(相對(duì)電容量變化)、處理和差分電壓輸出的功能[9]。CAV424集成芯片應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4 FPGA控制圖

其中，一個(gè)通過(guò)電容COSC頻率可調(diào)的參考振蕩器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)積分器并使他們?cè)跁r(shí)間和相位上同步。兩個(gè)被控制的積分器的振幅分別由電容CX1和CX2來(lái)決定，這里CX1作參考電容，CX2作為測(cè)量電容。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以兩個(gè)振幅的差值所提供的信號(hào)就反應(yīng)出兩個(gè)電容CX1和CX2的差值。這個(gè)電壓差值通過(guò)后面的有源濾波器濾波為直流電源信號(hào)，然后送到可調(diào)的放大器，調(diào)整RL1和RL2的值，可得到所需要的輸出電壓值[10]。CAV424可以檢測(cè)相對(duì)于參考電容5%～100%范圍的電容值。比如CX1作為參考電容取值范圍在10 pf～1nF,那么相應(yīng)的被測(cè)電容CX2的值在10pF+Δ(0.5～10)pF和1nF+Δ(0.05～1)nF之間，大大增加了測(cè)量范圍。采取EMV抗干擾措施是在外接電容CM和CR中串聯(lián)了電阻Remvm和Remvr。此電阻與寄生電容以及集成電路內(nèi)部的電容一起形成低通濾波器，抑制了高頻干擾信號(hào)，因此具有一定的抗干擾性。CAV424芯片4角和5角之間的差分信號(hào)作為電容轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)OUT送入AD轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，系統(tǒng)使用16位的AD7705芯片進(jìn)行高速高精度A/D轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA可識(shí)別的數(shù)字信號(hào),再利用刻度圖版，得到原油含水率值。由于水的實(shí)際介電常數(shù)隨溫度的變化而變化，CAV424集成了一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器，它可以直接向FPGA處理器提供溫度信號(hào)，用于溫度補(bǔ)償，節(jié)省部件，簡(jiǎn)化電路[11-12]。由于在電容傳感器中增加了屏蔽環(huán)，大大減少了寄生電容對(duì)電路的影響，而CA424測(cè)量的電壓波動(dòng)直接通過(guò)FPGA控制的AD7705芯片轉(zhuǎn)換成可直接觀察的電容值，這樣節(jié)約了大量轉(zhuǎn)換步驟，也發(fā)揮了FPGA高速處理的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分由CAV424和Verilog的編寫構(gòu)成。CAV424測(cè)得的電壓差值通過(guò)FPGA控制傳輸?shù)紸D7705的SPI時(shí)鐘16分頻之后給串轉(zhuǎn)并的輸出控制。通過(guò)FPGA的開(kāi)發(fā)工具QuartusⅡ編寫代碼調(diào)用16位移位寄存器，待16位數(shù)據(jù)都接受到后一次輸出給內(nèi)部處理，提供給AD7705[13-14]。

判斷AD7705的DATA READY引腳DRDY，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，依次將數(shù)據(jù)讀入，并移位，讀入十六位轉(zhuǎn)換值之后，并行輸出一次。圖5為FPGA控制AD7705工作狀態(tài)流程圖。通過(guò)依次向AD發(fā)送0x20(寫入通信寄存器，設(shè)置為寫時(shí)鐘寄存器),0x0c(MCLKIN引腳處的時(shí)鐘頻率在被AD7705使用前，進(jìn)行二分頻，20 Hz輸出更新率，即每50ms輸出一個(gè)新字),0x10(寫入通信寄存器，設(shè)置為寫寄存器),0x44(自校準(zhǔn)，增益為1，單極性模擬輸出，片內(nèi)緩沖器短路，F(xiàn)SYNC清0),0x38(通信寄存器中，設(shè)置為讀數(shù)寄存器)指令，進(jìn)而判斷中斷引腳是否為低電平，如果為低，則進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，圖為雙通道AD轉(zhuǎn)換模式，左右相反，同時(shí)進(jìn)行AD雙通道轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過(guò)FPGA控制將結(jié)果顯示在液晶屏上。

圖5 AD7705狀態(tài)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

外部條件溫度為36.5 ℃，壓強(qiáng)為0.05 MPa,流速為2.0 m/s的條件下，使用檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得各種情況下原油的含水率見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

從表1數(shù)據(jù)可知，實(shí)際的含水率在0到40%范圍內(nèi)與該系統(tǒng)檢測(cè)的含水率相對(duì)誤差最大為1.92%，表明該系統(tǒng)的測(cè)量的相對(duì)誤差為2%，符合實(shí)際測(cè)量的要求。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)采用帶屏蔽環(huán)的同軸圓柱電容傳感器，且利用CAV424集成芯片將電容傳感器產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由FPGA處理器完成控制高速16位A/D轉(zhuǎn)換器采集電壓信號(hào)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、含水率顯示、計(jì)算機(jī)通訊的工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)誤差為2%。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理速度快、抗干擾性強(qiáng)、測(cè)量范圍廣、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)。