基于电容法的油水界面测量电路设计

基于电容法的油水界面测量电路设计
【摘要】本文以电容介质变化为感测元件，实时检测油罐内油水界面的位置，利用单片机控制电容充放电，通过斜率精确测得电容，准确确定油水界面位置；实验表明本测试系统具有较好的稳定性和可靠性，达到了良好的测试效果。

【关键词】电容法；油水界面；油罐
1.引言
在油田开采后期部分油井远离生产区块，产出液大部分储存在油井旁的独立油罐中，为了及时掌握油水在罐中比例情况，需要及时检测油水界面位置，为分析油井上产状况，原油及时运输提供参考条件[1]。

当前采用方法为玻璃管可视法，由于受气候、人工条件等制约，不能及时准确了解罐内情况，本文采用极板电容作为传感器，实时测量油水界面测量方法，克服了传统方法的局限性[2]。

2.测量原理
电容法测量油水界面主要是依据油水介电常数的不同，导致在油水界面不同位置时所得出的电容值不同的原理进行检测，通过利用电容检测电路对电容传感器的容值进行准确的检测，将输出信号传送给单片机，经过单片机对信号幅值及斜率的检测与计算得出电容值，最后经过公式换算得出油水界面位置[3]。

电容传感器结构为一根长度为L、宽度为R、间距为D、面积为S的两块长方形金属板，将金属电极垂直放在油水之中在水中部分的长度为H，介电常数为K，电极与水之间的电容C=KS/D。

当电极确定之后，K、D、均为常数由上式可以看出，电容传感器的电容C与传感器电极在水中的长度H为线性正比关系，测出电容C的值即可求出h。

3.介质检测
该系统通过主控芯片PIC16F690，内部有比较器和参考电压基准、通过串口实现同PC机的通讯，在PC机端对串口发送的数据进行处理，实现对油水界面实时监测的目的。

测试电容为三角波，属于交流信号，减少了电容极板腐蚀氧化问题[4]。

测试如图1所示，在测量电路上采用将脉冲信号经过被测电容测量三角波斜率的方法，经验证测量精度达到0.02PF。

时序图如图2所示，设方波信号源电压为，当它流经电阻时转变为方波电流，电流流过由电容传感器组成的积分器时，积分器输出一个三角波电压，此电压的坡度值取决于电容的大小。

用阈值电压检测器检测三角波电压的大小，上限和下限截止电压分别为和[5]。

幅度控制部分通过程序改变的极性，让达到和之间的数值，用PIC单片机内部含有比较器和定时计数器计算从变化到所耗费的时间和从变化到所耗费的时间。

时间计算公式为：
由于电容充放电斜率不同，测得t1和t2时间不同，本系统取所测两端时间的均值。

4.结语
电容法极板测量方式是现代油水界面测量的一个重要方式，在抗干扰方面都优于超声波法和探针法，特别是在耐腐蚀和精度方面。

单片机测量系统成为一个完全的硬件构架，提出了斜率测电容方法，突破了传统的方法精度下等缺点，使系统的测量可靠性明显提高，并且系统功能可以通过程序来修改和升级，具有很大的灵活性。

参考文献
[1]何祥宇，陈磊.基于电容传感器的油水界面监控装制[J].仪表技术与传感器，2010（7）：10-17.
[2]王坤侠.基于单片机的油水界面检测报警系统设计[J].中原工学院学报，2010（06）.
[3]彭勇，张映辉.光纤油水界面监控仪研制与应用[J].仪器仪表学报，2005（8）：857-859.
[4]曲艺，陈祥光.原油储罐油量动态计量技术研究[J].仪器仪表学报，2005，26（10）：998-1010.
[5]刘丽君，冯海杰，常丽.电容法油罐多液位测量仪研究[J].沈阳工业大学学报，2005，27（2）：70-72.
注：国家创新实验项目（项目编号：201210220039）。

通讯作者：牟海维（1963—），男，黑龙江绥化人，东北石油大学电子科学学院教授，主要从事油井参数计量和现代信号处理研究。