电容式油水界面检测系统的设计
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摘
石油和化工企业一直受到无法快速、准确地确定油水分离器中油水界面位置的问题的困扰，传统的测量方法不能很好的解决这一问题。本文提出了一种基于分段式电容传感器的油水界面检测系统的设计方法。
在对传统油水界面检测相关方法和技术研究的基础上，本文提出了分段式电容油水界面的检测模型；设计了基于C8051F410片上系统的检测系统硬件电路；详细描述了传感器结构；编写了单片机系统应用程序及上位机程序；通过实验对系统的整体性能进行分析和评价。
1.3
为了迎合石油工业中检测仪器自动化的发展趋势，结合生产中油水分离器的实际需求，根据设计要求，设计了基于分段式电容的油水界面测量系统，本次设计的主要内容包括：
（1）对传统油水界面检测技术与方法的研究基础上，提出了分段式电容检测方法，可以克服传统电容传感器测量精度低，易受介质性质和温度干扰的问题；
（2）根据分段式电容传感器输出信号小的问题，对常用微小电容信号检测电路进行了研究，设计了微小电容的交流法测量电路；
On the basis of the detection methods and techniques for the study of traditional oil-water interface, the oil-water interface segmented capacitive detection model; design a detection system based on the C8051F410 chip hardware circuit; a detailed description of the structure of the sensor; the preparation of single-chip system applications and host computer program; through experiments on the overall system performance analysis and evaluation.
（2）超声波界面仪
超声波界面仪是通过将超声波发生器和接收器放入油罐中，利用超声波在油和水中传播速度的不同来测量界面位置的。其优点是有效地克服了挂油问题，但由于发送和接收距离限制，导致其精度下降，不能实现储油罐油量的准确计量。
（3）射频导纳界面仪
射频导纳界面仪以射频阻抗理论为基础，通过被测介质呈现的阻抗特性反映油水界面位置，由于其具有测量范围大、可以克服矿化度和挂油影响等优点而被广泛应用。它在传统电容式液位计的基础上进行了改进，增加了探头根部抗黏附、抗冷凝的功能。但是该方法仅通过电导率一个参数很难完全反映油水乳化层的状态，这就使得射频导纳界面仪无法跟随乳化带的变化，在现场应用中其误差通常为几十厘米，最大误差可达1米，很难满足生产要求[2]。
目前，国内油田普遍采用的是重力油水分离方法，在对原油进行气液分离和固体杂质分离后，将其输入油水分离罐中。由于油和水的比重不同，经过一段时间的静置，原油中的水会到沉降到分离罐的底部，然后将水层和油层分别引出，这样就实现了油水分离的目的。为了提高油水分离罐的利用效率，需要不时将水放出，这就要求能够准确地测量油水界面。实际生产过程中，由于受到温度、粘度、电场强度等因素影响，油水界面通常是厚薄不等、含水不均的过渡带。界面过渡带的复杂特性增加了界面检测的难度，而界面的检测控制的好坏将直接决定脱水后原油含水是否超标，所以油水界面的检测非常重要。在油田实际应用中，界面检测的准确性常受介质的物理性质、化学性质、工作环境的影响，各种原理的界面检测仪表具有不同的适应性，原油生产中的油水界面测量是国内工业过程测量领域的一个难题，多年来一直未得到合理的解决[1]。
第二章
本章在对传统电容式液位检测方法及原理进行分析的基础上，对分段式电容界面检测原理进行了分析，提出了检测模型。
2.1
电容式液位计是利用界面高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量的。传统电容式界面计的结构形式有很多，例如平极板式、同心圆柱式等等。这类传感器适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不像其它方法那样严格。对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有小幅晃动及高速运动的容器的界面。电容式界面计的这些特点决定了它在界面测量中的重要地位[4]。
Oil and chemical companies have been unable to quickly and accurately determine the oil-water interface position of the troubled oil-water separator, the traditional methods of measurement can not be a good solution to this problem. This paper presents a design method of oil-water interface detection system based on a segmented capacitance sensor.
（5）光纤油水界面监控仪
光纤油水界面监控仪是根据光纤的传输功率随外界介质折射率的变化而变化这一特性而工作的。这种传感器具有灵敏度高，现场不带电，安全可靠的优点，但是由于适应不了罐内温度高、腐蚀性强等复杂的工况，导致无法应用于原油储罐的油水界面测量。
（6）短波吸收界面仪
短波吸收界面仪是基于介质对短波吸收的理论，将电能以电磁波的形式辐射到以乳化态存在的油水介质中，依据油水吸收电能的差异来检测两种介质的含量。现阶段的短波界面仪，由于标定和使用中容易出现过度灵敏和迟滞，因此阻碍了其大规模应用。
在油田生产中，开采出的原油在采油计量站进行计量后进入联合站。经过计量、加热进入一级沉降罐，沉降分离后送至中间罐，经过脱水泵脱水、二次加热后进入二级沉降罐，分离后的原油进入电脱水器进行最后的处理，达到含水率标准后送到成品油储罐。在整个过程中，都需要进行油水界面的测量，这对油品的含水率、处理过程的监控和生产成本的控制都是非常关键的。为实现油水分离，需要知道储罐内原油及水的准确位置，通过对油水分界面位置的准确监测，及时调整排水量及排油量。如果控制不当不但会造成生产的浪费和环境污染，还会存在冒罐等安全隐患，因此油水界面检测是实现油水分离、储油罐水位自动控制非常重要的环节[3]。
吉林化工学院毕业设计说明书
电容式油水界面检测系统的设计
The Design ofCapacitiveOil-WaterInterfaceDetectionSystem
学生学号：源自文库
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
起止日期：2012.2.27 - 2012.6.15
吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology
1.2
目前，国内外的研究人员对油水分界面检测技术进行了大量的研究，已经有很多界面检测仪应用到了实际生产之中，常见的界面计有差压式、超声波式、光纤式、浮球式、射频导纳式、短波吸收式和雷达式等等。
（1）差压式界面仪
差压式界面仪是根据油水密度不同，可以通过检测不同位置的压力以反映储油罐不同位置的油水混合物密度。从理论上来讲，通过水和油的密度关系不但可以测量界面位置，还可以计算出不同位置的含水量。然而，在实际生产过程中发现，目前市场上适用于储油罐测量的压力表很难满足精度要求。同时，由于矿化度、破乳剂、各种聚合物的影响，导致油和水的密度很接近，进而无法进行有效测量。
Key words: Oil-Water interface；Electrical capacitance tomography；C8051f410 MCU；
Small capacitance detection
第一章
1.1
在石油、化工行业的生产中，常常需要用到一类设备有效地去除油品中的水分，一般称为油水分离器。含有水分的油品进入分离器后，由于密度不同，水和油上下分离形成一个界面。如何能及时准确地判知油水界面所在位置，及时开闸放水，准确地停止放水或是开始抽油，是油水分离器使用的关键所在。
The experimental results show that the system can be better to complete the detection of oil-water interface, the detection accuracy in the measurement range of 1m up to 1mm, to meet the oil-water interface testing requirements. This paper presents the design method to meet the development needs of the modern oil industry, has some potential applications, and similar applications with a certain reference value.
早在19世纪末20世纪初，国外就已经出现了关于油水分离的理论。1904年Hazen根据实践经验提出了“浅池理论”，对推动油水分离技术的发展起到了至关重要的作用。60年代末80年代初，国外主要研制和使用的是各种钢带浮子界面计。这类仪表的主要缺点是机械摩擦影响了检测精度，而且浮子在滑动杆上容易被卡住。随着对检测精度要求的不断提高，出现了伺服式界面计，由于其使用了伺服电机，减小了因机械摩擦而引起的误差，提高了灵敏度，其计量精度得到极大地提高。这一时期的典型产品是美国VAREC公司生产的2500型钢带浮子界面计和6500型伺服式界面计以及荷兰NRAF公司的SH型伺服动力界面计等。德国的ENRAF-ONIUS公司于80年代末期推出了串式电容界面测量系统，该系统采用多级串式电容界面传感器。90年代中期，曼彻斯特理工大学的电子工程系成功地研制出了分段电容阵列法，但这种方法对电容传感器的制作工艺要求很高，而且对安装维护的要求也很高。同期，美国研制出了磁致伸缩界面计，这种传感器同时可以测温，具有很高的测量精度，缺点是不适合测量粘稠的原油[13]。
（4）浮球式液位界面仪
浮球式液位界面仪是基于力学平衡原理制成的。液体分界面的变化导致浮力的变化，而恰好这种变化可以用来检测液体的界面。优点是线性度较好、可以实现液位和界面同时检测，在污水沉降罐等开式容器中使用效果较好。缺点是由于其存在机械滑动部分，因季节或油的黏稠度变化而经常致使滑杆卡死，继而导致测量结果出现很大误差。
（3）设计了基于C8051F410片上系统的检测系统硬件平台，对每一路极板信号进行有效采集、快速处理，就地显示，通过按键可以对量程和报警上下限进行调整，并可通过串行接口将检测数据送至上位机进行存储及显示，对整体硬件进行了调试；
（4）对单片机系统应用程序和上位机程序进行了编制并调试；
（5）结合自制分段式电容传感器油水界面测量系统，进行了实验测试，并对实验结果进行了分析。
（7）雷达式界面仪
雷达物位计的天线发射以光速传播的极窄的微波脉冲，当碰到被测介质表面时，其部分能量被反射回来，被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。但由于电磁波的传播速度极高，发射脉冲与接受脉冲的时间间隔很小，因此也具有一定的测量误差[4]。
上述常用界面仪的使用均受到各自某些本身特性的限制，在使用过程中仍存在检测精度不高、工作不稳定等问题。随着石油工业的大规模发展及新的检测技术的不断涌现，高精度、多功能、网络化、智能化界面仪越来越成为油水界面检测仪器的发展趋势。
实验结果表明，系统可以较好地完成对油水界面的检测，在1m的测量范围内检测精度可达1mm，可以满足油水界面的检测要求。本文提出的设计方法，迎合了现代石油工业的发展需求，具有一定的应用潜力，对类似应用具有一定的参考价值。
关键词：油水界面；电容层析成像；C8051F410单片机；微小电容检测
Abstract
石油和化工企业一直受到无法快速、准确地确定油水分离器中油水界面位置的问题的困扰，传统的测量方法不能很好的解决这一问题。本文提出了一种基于分段式电容传感器的油水界面检测系统的设计方法。
在对传统油水界面检测相关方法和技术研究的基础上，本文提出了分段式电容油水界面的检测模型；设计了基于C8051F410片上系统的检测系统硬件电路；详细描述了传感器结构；编写了单片机系统应用程序及上位机程序；通过实验对系统的整体性能进行分析和评价。
1.3
为了迎合石油工业中检测仪器自动化的发展趋势，结合生产中油水分离器的实际需求，根据设计要求，设计了基于分段式电容的油水界面测量系统，本次设计的主要内容包括：
（1）对传统油水界面检测技术与方法的研究基础上，提出了分段式电容检测方法，可以克服传统电容传感器测量精度低，易受介质性质和温度干扰的问题；
（2）根据分段式电容传感器输出信号小的问题，对常用微小电容信号检测电路进行了研究，设计了微小电容的交流法测量电路；
On the basis of the detection methods and techniques for the study of traditional oil-water interface, the oil-water interface segmented capacitive detection model; design a detection system based on the C8051F410 chip hardware circuit; a detailed description of the structure of the sensor; the preparation of single-chip system applications and host computer program; through experiments on the overall system performance analysis and evaluation.
（2）超声波界面仪
超声波界面仪是通过将超声波发生器和接收器放入油罐中，利用超声波在油和水中传播速度的不同来测量界面位置的。其优点是有效地克服了挂油问题，但由于发送和接收距离限制，导致其精度下降，不能实现储油罐油量的准确计量。
（3）射频导纳界面仪
射频导纳界面仪以射频阻抗理论为基础，通过被测介质呈现的阻抗特性反映油水界面位置，由于其具有测量范围大、可以克服矿化度和挂油影响等优点而被广泛应用。它在传统电容式液位计的基础上进行了改进，增加了探头根部抗黏附、抗冷凝的功能。但是该方法仅通过电导率一个参数很难完全反映油水乳化层的状态，这就使得射频导纳界面仪无法跟随乳化带的变化，在现场应用中其误差通常为几十厘米，最大误差可达1米，很难满足生产要求[2]。
目前，国内油田普遍采用的是重力油水分离方法，在对原油进行气液分离和固体杂质分离后，将其输入油水分离罐中。由于油和水的比重不同，经过一段时间的静置，原油中的水会到沉降到分离罐的底部，然后将水层和油层分别引出，这样就实现了油水分离的目的。为了提高油水分离罐的利用效率，需要不时将水放出，这就要求能够准确地测量油水界面。实际生产过程中，由于受到温度、粘度、电场强度等因素影响，油水界面通常是厚薄不等、含水不均的过渡带。界面过渡带的复杂特性增加了界面检测的难度，而界面的检测控制的好坏将直接决定脱水后原油含水是否超标，所以油水界面的检测非常重要。在油田实际应用中，界面检测的准确性常受介质的物理性质、化学性质、工作环境的影响，各种原理的界面检测仪表具有不同的适应性，原油生产中的油水界面测量是国内工业过程测量领域的一个难题，多年来一直未得到合理的解决[1]。
第二章
本章在对传统电容式液位检测方法及原理进行分析的基础上，对分段式电容界面检测原理进行了分析，提出了检测模型。
2.1
电容式液位计是利用界面高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量的。传统电容式界面计的结构形式有很多，例如平极板式、同心圆柱式等等。这类传感器适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不像其它方法那样严格。对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有小幅晃动及高速运动的容器的界面。电容式界面计的这些特点决定了它在界面测量中的重要地位[4]。
Oil and chemical companies have been unable to quickly and accurately determine the oil-water interface position of the troubled oil-water separator, the traditional methods of measurement can not be a good solution to this problem. This paper presents a design method of oil-water interface detection system based on a segmented capacitance sensor.
（5）光纤油水界面监控仪
光纤油水界面监控仪是根据光纤的传输功率随外界介质折射率的变化而变化这一特性而工作的。这种传感器具有灵敏度高，现场不带电，安全可靠的优点，但是由于适应不了罐内温度高、腐蚀性强等复杂的工况，导致无法应用于原油储罐的油水界面测量。
（6）短波吸收界面仪
短波吸收界面仪是基于介质对短波吸收的理论，将电能以电磁波的形式辐射到以乳化态存在的油水介质中，依据油水吸收电能的差异来检测两种介质的含量。现阶段的短波界面仪，由于标定和使用中容易出现过度灵敏和迟滞，因此阻碍了其大规模应用。
在油田生产中，开采出的原油在采油计量站进行计量后进入联合站。经过计量、加热进入一级沉降罐，沉降分离后送至中间罐，经过脱水泵脱水、二次加热后进入二级沉降罐，分离后的原油进入电脱水器进行最后的处理，达到含水率标准后送到成品油储罐。在整个过程中，都需要进行油水界面的测量，这对油品的含水率、处理过程的监控和生产成本的控制都是非常关键的。为实现油水分离，需要知道储罐内原油及水的准确位置，通过对油水分界面位置的准确监测，及时调整排水量及排油量。如果控制不当不但会造成生产的浪费和环境污染，还会存在冒罐等安全隐患，因此油水界面检测是实现油水分离、储油罐水位自动控制非常重要的环节[3]。
吉林化工学院毕业设计说明书
电容式油水界面检测系统的设计
The Design ofCapacitiveOil-WaterInterfaceDetectionSystem
学生学号：源自文库
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
起止日期：2012.2.27 - 2012.6.15
吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology
1.2
目前，国内外的研究人员对油水分界面检测技术进行了大量的研究，已经有很多界面检测仪应用到了实际生产之中，常见的界面计有差压式、超声波式、光纤式、浮球式、射频导纳式、短波吸收式和雷达式等等。
（1）差压式界面仪
差压式界面仪是根据油水密度不同，可以通过检测不同位置的压力以反映储油罐不同位置的油水混合物密度。从理论上来讲，通过水和油的密度关系不但可以测量界面位置，还可以计算出不同位置的含水量。然而，在实际生产过程中发现，目前市场上适用于储油罐测量的压力表很难满足精度要求。同时，由于矿化度、破乳剂、各种聚合物的影响，导致油和水的密度很接近，进而无法进行有效测量。
Key words: Oil-Water interface；Electrical capacitance tomography；C8051f410 MCU；
Small capacitance detection
第一章
1.1
在石油、化工行业的生产中，常常需要用到一类设备有效地去除油品中的水分，一般称为油水分离器。含有水分的油品进入分离器后，由于密度不同，水和油上下分离形成一个界面。如何能及时准确地判知油水界面所在位置，及时开闸放水，准确地停止放水或是开始抽油，是油水分离器使用的关键所在。
The experimental results show that the system can be better to complete the detection of oil-water interface, the detection accuracy in the measurement range of 1m up to 1mm, to meet the oil-water interface testing requirements. This paper presents the design method to meet the development needs of the modern oil industry, has some potential applications, and similar applications with a certain reference value.
早在19世纪末20世纪初，国外就已经出现了关于油水分离的理论。1904年Hazen根据实践经验提出了“浅池理论”，对推动油水分离技术的发展起到了至关重要的作用。60年代末80年代初，国外主要研制和使用的是各种钢带浮子界面计。这类仪表的主要缺点是机械摩擦影响了检测精度，而且浮子在滑动杆上容易被卡住。随着对检测精度要求的不断提高，出现了伺服式界面计，由于其使用了伺服电机，减小了因机械摩擦而引起的误差，提高了灵敏度，其计量精度得到极大地提高。这一时期的典型产品是美国VAREC公司生产的2500型钢带浮子界面计和6500型伺服式界面计以及荷兰NRAF公司的SH型伺服动力界面计等。德国的ENRAF-ONIUS公司于80年代末期推出了串式电容界面测量系统，该系统采用多级串式电容界面传感器。90年代中期，曼彻斯特理工大学的电子工程系成功地研制出了分段电容阵列法，但这种方法对电容传感器的制作工艺要求很高，而且对安装维护的要求也很高。同期，美国研制出了磁致伸缩界面计，这种传感器同时可以测温，具有很高的测量精度，缺点是不适合测量粘稠的原油[13]。
（4）浮球式液位界面仪
浮球式液位界面仪是基于力学平衡原理制成的。液体分界面的变化导致浮力的变化，而恰好这种变化可以用来检测液体的界面。优点是线性度较好、可以实现液位和界面同时检测，在污水沉降罐等开式容器中使用效果较好。缺点是由于其存在机械滑动部分，因季节或油的黏稠度变化而经常致使滑杆卡死，继而导致测量结果出现很大误差。
（3）设计了基于C8051F410片上系统的检测系统硬件平台，对每一路极板信号进行有效采集、快速处理，就地显示，通过按键可以对量程和报警上下限进行调整，并可通过串行接口将检测数据送至上位机进行存储及显示，对整体硬件进行了调试；
（4）对单片机系统应用程序和上位机程序进行了编制并调试；
（5）结合自制分段式电容传感器油水界面测量系统，进行了实验测试，并对实验结果进行了分析。
（7）雷达式界面仪
雷达物位计的天线发射以光速传播的极窄的微波脉冲，当碰到被测介质表面时，其部分能量被反射回来，被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。但由于电磁波的传播速度极高，发射脉冲与接受脉冲的时间间隔很小，因此也具有一定的测量误差[4]。
上述常用界面仪的使用均受到各自某些本身特性的限制，在使用过程中仍存在检测精度不高、工作不稳定等问题。随着石油工业的大规模发展及新的检测技术的不断涌现，高精度、多功能、网络化、智能化界面仪越来越成为油水界面检测仪器的发展趋势。
实验结果表明，系统可以较好地完成对油水界面的检测，在1m的测量范围内检测精度可达1mm，可以满足油水界面的检测要求。本文提出的设计方法，迎合了现代石油工业的发展需求，具有一定的应用潜力，对类似应用具有一定的参考价值。
关键词：油水界面；电容层析成像；C8051F410单片机；微小电容检测
Abstract