油罐多液位测量系统研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)

油罐多液位测量系统研究毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

精度。 综上所述，基于高度法的浮子式流量计，不能满足油罐测量的精度要求。 近年以来国内外对非接触式液位测量进行了大量的研究和试验，并有产品问世。 如德国 NERAF 一 ONIus 公司开发的微波液位计。 非接触式液位测量技术及装置主要有 :微波雷达技术及微波雷达式液位计；激光技术及激光液位计；光纤技术及光纤液位计和超声技术及超声液位计等。 其特点是 测量手段不是采用浮子之类的固态物，而是采用声、光、射线的能量，液位计不和被测介质接触，但目前这些工作多数仍处在实验室研究阶段，即便有适用的产品问世，也多用来测量油罐的上液位。 总之，当前非接触式的如雷达法、激光法等局限在研究阶段或者在测量油罐上液面使用的比较多，接触式的液位测量仪如浮子式、浮筒式、磁致伸缩法虽然可以用在测量上液面和下液面但是他们的致命缺点都是传感器的浮子部分要沿着滑动杆上下移动，在粘稠油品中，传感器被敷住容易失灵。 曼彻斯特理工的电容法比较好，解决了上下液面测量的问题，也不会因为传感器敷在滑动 杆上，但是它对电容的制作工艺要求很高，多个电容的安装维护比较复杂。 针对我国多数油田高腊、高粘、高凝“三高”的特点，必须找到一种方法解决了上述的问题，完成油层各个界面的测量。 三 .整体方案论证； 油田现场油罐工况； 油田开采过程中注入大量的水，开采出来的含水原油通过输油管道送入沉降罐 (分离罐 )，以辽河油田为例，沉降罐一般高为 15 米，直径为 30 米，每个采油厂均有数个到数十个沉降罐。 为完成石油和水和气体及泥沙的分离，沉降罐中要投入适量的降粘剂、乳化剂、破乳剂，并采用高温蒸气管路或电加热法对罐内原油加热 (一 般在 50℃一 80℃，平均为 78℃ )。 经过一定时间，就实现了油水分离，由于比重不同，使水沉积到底层，纯油浮现上层，原油储罐的工况如图 1 示。 图 1 原油储罐工况示意图 移动式电容方法的确定； 检测原理。 原油是由多种碳氢化合物混和而成，属于非极性物质，其相对介电常数为 2一 3。 而水是极性分子，由水分子组成的液态水为极性电介质，其相对介电常数是 80，两者相差很大。 气体的相对介电常数为 1，和原油的差别也很大。 因此我们利用检测出的相对介电常数的不同就能区分出不同的介质，然而气、油、水的相对介电常数受湿度，温度等因素的影响，准确值很难测得，而我们只是为了区分出界面，利用不同介质介电常数不同的特点，不需测量出气、油、水的介电常数的准确值，利用界面介质的介电常数的跳变点实现原油上界面和下界面的分辨，再联合测量高度的信号，就可以完成界面的高度定位和准确测量。 这是本装置的核心，也是本装置的一大特点。 忽略原油中含有的杂质的影响，含水原油可近似看成纯油和纯水两种介质的混和， 其有效介电常数可用下式表示： r 1 2= D + D  （ 1 ） （ 31） 式中： r —— 混和介质的有效介电常数； 1 —— 纯油的介电常数； D—— 原油中水的体积百分比。 由上式可见，混和介质的有效介电常数介于纯油介电常数和纯水介电常数二者之间，原油中含水的体积百分比的变化将显著地影响原油的有效介电常数。 电容器置于含水原油中，当电容器的结构及外形尺寸一定时，电容量： rC=K （ 32） 气层 泡沫层 油层 乳化层 水层 泥沙 式中： —— 介质的介电常数。 K—— 常数，由电容器的结构、尺寸确定。 由 ， 式可见，原油中含水量不同，则传感器的电容值就不同。 这样就可以把反映含水率的相对介电常数的变化转化为电容信号的变化，再联合位移信号就可以实现储油罐油 /水界面、油 /气界面的识别，并经过计算机的处理，实现显示和控制等。 一般说来，含水率 95%左右认为是水和乳化层的分界面，含水率介于 95%到 5%之间是乳化层， %5 以下认为是纯油。 在各个层内部，基本性质相对稳定，大体成分线性分布，所以可以大体描绘出油位高度和原油相对介电常数的理论曲线 (如图 2)。 图 2 油位高度与相 对 介 电 常数之 间 的理 论 关系曲 线 在 20℃情况下，根据理论曲线可以看到 2 个明显的拐点，在纯水层的介质相对介电常数是 80，水和油的混和层相对介电常数介于 80 和 之间，纯油的介电常数是 ，气层的介电常数是 1。 因此第一个拐点可以看成是水 /油的界面，第二个拐点是油 /界面。 四 .系统的整体设计； 系统原理框图； 整个测量系统由传感器，位移变送器，电容变送器，信号转换电路，主机等组成，以单个的油罐为例，其整体系统结构图如下所示： 图 3 系 统 原理框 图 硬件系统主要分为位移变送器，电容变送器，传输电路，标定接触器，电动机及驱动电路，采集板计算机组成，其中位移变送器主要由编码器和处理电路组成把电动机带动钢带移动的距离转换成数字脉冲经过传输电路送入采集板卡计数实现，然后送至上位工控机进行处理；另一路电容变送器由电容传感器和电容/频率变换电路组成，把在钢带的带动下电容探头采集的反映介电常数变化的信号经过信号处理变换成频率信号，经传输电路送至上位机的数字信号采集板卡，至计算机完成数据的采集； 计算机通过采集板卡对电动机驱动电路发出复位、正转、反转或者停止的信号；标定接触器使得开始测量的每次都使传感器处于同一个位置，这样就消除了由于初始基准位不固定造成的误差，消除了误差的积累；保护接触器是为了电动机发生故障到了标定位依然向上移动造成事故设置的，当电动机带动传感器到保护接触器位置，自动给电动机强制断电，防止事故的发生；计算机主要完成数据的处理、存储、历史当前数据的查询、显示，用户的登录和各种设置功能等。 系统工作过程； 系统的工作过程示意图如下图所示： 图 4 系统工作过程示意图 电容 变送器 数据传输电路 电机 驱动控制电路 数据采集卡 计算机 位移变送器 信号变换电路 传输电路 由图 3，图 4可见，当对某个储油罐进行测量时，由主控计算机首先根据标定接触器的状态驱动电动机转动，使测量从基准位为开始，发出正转指令，通过采集板卡输出相应的控制信号驱动电动机系统，从而驱动电容变送器在原油罐中垂直向下运动，实时测量介电常数的变化，并配以位移变送器。 根据设计参数的要求，每隔 6~间隔采集一个介电常数数据，同时一记录高度数据，送至主控计算机，由主控计算机经过数据处理，存入数据库。 在正程测量完成即运行到最低点后，主控计算机发出电动机停止指令，使电容变送器在最低点停止 5分钟。 然后主控计算 机发出反转信号，使电容变送器在相同的各个位置再测量一组数据，这样在同样的高度就可以得到两组数据，两次求平均值就当成是该点的相对介电常数，可以减小滞后效应造成的误差。 可以看出主控计算机在整个测量中的作用主要包括以下 5个方面 : (1)控制电容变送器在每一次测量过程中，电容变送器自上而下降至罐底一定高 度时自动停住，然后电容变送器自动自下而上升至预定位置自动停住。 (2)读取标定接触器的状态，确定是否开始一次新的测量。 (3)根据保护接触器的状态，确定是否给电动机强制断电。 (4)实时读取电容变送器在油罐中的位置 ，并把位移信号、相对介电常数信号和日期时间存入数据库。 (5)绘制液面高度与原油含水率关系的相对介电常数分布曲线，从而将上界面 (气 /油界面 )和下界面 (油 /水界面 )结果显示出来。 系统构成； 位移变送器 本设计中的测量位移变送器要求测量范围大、精度高、较强的抗干扰能力，并且可以容易地实现模数转换，所以采用光栅尺，其优点在于 : (1) 高精度 :随着光栅划刻技术及电子技术的发展以及莫尔条纹对光栅栅距具有局部消差的作用，在大量程测长方面光栅检测装置的精度仅次于激光测量装置。 (2) 具有 高分辨率、大量程两个特性。 (3) 可实现动态测量、自动测试和数字显示功能。 (4) 有较强的抗干扰能力，对环境的要求低于激光干涉测量方法，在环境较为恶劣的工业现场其稳定性优于电感式传感器。 (5) 具有较高的测量速度。 位移变送器可以把传感器在油罐内移动的位移通过光栅和摩尔条文细分技术转化为数字脉冲，然后通过在采集板卡中计数并且配以电动机正反转的信号就可以实现位移的测量。 电容变送器 电容变送器由电容传感器、电容 /频率变换电路、传输电路等组成可以实时测量油罐内反映原油含水率的介电常数的变化。 这 部分是本论文设计的重点，将在下一章做详细的介绍。 传输电路，采集板选择，主机的选择等不是本文重点就不做具体介绍。 五 .电容变送器的设计； 电容法理论基础； 电容式传感器工作原理； 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。 因此电容式传感器的基本工作原理可以用图 5所示的平板电容器来说明。 图 5 电容式传感器基本工作原理 A d 当忽略边缘效应时，平板电容的电容为： r0AC= Add  （ 51） 式 中： A—— 极板面积； d—— 极板间距离； r —— 相对介电常数； 0 —— 真空介电常数， 0 =； 由式 可知，当 d、 A和。 中的某一项或某几项有变化时，就改变了电容 C。 C 的变化在交流工作时，就改变了容抗 Xc，从而使输出电压或者电流得以变化。 D和 A 的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等变化。 的变化，则可以反映液 面的高度、材料的湿度等的变化。 实际应用电 容式传感器时，常使 d、 A、三个参数中的两个保持不变，而改变其中一个参数来使电容发生变化。 所以电容式可以分为三个种类 :改变极板距离 d 的变间隙式；改变极板面积 A 的变面积式；改变介电常数的变介电常数式。 变间隙式一般用来测量微小的线位移 (小至 .001 微米一零点几毫米 )。 变面积式一般采用测角位移 (自一角秒至几十度 )或较大的线位移。 变介电常数式常用于固体或者液体的物位测量以及各种介质的湿度、密度的测定。 在多数情况下，电容式传感器可以看作成一纯电容。 表 列出了一些电容器 的基本公式。 表 几何形状 电容公式 备注 电容式传感器的特点； 电容式传感器是由电极板和间隙组成的，电极间既要相互绝缘，又有机械连接，其结构性能直接影响传感器的工作性能。 电容式传感器的电容量很小，一般为几十到几百皮法，小的甚至只有几个皮法，因此，这种传感器具有高的输出阻抗和小的输出功率。 由于这样，它的绝缘问题需要特别的注意，一般极间绝缘电阻应在数百兆欧以上。 环境条件变化将影响电容量的变化。 例如，温度变化可引起极板尺寸、间隙大小和介电常数的变化。 湿度变化可引起介电常数及绝缘电阻的变化。 而极板面上潮气凝结的薄膜将引起很大的电容改变。 在振动、加速度条件下，会引起极板的移动，从而影响电容量等等。 因此，传感器的绝缘材料必须具有高的绝缘性能，足够的机械强度，高的形状稳定性，良好的抗湿性能。 电容极板的内表面必须保持清洁，应防尘、防湿、防凝露以及防腐蚀。 电容变送器的设计； 电容变送器设计首要考虑的问题；。