智能化螺旋电容式油中含水检测仪及测量方法 本发明为一种两相式两组分流体检测仪表及其测量方法。
油中含水率的测量是两相流工业测量及实验室研究中所遇到的重要课题，采用电容法测量油中含水率具有设备简单、使用方便、成本低、动态响应快、可靠性高、非接触、非插入式、对流体流动状态无干扰、无压力损失以及可以测量载流管道整个载面等优点，因此受到国内外有关研究人员的重视。然而采用电容法的最大问题在于，管道中两相或两组分流体分布的状态或流型影响电容传感器的输出，而且流体温度对电容影响也很大，电容值与含水率之间呈严重的非线性关系，造成很大的测量误差。为解决这一问题，有人提出了采用旋转电场进行测量的分法，如E.A.HAMMER等人在“Capacitamcetransducers for non-intrusire measurement of wa-ter in crude oil”(Flow Meas Instrum Vol.1 Oct-ober 1989)一文中提出的采用螺旋形曲面电极系统，使传感器的一端到另一端产生一个180度的旋转电场，从电极结构上对被测载流管道进行了平均化处理，理论模拟和试验结果表明，该电极受流动状态变化的影响非常小，此文的结论是：如果混合液中油为连续相时，螺旋式电容原油含水测定仪的测量结果将不随两相流的分布情况而变化；当流动状态发生变化时，它比目前使用的电容原油含水测定仪的稳定性好。对北海油田的原油可以测量含水量从0％-80％，但它的缺点是对油中含水量在80％以上，为水连续相时则不能进行测量。
另外由DELTAC公司生产的DC-1000油中低含水分析仪技术手册中指出：含水率在0％-10％时，测量值、温度与含水率之间呈二元线性关系，可以用三维平面描述，试验证明，当含水率由0％-100％变化时，这三者的关系变成复杂的严重非线性曲面。
本发明提供了一种不受相分布或流型影响，对温度变化不敏感的，解决了测量的严重非线性问题，而测量灵敏度很高地螺旋电容式油中含水率检测仪及测量方法，其测量油中含水率范围从0％-100％。
智能化螺旋电容式油中含水检测仪，由检测传感器和单片计算机系统构成；检测传感器是用标准法兰1，连接的一段玻璃钢绝缘载流管道2，内壁装有一对螺旋曲面电极作为电容测量电极5、7，一对电导测量电极9、10和一个温度测量探头3，总体作为测量的现场检测传感器；单片计算机系统是能完成信号处理、数据滤波、多参数数值计算、分段计算处理的单片计算机智能化系统。
本发明的技术效果在于，该智能化螺旋电容式原油含水测量仪，采用了玻璃钢做为绝缘材料，内衬式电容结构，衬里采用防水涂料，内壁光滑，故可以补偿传感器内部引起的干扰影响，经标定试验，其准确度为±4％，重复性误差优于1.0％(温度误差优于±0.5％)、可以较高精度测量原油中的含水量。
另外该测量仪和测量方法，表明了混合流体的介电常数是随混合比率而变化的，但呈严重的非线性关系，在油是连续相时，含水率与测量电容之间的关系呈近似二次曲线，在油水相转换时，电容值产生一个大跳变，当水是连续相对电容的变化呈另一种非线性关系，参见图6。对试验用柴油与自来水混合液，当温度在40℃时，跳变点在60％到65％之间，而试验用变压器油与自来水混合液的跳变点在50％～55％之间。这种特性如果用常规的测量方法，是没办法做到精确测量的，也是混合流测量的主要难点所在。
另外通过实验发现，电容传感器对管道内流体压力变化不敏感，但对流体温度变化却十分敏感，流速变化也有一定影响，用该方法通过多次试验测得大量数据，掌握了温度与电容的变化规律。
本发明通过动态试验还对混合流体的含水百分率与电导率(电阻)之间的关系做了试验也掌握了其中的规律。在掌握了混合流流动机理与测量电容、电导、温度、流速等各参数之间关系的基础上，分析影响测量的主要因素，用计算机进行大量的数据分析、处理，最后选用电容和温度做为主要测量参数，得到温度-电容-含水率(T-C-W)之间的关系曲面，如图7；又由计算机进行试验数据的平滑、回归、参数优化等，计算得到温度-电容-含水率(T-C-W)之间的分段回归多元非线性数据方程，流速做为参变量，电导做为辅助测量，对油连续相和水连续相分别计算处理，解决了测量曲线的非线性问题，由此实现了仪表的智能化。
图1为本发明螺旋电容测量传感器剖面示意图；
图2为本发明螺旋电容测量传感器A-A剖面示意图；
图3为本发明螺旋电容测量传感器测量部分电路方框图；
图4为本发明计算机智能化系统方框图；
图5为本发明螺旋电容测量传感器测量部分的电路原理图；
图6为本发明动态试验曲线，含水率-电容变化量之间关系曲线其温度在35℃时；
图7为本发明的温度-电容-含水率(T-C-W)之间的分段回归曲面图，W＝0％～100％，T＝35℃～55℃。
1标准法兰、2玻璃钢绝缘载流管道、3温度测量探头、4外屏蔽电极、5电容测量电极、6隔离电极、7电容测量电极、8隔离电极、9电导测量电极、10电导测量电极、11高强度绝缘材料、12被测载流管道、13防爆壳、14方波振荡源、15调整脉冲宽度调节器、16真有效值-直流电压转换器、17直流放大器、18T形滤波器、19电压-电流变换器、20电阻测量电路、21电压-电流变换电路、22温度变换器、23多路模拟开关、24模拟量-数字量转换器、25微处理器、26数字量-模拟量转换器、27电压比较器、28数码显示器、291/ORS232、30EPROM、31ROM、32RAM、33调校计算机、Ic电容信号、It温度信号、Ir直流电源信号。
实现本发明的最佳方案如图所示。其结构和工作原理为：
螺旋曲面电容测量电极是安装在被测载流管道12的内壁，有一层高强度绝缘材料11使电容测量电极5、7与被测流体之间绝缘，电容测量电极5、7为具有相同张角的两个金属弧状电极，它们沿载流管道轴线螺旋分布，使之从电容传感器的一端到另一端产生大于180度的旋转电场，为防止两极之间的漏电场，在两极间还安置了一对隔离电极6、8，它们与主电极一起旋转同样的角度。为防止环境电磁场的干扰，传感器外壁安置一层金属屏蔽电极4。
电导检测电极9、10，是安装在被测载流管道电容测量电极的下游，与电容传感器保持一定距离，由上下轴对称并插入到被测管道内的两个金属探针做电导测量电极9、10，它们的金属部分直接与被测流体接触，以检测流体的电导率。
温度检测探头3，是安置在电容传感器的上游，并与之保持一定距离的插入在被测载流管道内的一段金属密封套管，内部安装有铂电阻的温度传感器作为流体温度的在线检测。
能完成信号处理、数字滤波、多参数的数值计算、分段数值计算的单片计算机智能化系统，由两部分组成，一是安置在传感器上圆形防爆壳13内的信号测量及处理部分(如图1)，另一部分是安装在计算控制箱内的，由多路开关、模数转换、微处理器、预置计算程序以及数模转换，RS232、RS422，输出接口等几部分组成(如图4)。完成电容、温度及电导信号的信号处理，数据滤波及数值计算等直接输入油中含水率百分比含量的数字显示或输出给上位机信号。
电容测量系统，由于螺旋电容极板较长、面积大、以及保护电极、屏蔽电极的各种分布电容的影响，使被测电容具有很大的起始电容，给测量带来不便，因此选择脉冲调宽法进行电容电的测量，如图3所示。由方波振荡源14产生固定频率的方波信号。被测电容Cx通过Vc经Rc进行充电放电工作状态，当充电达到给定电压时产生信号，以调整脉冲宽度调节器15的输出脉冲宽度，被测电容Cx较大时，脉宽加大，反之脉宽减小，保证了被测电容与脉冲宽度成线性关系。经真有效值-直流电压转换器16，将脉冲信号转化成相应的直流电压信号。再经过直流放大器17、双T形滤波器18、电压-电流变换器19将电容信号变成为标准仪表输出电流信号Ic(4-20mA)，送计算控制箱作为智能化系统的输入信号之一。另外流体电阻Rx信号经电阻测量电路20，电压一直流变换电路21，将电阻信号变换成标准直流电流信号Ir(4-20mA)，送计算控制箱作为智能化系统的输入信号之一。还有温度测量铂电阻Rt，经温度变送器22，将电阻信号变换成标准直流电流信号Ir(4-20mA)，送计算控制箱作为智能化系统的输入信号之一。这样完成了电容、电阻、温度三个信号的测量。
安装在计算控制箱内的智能化系统部分方框图见图4，它由多路模拟开关23，模拟量-数字量转换器24、电压比较器27、微处理器25、EPROM30、ROM31、RAM32，数码显示器28，数字量-模拟量转换器26，数据I/ORS23229部分组成。电容信号Ic、温度信号It两个模拟信号经由系统时钟控制的多路模拟开关23采样，经模拟量-数字量转换器24变成数字信号送微处理器25，而电阻信号Ir经电压比较器27，将模拟信号变成开关信号送微处理器25，经预先设置在EPROM30，ROM31，RAM32中的软件进行数字信号处理、数据滤波、多参数数值计算、分段计算处理后输出与原油含水率相应的信号，它可以经数码显示器28就地显示，也可以经数字量-模拟量转换器26变成标准仪表电流信号，输出4-20mA，还可以经数据I/ORS23229送上计算机数字信号。另外调校计算机33是用来在线调校仪表参数的。
该螺旋电容式原油含水测量仪的软件是用ASMSI汇编语言编辑，采用8031单片机外加八选一多路开关把现场信号通过A/D芯片由模拟量转换成数字量存入处理器，对信号进行数据处理，然后通过D/A芯片把数据量转换成模拟量送入显示器显示输出。
程序首先给芯片初始化，为了提高数据处理的运算精变，对同一信号量相对来说同一段时间内进行多次采样，因此要置采样次数存在8031芯片RAM单元里，同时精数据缓冲区单元，用以放计算的数据。然后判一下8031芯片的P1.6口，此端口是作为一个电阻控制信号，若端口信号为“0”则数据处理方程置高端方程公式，若端口信号为“1”，则数据处理方程置低端方程公式，走低端处理程序，在判断P1.6口时，若为“0”走高端处理程序，同时在内存单元里置一数据标志位。重新置栈指针计数器。同时先采样电容量也在内存里置一标志位，然后调模拟转换输入子程序。因采样的数据量是十二位，再转换成二个字节八位的数据量，所以调高、低八位交换子程序。
为了提高数据运算精度，减少误差，所有参加运算的数据都由整数变成浮点数，所以先调把整数变成浮点数子程序，把浮点数十六进制对应十进制转换，再调多项式计算电容量子程序，把转换的电容信号量送入数据缓冲区暂存，用公式计算数值Y1＝B9XC3＋B5XC2＋B2XC＋B0。其中B9、B5、B2、B0是常数项，预先存在数据缓冲区里，需用常数时，直接到数据缓冲区里取数，XC是被测电容量，常数项及被测变量均是十进制的浮点数。通过运算得出的数值Y1存入数据缓冲区。调温度采样子程序及模拟转换，高、低位交换，整数变浮点，浮点十六进制转换十进制等子程序，之后调多项式计算温度量子程序。计算Y2＝B6XT3＋B3XT2＋B1XT。其中B6、B3、B1是常数项，也预先存在数据缓冲区里，XT是被测温度信号。通过运算得到Y2数据存入数据缓冲区里，再从数据缓冲区里把Y1、Y2数据取出来计算电容和温变数据运算之和得到数据Y3存入数据缓冲区里，之后，分别到数据缓冲区取被测的温度数据。被测的电容数据，到内存单元查询P1.6口的标志位，若为“1”，取数据处理低端方程系数，否则取数据处理高端方程系数，然后到数据缓冲区分别取出常数B4、B7、B8被测电容数据XC，被测温度数据XT，计算电容，温度信号乘积项之和Y4＝B4XCXT＋B7XT2XC＋B8XTXC2，再从数据缓冲区取出数据Y3，计算数据Y5＝Y3＋Y4，数值Y5就是数据处理运算的最终结果。数据Y5存入数据缓冲区暂存。然后主程序判采样计数次数到十次否，未到主程序返回到采样模拟信号。否则，再调取数，送数，加法子程序，累加计算得Y5数据，然后再调除法子程序计算出Y5的数据均值，得到的结果再存入数据缓冲区暂存，同时判断处理的数据Y5的数值是否是负数或是否小于数值1，若是，处理的数据转换成模拟量输出为1V，Y5的数据若大于5V，处理的数据转换成模拟量输出为5V，若Y5数值不是上述值，那么就把此浮点数十进制转换成十六进制数，同时再转换成整数，把二个字节八位的数据信号转换成十二位数据量，调数据转换输出子程序，把数据量转换成模拟量，显示输出之后，调延时子程序，同时主程序返回初始状态。