摘要:隨著數字微電子技術和計算機技術的不斷發展,物位測量技術發展迅速,利用時間行程原理非接觸式測量的超聲、雷達等物位測量技術,還有應用較為成熟的電容及各種電子型物位測量技術,都已慢慢成為物位測量方法中的重要手段,與原來機械式的物位測量儀表在各種應用領域優缺點互補。本文介紹了一種基于射頻導納式油水界面物位儀的設計原理分析及選取,并應用于油田項目的油水界面測量。

 

        射頻導納物位檢測技術是當前精度較高、原理較為先進的物位儀,能夠對許多應用場合對容器內介質進行物位或界位測量,與傳統電容式物位儀相比有著很大的技術優勢。隨著我國綜合國力的不斷提升,石油石化工業取得了長足的進步,物位儀是油氣田地面工程建設過程中必不可少的重要儀器設備,在測量物位、液位等方面發揮著重要作用。

 

1 物位計及界位儀表

        射頻導納物位儀是一種從電容式發展起來的,具有防掛料、更可靠、更準確、適用性更廣的新型物位控制技術,是電容式物位技術的升級。下面就該種物位儀的原理展開分析和研究,并對其應用情況加以探討。

 

2 電容式物位儀工作原理

        電容式物位計是在一個容器中建立起一個電容, 將該電容的一極設置為浸沒在某容器中的桿狀探頭,電容的另外一極則設置為一個接地的金屬板(該金屬板通常為容器壁),再設以空氣為介質的電容為C1,設以被測物料為介質的電容為C2,可以計算出電極間的電容值為:C=C1+C2。如果我們設被測介質為導體,那么就必須在探頭上加一層絕緣層,再設被測物料上部以絕緣層為介質的電容為C1a,以空氣為介質的電容為C1b,被測物料部分以絕緣層為介質的電容為C2a,則電極間的電容為:C=(C1a·C1b)/(C1a+C1b)+C2a。經推導可得兩電極間的電容C與被測物位高度h的關系為:C=C0 +k·h。式中C0和k是與介電常數、容器結構有關的常數。當物位變化時,被測介質對探頭的浸沒高度h發生變化,從而使電容C發生變化,通過測量電容C得到物位高度h(即為物位儀測量目標值)。

3 射頻導納物位儀工作原理

3.1 射頻導納技術簡介

         射頻導納物位儀是一種從電容式發展起來的防掛料更可靠、更準確、使用性更廣的液位測量技術,與電容式物位儀相比精度更高、易用性更好。射頻就是高頻無線電波譜,導納為阻抗的倒數,它是電阻性成分、電容性成分、電感性成分綜合而成。射頻導納物位計通用性是非常高的,其支持HART協議的智能式物位變送器更顯示出卓越的性能:(1)較高的準確度;(2)永久保存數據,不怕斷電丟失;(3)可以進行容器參考標定;(4)物位的任意兩點標定;(5)多過程量輸出;(6)可以進行非線形校正。

 

3.2 射頻導納液位儀工作原理

         由于電容式物位儀掛料的橫截面積較小,掛料的等效電阻較大,掛料的等效電路如圖1所示,掛料可以看做由許多微小的電阻和電容組成。從數學上可以證明,只要粘附層足夠長,粘附層的電阻和電容具有相同的阻抗, 這就是射頻導納定理。將測量電極上帶有粘附層的容器的外壁接地, 在測量電極和地之間加一高頻激勵信號,由掛料的等效電路可知,在測量電極和地之間沒有直流通路,因此,可以得掛料電極的等效電路。

         設:U為頻率為ω的激勵電壓;Iw為流過被測實際物位電容的電流;Ig為流過粘附層的電流,I為總的電流。I=Iw+Ig。Cw為實際的物位電容,Cg和Rg分別為掛料電容和掛料電阻,

         當粘附層無限長時,由射頻導納定理可知,Cg與Rg的阻抗相等,即Rg=1/ω·Cg。

設:U的相位為0,即U=U<0°,即Iw =jω·Cw·U=ω·Cw·U<90° (1)Ig={1/Rg+jω·Cg }·U=(1+j)ω·Cg·U =√2ω·Cg·U<45°

         (2)由式(1)、(2)可知,Ig的相位落后于Iw的相位π/4。設Iw的相位為0,如果在π/4處對I進行測量,則此刻粘附層電流I g的幅值為零,這樣測得的電流中只包含Iw,而Iw與實際物位電容Cw之間存在線形關系,因此,在ω·t =π/4+2kπ(k=1,2,…n)時對電流I 進行測量,可以得到實際的物位值,這就是射頻導納物位儀表的工作原理。

 

4 射頻導納液位儀測量系統設計原理

4.1 系統設計

         系統框圖如2所示,整個測量儀系統由標準正弦信號發生器、物位傳感器、帶通濾波器、變壓器電橋測量、電容驅動電路、同步信號、微機系統、鍵盤電路、采樣保持電路、報警電路、顯示電路等11個部分組成。其中,標準正弦信號發生電路穩定發出頻率為100kHz的射頻信號, 但是含有其他頻率的干擾信號,所以信號須經帶通濾波電路,將干擾信號過濾掉,從而獲得穩定的、近似純凈的100kHz射頻信號。電容驅動電路的作用主要是用于提高物位測量范圍值,使整個系統的性能更為優越。

 

         變壓器電橋測量電路的作用是將物位信號轉化系統可以識別的電壓信號,電壓信號經過處理變為兩路,其中一路包含物位信息、掛料信息,另外一路提供采樣時刻的同步信號。如此,同步信號經過系統處理,可以給出準確的采樣時刻,并在相應時刻對具體測量信號進行采樣,這樣就得到準確的物位信息,消除電極掛料誤差。

 

         系統檢測得到的物位信號經低通濾波電路處理,消除所有干擾,信號進入微處理系統,進行AD模數轉換,數據計算,得出實際物位數據,再將實際物位數據與設定數據值進行對比,得出物位值。另外,如果對比之超過報警界限,系統發出報警信號。鍵盤電路的作用是方便用戶通過鍵盤輸入相關命令信號,可對系統實現校零、標定等操作。

 

4.1.1 射頻信號電路設計

         本項目中的射頻信號是方波信號經過帶通濾波處理獲取,該電路由三個電路組成:方波發生電路、帶通濾波電路、驅動電路,如圖3所示。

 

         先由方波發生電路發出方波信號,方波信號經過帶通濾波電路得到正弦信號電路,最后由驅動電路將正弦信號電路處理得到符合要求的信號。高頻信號是作為被測物的容性負載存在,所以激勵信號頻率要始終,以免出現阻抗很大(頻率低的時候,阻抗大)或者容抗很大(頻率過高的情況下容抗會很大)的情況。本物位儀采取100KHz為正弦激勵信號的頻率。

 

4.1.2 微處理系統硬件設計

         微處理系統是硬件電路的核心部分,關系到整個儀表系統的性能、處理速度以及抗干擾能力等方面。微處理系統芯片的選型十分關鍵:尋址方式、功耗大小、執行速度、抗干擾能力、開發環境、指令結構等方面都是需要考量的問題。

 

4.2 系統軟件設計

        系統軟件要充分考慮到各個模塊之間的獨立性,這樣才有利于各子程序的編寫和調試。所以在物位儀軟件上,充分考慮了后期的測試工作,夠保證系統的穩定性、靈活性。本項目中界位儀的整個軟件系統由主程序、初始化、數據采集、數據處理、按鍵顯示、數模輸出、通信等幾個部分組成。

 

4.2.1 主程序設計

        主程序主要是完成各個變量(主要是全局變量)的定義、初始化,設置特殊功能寄存器,開啟特殊中斷,規定整個程序系統的執行順序,協調各個功能模塊。

 

4.2.2 信號采集程序設計

        信號采集程序是負責整個系統的數據采集。模數采樣控制、采樣通道散轉控制是信號采集程序最重要的兩個方面,如圖4所示。采集通道切換先打開,激勵電壓實部、激勵電壓虛部、響應電壓實部、響應電壓虛部等四個軟件模塊同時打開,A/D采樣模塊開始工作,然后對采樣次數進行判斷(若采樣次數不為5就繼續采樣,若采樣次數為5就將采樣次數重新致0,然后將通道次數加1),然后繼續判斷通道采樣次數(若通道采樣的采樣次數為4,則采樣通道致0,若不為4則重新開始)。

 

4.2.3 數字濾波程序

        濾波是自控領域對測量信號進行處理的最常見方法,可以通過數字濾波也可以通過硬件濾波來實現。硬件濾波方式較為固定,成本比較高,且對于微處理系統來說,占用空間較大、存儲容量要求較高,所以可行性較低。故而,一般來說,很多自動化系統都采用數字濾波和硬件濾波組合的方式來實現。本項目的物位儀采用了占優濾波方式。

 

5 射頻導納式物位儀測量油水界面在某項目上的應用

5.1 油田項目油水界面測量

        射頻導納式物位儀測量油水界面在油田項目上應用廣泛,本文以某油田地面工程三相分離器的實際應用為例。這是物位儀表在物位測量的典型應用模型。原油三相分離器,是實現油、氣、水三相分離的設備。

 

        原油三相分離器包括預分離區、分離區、沉降室、油室和氣室。原油在分離器入口處的預分離筒進行氣液初步分離,分離后的氣體上升到氣相空間,然后經過分離器內的兩級聚結整流填料后,氣體中攜帶的較小的液滴由于碰撞聚集作用變大,在重力作用下沉降到液相空間,粒徑大于10μm 的液滴被后部氣相空間的葉片式捕霧器捕捉,氣體從氣相出口流出。從入口預分離筒分離出的油水混合物下降至分離器底部。在重力作用下,油水混合物分層。分離出的原油翻過堰板進入油室,在油室停留一段時間后,低含水原油從油出口流出。油室液位由安裝在油室上的液位控制裝置進行控制。分離出的水從水出口流出,油水界位和水出口流量由安裝在分離室上的油水界面控制裝置進行控制。

 

5.2 射頻導納式物位儀測量油水界面

        本文項目中為保證射頻導納界位變送器精確測量,需要對射頻導納界位變送器進行正確校準標定。由于項目中與射頻導納界位儀一起工作的還有磁翻板式界位計LG02,所以在校準射頻導納界位計之前,先把磁翻板式液位計LG02測試完畢并投入正常運行。然后再進行射頻導納界位變送器的校準,這樣可以使用磁翻板式界位計LG02輔助校驗射頻導納界位變送器,使之更加準確。

 

        在實際應用過程，射頻導納液位計克服原油粘度過高的問題,與氣動液位調節閥聯動,準確控制了油水界面高度。工藝要求油水界位正常范圍在0.2米到0.6米之間,油水界位控制目標是0.4米。經過多次測試,根據實際液位與目標值偏移量,當調節閥的PID參數為當P=80%,I=20s時,能夠使液位控制在±0.06米,滿足項目工藝生產要求(如圖5)。

 

6 結語

        射頻導納式物位儀與傳統電容式物位儀相比有很大的優越性,精度高、物位兩點標定、非線性校正、數據永久保存、多過程量輸出等優點,在很多行業領域得到了廣泛的應用。本文分析了電容式物位儀及射頻導納式物位儀工作原理,某油田地面工程測量油水界面的工程實際應用,在該項目中,所使用的三相分離器是射頻導納式物位儀在石油工業中很典型的使用模型,文章詳細分析了三相分離器的工作環境、工作原理,及物位儀設計選取、最終實現了一種基于射頻導納式的油水面物位儀在項目上的成功應用,并測量出油水界面值,且測量值符合行業工藝要求。