射頻導(dǎo)納物位檢測技術(shù)是當(dāng)前精度較高、原理較為先進(jìn)的物位儀,能夠?qū)υS多應(yīng)用場合對容器內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行物位或界位測量,與傳統(tǒng)電容式物位儀相比有著很大的技術(shù)優(yōu)勢。隨著我國綜合國力的不斷提升,石油石化工業(yè)取得了長足的進(jìn)步,物位儀是油氣田地面工程建設(shè)過程中必不可少的重要儀器設(shè)備,在測量物位、液位等方面發(fā)揮著重要作用。

 

1 物位計及界位儀表

射頻導(dǎo)納物位儀是一種從電容式發(fā)展起來的,具有防掛料、更可靠、更準(zhǔn)確、適用性更廣的新型物位控制技術(shù),是電容式物位技術(shù)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(yīng)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(shè)置為浸沒在某容器中的桿狀探頭,電容的另外一極則設(shè)置為一個接地的金屬板(該金屬板通常為容器壁),再設(shè)以空氣為介質(zhì)的電容為C1,設(shè)以被測物料為介質(zhì)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(shè)被測介質(zhì)為導(dǎo)體,那么就必須在探頭上加一層絕緣層,再設(shè)被測物料上部以絕緣層為介質(zhì)的電容為C1a,以空氣為介質(zhì)的電容為C1b,被測物料部分以絕緣層為介質(zhì)的電容為C2a,則電極間的電容為:C=(C1a·C1b)/(C1a+C1b)+C2a。經(jīng)推導(dǎo)可得兩電極間的電容C與被測物位高度h的關(guān)系為:C=C0 +k·h。式中C0和k是與介電常數(shù)、容器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)物位變化時,被測介質(zhì)對探頭的浸沒高度h發(fā)生變化,從而使電容C發(fā)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(biāo)值)。

3 射頻導(dǎo)納物位儀工作原理

3.1 射頻導(dǎo)納技術(shù)簡介

射頻導(dǎo)納液位計是一種從電容式發(fā)展起來的防掛料更可靠、更準(zhǔn)確、使用性更廣的液位測量技術(shù),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(dǎo)納為阻抗的倒數(shù),它是電阻性成分、電容性成分、電感性成分綜合而成。射頻導(dǎo)納物位計通用性是非常高的,其支持HART協(xié)議的智能式物位變送器更顯示出卓越的性能:(1)較高的準(zhǔn)確度;(2)永久保存數(shù)據(jù),不怕斷電丟失;(3)可以進(jìn)行容器參考標(biāo)定;(4)物位的任意兩點(diǎn)標(biāo)定;(5)多過程量輸出;(6)可以進(jìn)行非線形校正。

 

3.2 射頻導(dǎo)納液位計工作原理

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(shù)學(xué)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(dǎo)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(shè):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(dāng)粘附層無限長時,由射頻導(dǎo)納定理可知,Cg與Rg的阻抗相等,即Rg=1/ω·Cg。設(shè):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(shè)Iw的相位為0,如果在π/4處對I進(jìn)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(guān)系,因此,在ω·t =π/4+2kπ(k=1,2,…n)時對電流I 進(jìn)行測量,可以得到實際的物位值,這就是射頻導(dǎo)納物位儀表的工作原理。

 

4 射頻導(dǎo)納液位計測量系統(tǒng)設(shè)計原理

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)框圖如2所示,整個測量儀系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)正弦信號發(fā)生器、物位傳感器、帶通濾波器、變壓器電橋測量、電容驅(qū)動電路、同步信號、微機(jī)系統(tǒng)、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(biāo)準(zhǔn)正弦信號發(fā)生電路穩(wěn)定發(fā)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(jīng)帶通濾波電路,將干擾信號過濾掉,從而獲得穩(wěn)定的、近似純凈的100kHz射頻信號。電容驅(qū)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(tǒng)的性能更為優(yōu)越。

 

變壓器電橋測量電路的作用是將物位信號轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可以識別的電壓信號,電壓信號經(jīng)過處理變?yōu)閮陕?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(jīng)過系統(tǒng)處理,可以給出準(zhǔn)確的采樣時刻,并在相應(yīng)時刻對具體測量信號進(jìn)行采樣,這樣就得到準(zhǔn)確的物位信息,消除電極掛料誤差。系統(tǒng)檢測得到的物位信號經(jīng)低通濾波電路處理,消除所有干擾,信號進(jìn)入微處理系統(tǒng),進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)計算,得出實際物位數(shù)據(jù),再將實際物位數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)值進(jìn)行對比,得出物位值。另外,如果對比之超過報警界限,系統(tǒng)發(fā)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(guān)命令信號,可對系統(tǒng)實現(xiàn)校零、標(biāo)定等操作。

 

4.1.1 射頻信號電路設(shè)計

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

 

先由方波發(fā)生電路發(fā)出方波信號,方波信號經(jīng)過帶通濾波電路得到正弦信號電路,最后由驅(qū)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(fù)載存在,所以激勵信號頻率要始終,以免出現(xiàn)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(tǒng)硬件設(shè)計

微處理系統(tǒng)是硬件電路的核心部分,關(guān)系到整個儀表系統(tǒng)的性能、處理速度以及抗干擾能力等方面。微處理系統(tǒng)芯片的選型十分關(guān)鍵:尋址方式、功耗大小、執(zhí)行速度、抗干擾能力、開發(fā)環(huán)境、指令結(jié)構(gòu)等方面都是需要考量的問題。

 

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件要充分考慮到各個模塊之間的獨(dú)立性,這樣才有利于各子程序的編寫和調(diào)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(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性。本項目中界位儀的整個軟件系統(tǒng)由主程序、初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按鍵顯示、數(shù)模輸出、通信等幾個部分組成。

 

4.2.1 主程序設(shè)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(shè)置特殊功能寄存器,開啟特殊中斷,規(guī)定整個程序系統(tǒng)的執(zhí)行順序,協(xié)調(diào)各個功能模塊。

 

4.2.2 信號采集程序設(shè)計

信號采集程序是負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。模數(shù)采樣控制、采樣通道散轉(zhuǎn)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(yīng)電壓實部、響應(yīng)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(shù)進(jìn)行判斷(若采樣次數(shù)不為5就繼續(xù)采樣,若采樣次數(shù)為5就將采樣次數(shù)重新致0,然后將通道次數(shù)加1),然后繼續(xù)判斷通道采樣次數(shù)(若通道采樣的采樣次數(shù)為4,則采樣通道致0,若不

為4則重新開始)。

 

4.2.3 數(shù)字濾波程序

濾波是自控領(lǐng)域?qū)�測量信號進(jìn)行處理的最常見方法,可以通過數(shù)字濾波也可以通過硬件濾波來實現(xiàn)。硬件濾波方式較為固定,成本比較高,且對于微處理系統(tǒng)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(tǒng)都采用數(shù)字濾波和硬件濾波組合的方式來實現(xiàn)。本項目的物位儀采用了占優(yōu)濾波方式。

 

5 射頻導(dǎo)納式物位儀測量油水界面在某項目上的應(yīng)用

5.1 油田項目油水界面測量

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

 

原油三相分離器包括預(yù)分離區(qū)、分離區(qū)、沉降室、油室和氣室。原油在分離器入口處的預(yù)分離筒進(jìn)行氣液初步分離,分離后的氣體上升到氣相空間,然后經(jīng)過分離器內(nèi)的兩級聚結(jié)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(yù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行控制。

 

5.2 射頻導(dǎo)納式物位儀測量油水界面

本文項目中為保證射頻導(dǎo)納界位變送器精確測量,需要對射頻導(dǎo)納界位變送器進(jìn)行正確校準(zhǔn)標(biāo)定。由于項目中與射頻導(dǎo)納界位儀一起工作的還有磁翻板式界位計LG02,所以在校準(zhǔn)射頻導(dǎo)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(yùn)行。然后再進(jìn)行射頻導(dǎo)納界位變送器的校準(zhǔn),這樣可以使用磁翻板式界位計LG02輔助校驗射頻導(dǎo)納界位變送器,使之更加準(zhǔn)確。

 

在實際應(yīng)用過程,射頻導(dǎo)納液位計克服原油粘度過高的問題,與氣動液位調(diào)節(jié)閥聯(lián)動,準(zhǔn)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(biāo)是0.4米。經(jīng)過多次測試,根據(jù)實際液位與目標(biāo)值偏移量,當(dāng)調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)為當(dāng)P=80%,I=20s時,能夠使液位控制在±0.06米,滿足項目工藝生產(chǎn)要求(如圖5)。

 

6 結(jié)語

射頻導(dǎo)納式物位儀與傳統(tǒng)電容式物位儀相比有很大的優(yōu)越性,精度高、物位兩點(diǎn)標(biāo)定、非線性校正、數(shù)據(jù)永久保存、多過程量輸出等優(yōu)點(diǎn),在很多行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文分析了電容式物位儀及射頻導(dǎo)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(yīng)用,在該項目中,所使用的三相分離器是射頻導(dǎo)納式物位儀在石油工業(yè)中很典型的使用模型,文章詳細(xì)分析了三相分離器的工作環(huán)境、工作原理,及物位儀設(shè)計選取、最終實現(xiàn)了一種基于射頻導(dǎo)納式的油水面物位儀在項目上的成功應(yīng)用,并測量出油水界面值,且測量值符合行業(yè)工藝要求。