原油含水率檢測儀的研制

王清　張浩　徐斐陽劉黎明　李恒　王證印　葛亮

摘要：本設(shè)計基于AD7746芯片研究并制作了對原油含水率檢測的儀器。在一定的溫度下，不同含水率的原油具有不同的電容值，根據(jù)測量原油的電容值即可計算其含水率。本系統(tǒng)主要包括電容傳感器的設(shè)計與制作，AD7746與單片機的通信。AD7746芯片實現(xiàn)模擬電容數(shù)字化，STC89C51對得到的數(shù)字電容值進行處理并驅(qū)動LCD1602顯示其含水率、電容、溫度。

關(guān)鍵詞：原油含水率；智能檢測；AD7746；電容傳感器；單片機

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）27-6533-03

Abstract： This design that based the AD7746 researched and produced the equipment for detecting the moisture of crude oil. At a certain temperature， crude that have different water content have different capacitance values ??，whose value can be calculated based on that measured moisture content of the capacitance. The system includes the design and production of a capacitive sensor， the communication of AD7746 and MCU. AD7746 chip will converter analog capacitive to digital capacitive. STC89C51 process digital capacitance values ??and drive LCD1602 to display its moisture content， capacitance， temperature.

Key words： Crude moisture content； intelligent detection； AD7746； capacitive sensor； microcontroller

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對各項參數(shù)的實時監(jiān)測顯得越來越重要。目前，我國大部分的油田已進入中、高含水期，部分老井的原油含水量不斷增加，產(chǎn)量逐年減少，含水率的檢測將會對原油的產(chǎn)量計算提供重要的參考價值。在原油生產(chǎn)過程中，原油產(chǎn)出且還未經(jīng)過初步處理時，測定含水率有利于掌握注水情況。有利于調(diào)整后續(xù)生產(chǎn)性注水的計劃，提高產(chǎn)量。在原油交易方面，測定含水率是銷售上商務(wù)衡量的一個標(biāo)準(zhǔn)，原油含水率將直接影響原油銷售價格。因此，對原油含水率的精確研究具有重要的意義及價值。在我國含水率檢測儀應(yīng)用方面 。通過對現(xiàn)有的原油含水率檢測儀的比較分析，大多存在測量準(zhǔn)確度低的現(xiàn)象，國外的原油含水率檢測儀的測量準(zhǔn)確度較高，但價格昂貴并且大多并非針對我國油田特色而設(shè)計。因此，針對我國現(xiàn)目前原油現(xiàn)狀，并獲得較高準(zhǔn)確度的原油含水率分析儀是我們研究設(shè)計的重點。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

通過研究和對比發(fā)現(xiàn)，油和水的介電常數(shù)的差異較大，因此當(dāng)油中混入水的比例在0%到30%時，不斷在油中增加水的比例，可以明顯的觀察到混合溶液的介電常數(shù)的變化，其電容值也會發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)這種現(xiàn)象，本設(shè)計通過電容傳感器測量其電容值，再將通過電容信號處理得到數(shù)字信號，傳輸?shù)轿⑻幚砥鬟M行數(shù)據(jù)的優(yōu)化和處理，最后將結(jié)果顯示到液晶屏。本原油含水率檢測儀研究的另一個特點就是便攜化。因此，在設(shè)計過程中盡量將“硬件軟化”。摒棄了原有的龐大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用可直接與電容傳感器連接的數(shù)字電容轉(zhuǎn)換芯片AD7746，并結(jié)合AD8515芯片，將采集到的電容值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入單片機中，雖然增加了編程的難度但減少了儀器的體積，為手持提供了可能。

實際上，我們對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。但實際上，考慮到電容傳感器極板間的漏電和介質(zhì)的損耗，導(dǎo)線間的寄生電容等，會導(dǎo)致測量時有一定的初始電容值，因此在測量前需得到這個初始電容值。

2.2 模擬電容數(shù)字化電路

該模塊主要通過AD7746實現(xiàn)電容信號的采集和電容到數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換功能，再將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入單片機處理。利用AD8515對AD7746的激勵源EXCA和EXCB產(chǎn)生的方波信號進行調(diào)理，之后接到待測電容Cx的一端，Cx的另一端接到AD7746的CIN+端，從而實現(xiàn)對電容的采集。AD7746與單片機的通信采用與I2C兼容的2線串口方式。其中數(shù)據(jù)通信線SDA與單片機P2.3相連，時鐘控制SCL連接到單片機的P2.2口，兩個端口均外接10K的上拉電阻到電源。另外還有一根描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出信號RDY*與單片機的P3.3口相連，使用單片機外部中斷1的功能，該中斷信號下降沿有效，當(dāng)改端口上有一個從高到低的信號跳變時，表示數(shù)字轉(zhuǎn)換完成，即可以讀取AD7746數(shù)字寄存器內(nèi)的新數(shù)據(jù)。模/數(shù)電容轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示。

2.3 顯示及測溫電路

該模塊利用DS18B29數(shù)字溫度傳感器對溫度的實時采集，并送入單片機進行處理，STC89C51單片機完成對相關(guān)參數(shù)的處理和顯示。

5 總結(jié)

本文研究的是基于電容測量的原油含水率檢測系統(tǒng)，能夠在線實時檢測出原油的含水率。當(dāng)原油進入檢測容器時，電容檢測電路能測量出由于原油含水率變化而引起的電容的變化，并將次變化傳遞給上位機。原油含水率檢測軟件根據(jù)電容值和介電常數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，并調(diào)用相關(guān)的原油含水率檢測基準(zhǔn)，得到準(zhǔn)確的含水率值。

該文所做的研究工作主要有：

1） 根據(jù)原油含水率檢測系統(tǒng)的特點和功能要求，分析了檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計需求，并設(shè)計了檢測系統(tǒng)的整體方案。設(shè)計并制作了測量原油含水率專用的電容傳感器。根據(jù)含水率的不同引起電容量的變化，建立了電容值與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式。

2） 設(shè)計原油含水率檢測系統(tǒng)中的核心部分電容測量電路，該電路能高精度、高分辨率的測量出原油電容的變化。在設(shè)計過程中，利用模塊化的設(shè)計方法，設(shè)計出布線合理的電路。

3） 設(shè)計原油含水率檢測系統(tǒng)中的軟件模塊部分，在設(shè)計程序的過程中，充分考慮到電容檢測電路與上位機實時通信、數(shù)據(jù)傳遞的問題，使檢測的數(shù)據(jù)能快速傳遞給上位機的原油含水率檢測軟件。

4） 建立了電容與含水率之間的關(guān)系式。將硬件和軟件組裝起來調(diào)試，結(jié)果表明，該文研究的原油含水率檢測系統(tǒng)正確可行。

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