基于電導(dǎo)率的混油界面檢測裝置

何國璽， 梁永圖， 李巖松， 方利民， 林默涵， 聶四明

(中國石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200)

基于電導(dǎo)率的混油界面檢測裝置

何國璽， 梁永圖， 李巖松， 方利民， 林默涵， 聶四明

(中國石油大學(xué)(北京) 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200)

為了更好地測量管道順序輸送時的混油濃度變化，基于電導(dǎo)探針測量氣液兩相流持液率的原理，將電導(dǎo)探針改進(jìn)并將其應(yīng)用到管道混油濃度的檢測中。利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，通過電導(dǎo)探針測量不同濃度的鹽水得到對應(yīng)輸出信號，從而得到混合段的濃度變化情況。并對探針進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得到不同濃度下鹽水濃度與輸出信號的函數(shù)關(guān)系，以便將標(biāo)定后的實(shí)驗(yàn)裝置用于測量混油段在不同時刻和管道截面不同位置的混油濃度。

順序輸送； 電導(dǎo)探針； 混油； 測量； 濃度； 標(biāo)定

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，成品油的需求量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢[1]。長輸管道工業(yè)的發(fā)展，可靠準(zhǔn)確地對混油區(qū)的混油進(jìn)行測量是進(jìn)行成品油管道設(shè)計的基礎(chǔ)[2]，也是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行順序輸送混油研究時準(zhǔn)確掌握混油變化的重要依據(jù)?；煊蜏y量裝置安裝在站點(diǎn)首末端進(jìn)行混油濃度檢測，以此根據(jù)混油濃度變化確定所輸油品的混油通過時間，發(fā)送信號至閘閥切換裝置進(jìn)行準(zhǔn)確的混油切割，將各段油品送至不同的儲罐[3-4]。

目前，成品油管道上應(yīng)用的最廣泛的監(jiān)控方法和儀表有以下幾種：(1)基于油品密度差的原理，使用密度計進(jìn)行混油檢測[5-6]；(2)基于不同介質(zhì)的折光率差異，利用光學(xué)檢測系統(tǒng)進(jìn)行混油界面檢測[7]；(3)電容型儀表，這種測量裝置的原理是根據(jù)混油介電常數(shù)的變化來確定順序輸送油品濃度的變化[9]；(4)基于油流內(nèi)超聲波傳播速度變化的原理[10]。

電導(dǎo)探針測量氣液兩相流持液率的技術(shù)是基于安裝在特殊管段上的兩電極之間的電導(dǎo)與液膜厚度的關(guān)系來進(jìn)行測量的[11]。本實(shí)驗(yàn)通過對電導(dǎo)探針實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，將其成功應(yīng)用于測量管道中的混油濃度，具有方便準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

1 電導(dǎo)探針技術(shù)簡介

電導(dǎo)探針測量持液率實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 探針結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the probe structure

其原理是一定高度的液體電導(dǎo)與其高度存在一定的關(guān)系[12-13]。因此通過測量探針周圍液體的電導(dǎo)率來得到液體高度。該方法的缺點(diǎn)是：①在管道截面上只能采集管中心處測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，不能全面反應(yīng)管道某一截面上的總體的持液率分布和氣液量變化特點(diǎn)；②本方案中由于要求測量的準(zhǔn)確度高，而且需要測量某一徑向的持液率變化規(guī)律，所以需要細(xì)小的探針貫穿整個管道，而在一定的流速沖擊下，管中的探針特別是管道中心處的探針很可能會被沖刷變形，因此必須使用張弛裝置緊固探針，但由于探針是被AB膠固定在管道上，所以張緊作用不一定能實(shí)現(xiàn)，故探針的變形對測量的精度影響不可忽略。

2 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

2.1 測量原理

電導(dǎo)探針的測量原理：在流體成分和溫度一定的情況下，導(dǎo)電流體的電導(dǎo)率是固定的，兩探針之間測量介質(zhì)的電導(dǎo)率隨溶液(鹽水)的質(zhì)量濃度的變化而變化，并且有確定的關(guān)系，如式(1)所示：

式中，G為電導(dǎo)，S；R為電阻，Ω；ρ為電阻率，Ω·m；A為導(dǎo)體有效面積，m2；l為導(dǎo)體有效長度， m；γ為電導(dǎo)率,S/m。探針的結(jié)構(gòu)如圖2所示。通電電極在流體中形成電場，電力線主要分布在兩級之間，導(dǎo)體有效面積A可以用浸入流體中的電極有效面積近似。電極間距離不變，故導(dǎo)體有效面積和導(dǎo)體長度不變。所以在鹽水質(zhì)量濃度一定時兩極之間的電導(dǎo)L為常數(shù)。而在不飽和的鹽水中其電導(dǎo)率γ與鹽水的質(zhì)量濃度C具有線性特征，即:

式中，C為鹽水的質(zhì)量濃度，kg/m3。

通過適當(dāng)方法測量某一位置的電導(dǎo)，并通過對探針進(jìn)行標(biāo)定，就可以得到測量溶液的質(zhì)量濃度。保持通電電極兩端的電壓不變，根據(jù)歐姆定律，流過電極的電流與兩極間的流體電導(dǎo)成正比，即:

2.2 測量探針的制作與裝置的結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中傳感器兩電極用直徑0.3 mm的鉑絲制作，兩極間距離為0.4 mm，為穩(wěn)固起見鉑絲插入12#注射器針頭(外徑1.26 mm，內(nèi)徑0.9 mm)通過環(huán)氧樹脂膠將鉑絲與注射器針頭進(jìn)行絕緣，將針頭外壁處理成絕緣，并留有電極針兩端互不絕緣，然后將多對電極針通過環(huán)氧樹脂膠固定在環(huán)形薄片上(內(nèi)徑26 mm，外徑46 mm，厚度10 mm)。

探針制作過程如圖2所示。具體制作步驟如下：

① 備好12#注射器針頭和直徑為0.3 mm的鉑絲，裁切注射器針頭和鉑絲至合適長度，平整切口。

② 向聚四氟乙烯套管(內(nèi)徑0.46 mm，外徑0.8 mm)插入鉑絲，一端留1 mm、另一端留5 mm露出管外。

③ 插入鉑絲的聚四氟乙烯套管插入準(zhǔn)備好的12#注射器針頭內(nèi)。

④ 先用熱縮管連接注射器和探針，再將注射器中混合好的環(huán)氧樹脂緩慢推入探針中，取下注射器待環(huán)氧樹脂固化即可。

圖2 電導(dǎo)探針的制作過程

Fig.2 Fabrication process of conductance probe

將按上述方法制作的電導(dǎo)探針固定在環(huán)形墊片上就可以測量管道橫截面上四個不同測點(diǎn)液體的瞬時電導(dǎo)值，該傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)管段的測試段的末端[6]。圖3是測量裝置的結(jié)構(gòu)圖。

2.3 探針輸出信號處理電路

探針的輸入信號來源于外部信號發(fā)生器，本實(shí)驗(yàn)信號是頻率為10 kHz，幅值為5 V的交變電壓信號，利用此信號作為載波信號，為了獲得溶液濃度與探針輸出的定量關(guān)系，需對探針輸出信號進(jìn)行解調(diào)，設(shè)計出探針輸出信號電子處理電路，如圖4所示。電路有四部分組成：(1)電流、電壓轉(zhuǎn)換；(2)全波整流；(3)二階低通濾波；(4)信號放大電路。最后得到反應(yīng)溶液質(zhì)量濃度的直流電壓信號。探針輸出信號經(jīng)過測量電路后利用A/D高速采集板進(jìn)行采集。

圖3 環(huán)形測量裝置結(jié)構(gòu)(單位：mm)

Fig.3 Schematic diagram of the ring measurement device structure

圖4 測量裝置探針輸出信號處理電路示意

Fig.4 Circuit schematic of probe of the testing device

2.4 具體實(shí)施方式

兩個裝置安裝在實(shí)驗(yàn)管道上，接上直流電源分別給探針和通訊轉(zhuǎn)換模塊提供24 V電源，采集到的電流信號輸出接入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊再通過數(shù)據(jù)線連接到計算機(jī)。該裝置在實(shí)驗(yàn)管道上的安裝實(shí)施方式如圖5所示。

該裝置將圖2所示制作的探針，依圖3的構(gòu)成圖制作成完整的裝置，然后通過焊接在試驗(yàn)管道上的兩個法蘭進(jìn)行固定，法蘭接觸面與檢測裝置接觸面之間用聚四氟乙烯墊片進(jìn)行密封。如圖5所示，前后兩個界面檢測裝置安裝在管道上，前面一個裝置檢測量程低，后面裝置檢測量程高，兩個裝置安裝在管道上配合使用以提高該裝置的檢測精度[6]。

圖5 檢測裝置在實(shí)驗(yàn)管道上的實(shí)施方式

Fig.5 The accomplish method of the interface detection device in the setup

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 探針的標(biāo)定

電導(dǎo)探針測量溶液質(zhì)量濃度的原理在于溶液電導(dǎo)與探針輸出信號存在一定的關(guān)系，但對于電導(dǎo)探針的理論還不成熟，因此在使用前必須進(jìn)行標(biāo)定，以獲得溶液質(zhì)量濃度與探針輸出信號的關(guān)系。

探針標(biāo)定方法：①配置好不同質(zhì)量濃度的鹽水，鹽水的配置方法為每次向一定容積的燒杯中加入一定量的食用鹽，每加一次鹽晶用波美計測量鹽水密度；②依如圖1所示方式制作好單根探針，將兩個探針用AB膠固定好，連接上信號線，連入數(shù)據(jù)采集器并把探針固定在紙板上使探針尖端浸入鹽水；③配置某一定質(zhì)量濃度的鹽水，測量其密度，打開數(shù)據(jù)采集器，測出在該鹽水質(zhì)量濃度下的電流輸出值；④拿開紙板向燒杯中加入一定量的實(shí)驗(yàn)固體顆粒，重復(fù)步驟；③測出多組數(shù)據(jù)；⑤分析處理結(jié)果，做出擬合結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定；⑥進(jìn)行上述步驟測出配置到某一定鹽水質(zhì)量濃度結(jié)束時的多組數(shù)據(jù)[7]。

3.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，表1為兩組鹽水溶液達(dá)到飽和和未達(dá)到飽和兩種情況下的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

其中，m0為清水的密度，1.007 g/mL；m1為最后一次測量的鹽水的密度，g/mL；mx為任意一次測量鹽水的密度，g/mL。

(1) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

① 實(shí)驗(yàn)組1，配置鹽水終點(diǎn)密度為1.260 g/mL。

② 實(shí)驗(yàn)組2，配置鹽水終點(diǎn)密度為1.334 g/mL。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table 1 Calibration results

續(xù)表1

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理圖

兩組不同鹽水密度時鹽水濃度與電流輸出的關(guān)系曲線如圖6、7所示。

圖6 配置鹽水密度達(dá)到1.260 g/mL時無量綱鹽水濃度與輸出電流值的關(guān)系

Fig.6 The correlation between solution density and exporting current at solution density=1.260 g/mL

3.3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6和圖7分別為配置鹽水密度為1.260 g/mL和達(dá)到飽和濃度1.334 g/mL時鹽水濃度與電流輸出的關(guān)系曲線。由圖6和圖7可知，鹽水的無量綱濃度(mx-m0)/(m1-m0)與數(shù)據(jù)采集器的輸出電流值呈線性關(guān)系，而由第二組數(shù)據(jù)可知當(dāng)配置鹽水達(dá)到飽和時鹽水無量綱濃度與電流輸出值偏離擬合的線性關(guān)系線，即取低濃度時的不完全數(shù)據(jù)要比完全數(shù)據(jù)擬合的線性度要好，其原因是因?yàn)辂}水達(dá)到飽和時鹽水的導(dǎo)電率與鹽水的濃度不成線性關(guān)系，另一個原因是使用的自來水的硬度過高影響實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果。

圖7 配置鹽水密度達(dá)到飽和1.334 g/mL時無量綱鹽水濃度與輸出電流值的關(guān)系

Fig.7 The correlation between solution density and exporting current at solution density=1.334 g/mL

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)基于電導(dǎo)探針測量氣液兩相流中持液率的原理，通過對電導(dǎo)探針的改進(jìn)，并對探針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，結(jié)果表明鹽水的無量綱濃度與輸出電流呈線性關(guān)系。因此，若將此裝置應(yīng)用于管道順序輸送時混油濃度的檢測中，則可以根據(jù)輸出電流的強(qiáng)度來檢測混油的濃度。

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(編輯 王亞新)

An Interface Detection Device for Mixed Oil Based on Conductivity

He Guoxi, Liang Yongtu, Li Yansong, Fang Limin, Lin Mohan, Nie Siming

(BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasTransportationTechnology，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102200，China)

In order to measure the concentration of mixed oil transported in pipeline more precisely, the conductivity probe is modified and applied to determin concentration of mix oil in the pipeline based on the principle of the conductance measurement of gas-liquid two-phase flow's liquid holdup. The experimental apparatus can be used to calibrate the probe by measuring the different concentration of brine to obtain the corresponding output signal. The calibrated experimental apparatus can easily measure the concentration of mixed oil at different times and different positions of the pipeline cross section.

Order delivery； Conductivity probe； Mix oil； Measurement； Concentration； Calibration

1006-396X(2017)03-0061-05

2016-12-09

2016-12-22

國家自然科學(xué)基金項目(51474228)；北京市科學(xué)研究與研究生培養(yǎng)共建項目(ZX20150440)。

何國璽(1989-)，男，博士研究生，從事長輸油氣管道與油氣田集輸相關(guān)技術(shù)研究；E-mail：heguoxicup@163.com。

梁永圖(1971-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事長輸油氣管道與油氣田集輸相關(guān)技術(shù)研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.03.011

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn