一種基于CAV424的電容含水率測量系統(tǒng)設計*

馬舜祺,劉興斌,,榮遠宏,侯昱東,王延軍,付長鳳,韓連福

(1.東北石油大學電子科學學院 黑龍江 大慶 163000；2.大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務分公司 黑龍江 大慶 163000；3.大慶油田有限責任公司井下作業(yè)分公司 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

在石油開采、生產(chǎn)過程中，原油含水率是一項重要的指標。測量含水率能為原油的開采提供重要的信息，確保生產(chǎn)處于最佳的狀態(tài)，從而提高開發(fā)效率。傳統(tǒng)的測量方法對原油人工采樣，采樣后通過蒸餾法、化學試劑法、離心法、電脫法等方式進行處理，其采樣的時間間隔長、采樣量小，以至于其采樣不具有代表性；且離線人工法人、物資源的投資較大，難以滿足油田現(xiàn)代化系統(tǒng)的需求。目前常用的在線含水率測量方法有密度法、微波法、射線法、超聲波法、電磁波法、電容法等[1-2]。電容法測量含水率是目前最常用的一種含水率測量方法。電容法是利用電容兩極板間的油水混合液的平均介電常數(shù)與油水混合液的含水率有關(guān)的原理實現(xiàn)原油含水率的測量，其相較于其他幾種方法具有：環(huán)境適應范圍廣、靈敏度高、熱穩(wěn)定性好、對環(huán)境影響小、電路簡單、易操作、成本低等優(yōu)點[3-4]。

本文研制了一種基于CAV424的原油含水率測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用帶屏蔽環(huán)的同軸圓柱電容傳感器，并利用CAV424集成芯片將電容傳感器產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。由FPGA處理器完成控制高速16位A/D轉(zhuǎn)換器采集電壓信號、數(shù)據(jù)運算、含水率顯示、計算機通訊的工作。

1 電容傳感器結(jié)構(gòu)及測量原理

同軸電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，當同軸電容傳感器電極裸露時，被測得原油直接接觸兩級，隨著含水率的增加，導電的影響不定，有時大，有時小，使傳感器不能正常工作，因此在電極表面添加了絕緣層。由于電容式傳感器的初始電容量很小，一般在皮法級，而連接傳感器與電子線路的引電纜電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與周圍導體構(gòu)成的電容所形成的寄生電容缺很大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容是隨機變化的，使得儀器工作很不穩(wěn)定，從而影響測量精度，甚至傳感器無法正常工作。傳感器內(nèi)外絕緣壁之間由電極構(gòu)成，內(nèi)外電極貼附在絕緣層上，并且電極上下有相應的絕緣環(huán)以便將寄生電容的影響降至最低。通過測量兩個內(nèi)圓柱形電極之間的介電常數(shù)，從而通過計算得到含水率。r1為內(nèi)導體外徑，r2為絕緣層外徑，r3內(nèi)圓柱形電極外徑，r4外圓柱形電極內(nèi)徑，mm，L是內(nèi)外極板的長度[5],cm。

圖1 同軸電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

油水混合物的相對介電常數(shù)εmix的計算公式包括：并聯(lián)公式、串聯(lián)公式、對數(shù)公式、H-B公式、雷列伊公式、串并聯(lián)公式等[6]，應用不同的計算公式時，油水混合液的相對介電常數(shù)相差較大。其中串并聯(lián)公式不受含水率的大小和油水混合狀態(tài)的影響，與測量值最為接近，故采用串并聯(lián)的方式進行油水混合液相對介電常數(shù)的計算。

油水混合介質(zhì)中，對于極性水分子而言錯綜復雜的分界面相對于極化場既有串聯(lián)又有并聯(lián)，可采用并聯(lián)系數(shù)k描述混合極性狀態(tài)，且k與原油含水率相關(guān)，即k與原油中水量所占原油總數(shù)中的百分比存在線性關(guān)系，可表示為：

(1)

根據(jù)式(1)可知，當內(nèi)外電極間距R、內(nèi)外圓柱電極程度L保持不變時，當兩極板中具有不同的介質(zhì)時(即油水混合物的體積混合比不同時)，其相對介電常數(shù)ε1不同，電容傳感器的電容量也會有所不同。

ε1是油水混合液的相對介電常數(shù)；ε2絕緣的相對介電常數(shù)；ε0真空的相對介電常數(shù)。根據(jù)電容計算公式，同軸圓柱形電容傳感器電容如式(2)：

(2)

得出原油的含水率與電容傳感器的電容值成一定的函數(shù)關(guān)系，即式(3)[7,8]：

(3)

由上可得當電容傳感器的內(nèi)外電極半徑R、r,內(nèi)外電極的長度L，油、水和絕緣層的相對介電常數(shù)一定時，由于水的相對介電常數(shù)(80)遠遠大于油的相對介電常數(shù)(2左右)，通過測量電容傳感器的電容值計算出混合溶液的介電常數(shù)從而計算出含水率，這就是電容法測量含水率的原理。通過公式模擬得出，電容相對值與含水率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 含水率與電容關(guān)系示意圖

其中橫坐標為含水率，縱坐標為電容相對值，可以看出，電容值與含水率成曲線線性關(guān)系，則可以采用電容法測量原油的含水率，更能準確的描繪油水混合模型。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

本測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，將同軸電容傳感器與CAV424新型集成芯片相接，將其采樣到的電容信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。通過信號調(diào)理電路對電壓信號進行處理，然后經(jīng)過16位的AD7705芯片進行高速高精度A/D轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)換為FPGA可識別的數(shù)字信號。

圖3 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

FPGA通過采樣到的數(shù)字信號分析采集油水混合物的電容大小，得出油水混合物的含水率，并將其通過液晶屏顯示。由于傳統(tǒng)的電容測量電路抗干擾能力差、測量范圍小、電路復雜，本系統(tǒng)采用CAV424集成芯片實現(xiàn)電容傳感器的信號采集。CAV424是一個多用途的處理各種電容式傳感器信號的完整轉(zhuǎn)換接口集成電路，它同時具有信號采集(相對電容量變化)、處理和差分電壓輸出的功能[9]。CAV424集成芯片應用電路如圖4所示。

圖4 FPGA控制圖

其中，一個通過電容COSC頻率可調(diào)的參考振蕩器驅(qū)動兩個積分器并使他們在時間和相位上同步。兩個被控制的積分器的振幅分別由電容CX1和CX2來決定，這里CX1作參考電容，CX2作為測量電容。由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以兩個振幅的差值所提供的信號就反應出兩個電容CX1和CX2的差值。這個電壓差值通過后面的有源濾波器濾波為直流電源信號，然后送到可調(diào)的放大器，調(diào)整RL1和RL2的值，可得到所需要的輸出電壓值[10]。CAV424可以檢測相對于參考電容5%～100%范圍的電容值。比如CX1作為參考電容取值范圍在10 pf～1nF,那么相應的被測電容CX2的值在10pF+Δ(0.5～10)pF和1nF+Δ(0.05～1)nF之間，大大增加了測量范圍。采取EMV抗干擾措施是在外接電容CM和CR中串聯(lián)了電阻Remvm和Remvr。此電阻與寄生電容以及集成電路內(nèi)部的電容一起形成低通濾波器，抑制了高頻干擾信號，因此具有一定的抗干擾性。CAV424芯片4角和5角之間的差分信號作為電容轉(zhuǎn)換后的電壓信號OUT送入AD轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，系統(tǒng)使用16位的AD7705芯片進行高速高精度A/D轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)換為FPGA可識別的數(shù)字信號,再利用刻度圖版，得到原油含水率值。由于水的實際介電常數(shù)隨溫度的變化而變化，CAV424集成了一個內(nèi)部溫度傳感器，它可以直接向FPGA處理器提供溫度信號，用于溫度補償，節(jié)省部件，簡化電路[11-12]。由于在電容傳感器中增加了屏蔽環(huán)，大大減少了寄生電容對電路的影響，而CA424測量的電壓波動直接通過FPGA控制的AD7705芯片轉(zhuǎn)換成可直接觀察的電容值，這樣節(jié)約了大量轉(zhuǎn)換步驟，也發(fā)揮了FPGA高速處理的優(yōu)點。

2.2 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件部分由CAV424和Verilog的編寫構(gòu)成。CAV424測得的電壓差值通過FPGA控制傳輸?shù)紸D7705的SPI時鐘16分頻之后給串轉(zhuǎn)并的輸出控制。通過FPGA的開發(fā)工具QuartusⅡ編寫代碼調(diào)用16位移位寄存器，待16位數(shù)據(jù)都接受到后一次輸出給內(nèi)部處理，提供給AD7705[13-14]。

判斷AD7705的DATA READY引腳DRDY，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，依次將數(shù)據(jù)讀入，并移位，讀入十六位轉(zhuǎn)換值之后，并行輸出一次。圖5為FPGA控制AD7705工作狀態(tài)流程圖。通過依次向AD發(fā)送0x20(寫入通信寄存器，設置為寫時鐘寄存器),0x0c(MCLKIN引腳處的時鐘頻率在被AD7705使用前，進行二分頻，20 Hz輸出更新率，即每50ms輸出一個新字),0x10(寫入通信寄存器，設置為寫寄存器),0x44(自校準，增益為1，單極性模擬輸出，片內(nèi)緩沖器短路，F(xiàn)SYNC清0),0x38(通信寄存器中，設置為讀數(shù)寄存器)指令，進而判斷中斷引腳是否為低電平，如果為低，則進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，圖為雙通道AD轉(zhuǎn)換模式，左右相反，同時進行AD雙通道轉(zhuǎn)換，進而通過FPGA控制將結(jié)果顯示在液晶屏上。

圖5 AD7705狀態(tài)圖

3 實驗結(jié)果分析

外部條件溫度為36.5 ℃，壓強為0.05 MPa,流速為2.0 m/s的條件下，使用檢測系統(tǒng)測得各種情況下原油的含水率見表1。

表1 實驗結(jié)果 %

從表1數(shù)據(jù)可知，實際的含水率在0到40%范圍內(nèi)與該系統(tǒng)檢測的含水率相對誤差最大為1.92%，表明該系統(tǒng)的測量的相對誤差為2%，符合實際測量的要求。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)采用帶屏蔽環(huán)的同軸圓柱電容傳感器，且利用CAV424集成芯片將電容傳感器產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。由FPGA處理器完成控制高速16位A/D轉(zhuǎn)換器采集電壓信號、數(shù)據(jù)運算、含水率顯示、計算機通訊的工作。實驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)的相對誤差為2%。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、處理速度快、抗干擾性強、測量范圍廣、計算精度高的優(yōu)點。