智能型罐體內(nèi)液體計(jì)量顯示器設(shè)計(jì)

徐向前，李 蕾，李 茂，張 濤，王兆雷

（1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.長慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710201；3.長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710299）

油氣田撬裝設(shè)備在油田建設(shè)中已經(jīng)起到了很大的作用，越來越多的油田采油設(shè)備進(jìn)行了撬裝化設(shè)計(jì)和應(yīng)用，比如原油接轉(zhuǎn)撬是油田原油集輸?shù)闹饕惑w化集成裝置，具有過濾、加熱、緩沖、分離、增壓和計(jì)量等功能。目前，這些撬裝上的罐體都安裝有液位儀，能夠?qū)崟r(shí)動態(tài)顯示罐體內(nèi)液體的液面高度。但是對于罐體內(nèi)的液體體積及油液比，需要專業(yè)人員采用專用儀器進(jìn)行測量才能得知，不具有直觀、實(shí)時(shí)、動態(tài)顯示的特點(diǎn)。

當(dāng)前常見的原油含水率測量技術(shù)和方法主要有離線人工測量和在線檢測2 種。其中離線人工測量包括蒸餾法、電脫法、卡爾-費(fèi)休法等，在線檢測法包括電導(dǎo)法、電容法、射線衰減法、微波透射法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、射頻法等。離線人工測量耗時(shí)較長，測量過程中可能有有害物質(zhì)產(chǎn)生，但是結(jié)果較為準(zhǔn)確。在線檢測因?yàn)闄z測原理方法不同，設(shè)計(jì)的檢測儀器結(jié)構(gòu)也不相同，檢測過程具有較大區(qū)別。通過文獻(xiàn)檢索沒有發(fā)現(xiàn)能夠直接應(yīng)用于油田撬裝的罐體體內(nèi)油液比例顯示的儀器?；诖诉M(jìn)行了智能型罐體內(nèi)液體體積計(jì)量顯示設(shè)計(jì)。根據(jù)罐體的幾何尺寸計(jì)算罐體體積，利用液面高度數(shù)據(jù)計(jì)算液體體積，再將油水體積比引入，即可計(jì)算出罐體內(nèi)油和水的體積，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，完成了罐體內(nèi)油水體積的直觀顯示。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 油水比的實(shí)時(shí)檢測

采用電容法進(jìn)行油水比的實(shí)時(shí)檢測。在撬裝罐體的液體入口處安裝一段管道，其中電容的陽極和陰極分別設(shè)置在管道中心和管道內(nèi)壁上，這樣構(gòu)成了一個(gè)圓筒電容器，油水介質(zhì)流過時(shí)油水比的變化會改變電容的容值。

電容傳感器的容值計(jì)算公式如下：

式（1）中：為電容值；為介電常數(shù)；為陽極長度；為電容傳感器的內(nèi)徑，電容傳感器的內(nèi)徑即為電容傳感器的陰極直徑，也就是管道的內(nèi)徑；為電容傳感器的陽極直徑。

分析式（1）可知，陽極長度和直徑以及陰極長度和直徑為具體的幾何參數(shù)，能夠引起電容容值變化的只有介電常數(shù)。因此可以通過測量電容的容值，計(jì)算出溶液的介電常數(shù)。溶液介電常數(shù)又與油水比有著密切的關(guān)系，20 ℃時(shí)不同含水率油水混合液的相對介電常數(shù)如表1 所示。

表1 20 ℃時(shí)不同含水率油水混合液的相對介電常數(shù)表

分析表1 中的數(shù)據(jù)可知，隨著含水率增加，介電常數(shù)也隨之增加。利用表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行介電常數(shù)與油水比的擬合，得到如下表達(dá)式：

式（2）中：為油水比。

將式（2）代入式（1）得：

分析（3）式可知，測量電容的容值，可以計(jì)算得到油水比。但是在測量過程中，電容的容值不易測量。因此，引入了C/V 轉(zhuǎn)換電路對電容容值進(jìn)行測量，如圖1 所示。

圖1 C/V 轉(zhuǎn)換電路

由圖1 可知，輸入輸出信號間滿足式（4）的計(jì)算關(guān)系。

式（4）中：（）為輸出電壓信號；為輸入信號頻率；為反饋電阻；為檢測電容；為反饋電容；（）為正弦輸入信號。

如果＞＞1，則式（4）可以寫成如下形式：

分析式（5）可得到檢測電容的容值。將式（5）代入式（3），得出油水比的計(jì)算公式：

1.2 罐體體積計(jì)算

每個(gè)撬上的罐體結(jié)構(gòu)都不同，但是大部分結(jié)構(gòu)相似，因此本文以原油接轉(zhuǎn)撬為例進(jìn)行罐體體積計(jì)算。原油接轉(zhuǎn)撬的罐體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖2 中給出的符號的尺寸都是罐體內(nèi)的測量值，計(jì)算過程中不考慮溫度、壓力變化等原因而引起儲油罐的體積變化。

圖2 罐體體積計(jì)算簡圖

罐體的主體為圓柱體，罐體的兩端為球缺，為罐體的圓柱體的底面半徑；1 為球缺對應(yīng)的半徑；為圓柱體的長；為球缺的高，當(dāng)油液的高度為時(shí)，（）為總的儲油罐的油液的體積，（）的計(jì)算過程如下。

圓柱體內(nèi)的油液體積（）隨油液的高度的變化關(guān)系為：

罐體的一端球缺內(nèi)的油液體積（）隨油液的高度的變化關(guān)系為：

總的罐體內(nèi)的油液體積隨油液的高度的變化關(guān)系為：

分別給幾何尺寸、、1 賦初值，再實(shí)時(shí)引入油液的高度，可以計(jì)算出罐體的液體總體積。

2 油水體積比顯示電路設(shè)計(jì)

依據(jù)上述原理進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，顯示實(shí)時(shí)油水比數(shù)據(jù)。為了方便參數(shù)輸入和計(jì)算速度較快，進(jìn)行了主控芯片的選型。為了將油水比讀入主控芯片中，進(jìn)行了模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。根據(jù)液位計(jì)的液位高度數(shù)據(jù)輸出形式，將液位數(shù)據(jù)讀入主控芯片。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示的要求，將數(shù)據(jù)顯示器件的選擇和接口設(shè)計(jì)。將各個(gè)功能電路部分進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，完成了油水體積比顯示電路設(shè)計(jì)。

2.1 基于ESP8266 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

撬裝設(shè)備上的罐體結(jié)構(gòu)相似，但是具體尺寸相差很大。為了增加設(shè)備的智能性和通用性，選用能夠現(xiàn)場輸入或者調(diào)整相關(guān)參數(shù)的芯片最為合適。因此ESP8266 芯片被選中，作為主控芯片使用。ESP8266具有低功耗、小尺寸的UART-WⅠFⅠ的芯片，同時(shí)有32 位處理器和片內(nèi)SRAM，能夠處理和存儲較多數(shù)據(jù)。ESP8266 模組有16 個(gè)引腳，需要進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)才能正常運(yùn)行。ESP8266 應(yīng)用系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 ESP8266 應(yīng)用系統(tǒng)

為了方便調(diào)試設(shè)計(jì)了復(fù)位電路，工作模式和程序下載模式選擇電路。其中復(fù)位信號RST 通過按鍵進(jìn)行接地完成復(fù)位；使能管腳EN 置位高電平完成芯片使能；ESP8266 的工作模式和程序下載模式由ⅠO0 決定，為高電位工作模式、低電位程序下載模式。將ⅠO2 和ⅠO14 配置為ⅠⅠC 通信引腳，用于數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)的基于ESP8266 應(yīng)用系統(tǒng)可以完成系統(tǒng)的復(fù)位、程序下載、模擬量采集、數(shù)據(jù)傳輸和顯示等功能。

2.2 液位儀液位數(shù)據(jù)的讀入電路

目前油氣田撬裝設(shè)備中大型罐體上都裝有液位傳感器，因此在充分利用現(xiàn)有傳感器的基礎(chǔ)上完成液位數(shù)據(jù)的ESP8266 讀入。油田常用的液位傳感器通常能夠提供4～20 mA 的電流信號。在此設(shè)計(jì)中，充分利用該電流信號進(jìn)行液位數(shù)據(jù)讀入，同時(shí)不影響現(xiàn)有控制或監(jiān)測系統(tǒng)信號的使用。

采用信號隔離器將現(xiàn)在使用的4～20 mA 電流信號轉(zhuǎn)換成2 路相同的液位信號，一路供原先罐體上的控制或監(jiān)測系統(tǒng)使用，一路供智能型罐體液體體積計(jì)量顯示器使用，液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示。

圖4 液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路

圖4中信號隔離器輸出的仍然是4～20 mA電流信號，讀入ESP8266 時(shí)可以使用ADC 引腳進(jìn)行模擬量讀入，但是需要與檢測油水比的（）分時(shí)復(fù)用。油氣撬裝上大型罐體的液位傳感器通常安裝2～3個(gè)不同類型的液位傳感器，如果采用分時(shí)復(fù)用的方法，會出現(xiàn)電路較為復(fù)雜的情況。為了簡化電路，同時(shí)增加智能性和通用型，采用數(shù)字信號讀入ESP8266。也就是將信號隔離器輸出的液位傳感器的液位4～20 mA 電流信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號接入ESP8266。智能型罐體體積計(jì)量顯示器系統(tǒng)能夠清晰區(qū)分罐體上液位傳感器數(shù)據(jù)來源，有利于分析判斷數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)顯示接口設(shè)計(jì)

根據(jù)液位數(shù)據(jù)計(jì)算罐體內(nèi)液體體積，顯示計(jì)算后的液體體積數(shù)據(jù)需要設(shè)計(jì)顯示接口。依據(jù)設(shè)計(jì)的ESP8266 應(yīng)用系統(tǒng)選用ⅠⅠC 顯示器。優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)線數(shù)量較少，只有電源VCC、GND、SCL、SDA 這4 根，接口設(shè)計(jì)簡單。ESP8266 的 ⅠO2 和 ⅠO14 引腳已經(jīng)配置為ⅠⅠC 通信引腳，設(shè)計(jì)的ⅠⅠC 數(shù)顯顯示接口電路如圖5所示。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示接口設(shè)計(jì)，選用OLED 顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。OLED 顯示器固態(tài)顯示、溫度適應(yīng)范圍大、響應(yīng)速度快、功耗較低，適合作為儀器儀表數(shù)據(jù)顯示使用。選用的ⅠⅠC 數(shù)據(jù)顯示器作為從機(jī)使用SDA和SCL 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 數(shù)據(jù)顯示接口

3 結(jié)語

采用ESP8266 芯片進(jìn)行了油氣田撬裝中罐體內(nèi)油水體積實(shí)時(shí)動態(tài)顯示設(shè)計(jì)。其中ESP8266 應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有模擬量采樣、數(shù)據(jù)顯示及復(fù)位和程序下載電路。采用電容法設(shè)計(jì)了罐體入口處的油水比檢測傳感器，采用C/V 轉(zhuǎn)換電路將電容值變化變換成電壓量，以便于ESP8266 系統(tǒng)進(jìn)行模擬量采集。根據(jù)罐體的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)以及液位傳感器數(shù)據(jù)，采用ESP8266 系統(tǒng)計(jì)算了罐體內(nèi)油和水的體積。采用ⅠⅠC 總線方式設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)顯示接口，實(shí)時(shí)顯示液體體積數(shù)據(jù)。同時(shí)ESP8266的Wi-Fi 功能為后期傳感器數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用和邏輯分析提供了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠A(chǔ)。設(shè)計(jì)的智能型罐體內(nèi)液體體積計(jì)量顯示器，從理論上分析能夠直觀、實(shí)時(shí)、動態(tài)顯示液體體積數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場人員及時(shí)掌握罐體內(nèi)情況。