射频导纳物位检测技术是当前精度较高、原理较为先进的物位仪,能够对许多应用场合对容器内介质进行物位或界位测量,与传统电容式物位仪相比有着很大的技术优势。随着我国综合国力的不断提升,石油石化工业取得了长足的进步,物位仪是油气田地面工程建设过程中必不可少的重要仪器设备,在测量物位、液位等方面发挥着重要作用。

 

1 物位计及界位仪表

射频导纳物位仪是一种从电容式发展起来的,具有防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的新型物位控制技术,是电容式物位技术的升级。下面就该种物位仪的原理展开分析和研究,并对其应用情况加以探讨。

 

2 电容式物位仪工作原理

电容式物位计是在一个容器中建立起一个电容, 将该电容的一极设置为浸没在某容器中的杆状探头,电容的另外一极则设置为一个接地的金属板(该金属板通常为容器壁),再设以空气为介质的电容为C1,设以被测物料为介质的电容为C2,可以计算出电极间的电容值为:C=C1+C2。如果我们设被测介质为导体,那么就必须在探头上加一层绝缘层,再设被测物料上部以绝缘层为介质的电容为C1a,以空气为介质的电容为C1b,被测物料部分以绝缘层为介质的电容为C2a,则电极间的电容为:C=(C1a·C1b)/(C1a+C1b)+C2a。经推导可得两电极间的电容C与被测物位高度h的关系为:C=C0 +k·h。式中C0和k是与介电常数、容器结构有关的常数。当物位变化时,被测介质对探头的浸没高度h发生变化,从而使电容C发生变化,通过测量电容C得到物位高度h(即为物位仪测量目标值)。

3 射频导纳物位仪工作原理

3.1 射频导纳技术简介

射频导纳液位计是一种从电容式发展起来的防挂料更可靠、更准确、使用性更广的液位测量技术,与电容式物位仪相比精度更高、易用性更好。射频就是高频无线电波谱,导纳为阻抗的倒数,它是电阻性成分、电容性成分、电感性成分综合而成。射频导纳物位计通用性是非常高的,其支持HART协议的智能式物位变送器更显示出卓越的性能:(1)较高的准确度;(2)永久保存数据,不怕断电丢失;(3)可以进行容器参考标定;(4)物位的任意两点标定;(5)多过程量输出;(6)可以进行非线形校正。

 

3.2 射频导纳液位计工作原理

由于电容式物位仪挂料的横截面积较小,挂料的等效电阻较大,挂料的等效电路如图1所示,挂料可以看做由许多微小的电阻和电容组成。从数学上可以证明,只要粘附层足够长,粘附层的电阻和电容具有相同的阻抗, 这就是射频导纳定理。将测量电极上带有粘附层的容器的外壁接地, 在测量电极和地之间加一高频激励信号,由挂料的等效电路可知,在测量电极和地之间没有直流通路,因此,

可以得挂料电极的等效电路。设:U为频率为ω的激励电压;Iw为流过被测实际物位电容的电流;Ig为流过粘附层的电流,I为总的电流。I=Iw+Ig。

Cw为实际的物位电容,Cg和Rg分别为挂料电容和挂料电阻,

 

当粘附层无限长时,由射频导纳定理可知,Cg与Rg的阻抗相等,即Rg=1/ω·Cg。设:U的相位为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。设Iw的相位为0,如果在π/4处对I进行测量,则此刻粘附层电流I g的幅值为零,这样测得的电流中只包含Iw,而Iw与实际物位电容Cw之间存在线形关系,因此,在ω·t =π/4+2kπ(k=1,2,…n)时对电流I 进行测量,可以得到实际的物位值,这就是射频导纳物位仪表的工作原理。

 

4 射频导纳液位计测量系统设计原理

4.1 系统设计

系统框图如2所示,整个测量仪系统由标准正弦信号发生器、物位传感器、带通滤波器、变压器电桥测量、电容驱动电路、同步信号、微机系统、键盘电路、采样保持电路、报警电路、显示电路等11个部分组成。其中,标准正弦信号发生电路稳定发出频率为100kHz的射频信号, 但是含有其他频率的干扰信号,所以信号须经带通滤波电路,将干扰信号过滤掉,从而获得稳定的、近似纯净的100kHz射频信号。电容驱动电路的作用主要是用于提高物位测量范围值,使整个系统的性能更为优越。

 

变压器电桥测量电路的作用是将物位信号转化系统可以识别的电压信号,电压信号经过处理变为两路,其中一路包含物位信息、挂料信息,另外一路提供采样时刻的同步信号。如此,同步信号经过系统处理,可以给出准确的采样时刻,并在相应时刻对具体测量信号进行采样,这样就得到准确的物位信息,消除电极挂料误差。系统检测得到的物位信号经低通滤波电路处理,消除所有干扰,信号进入微处理系统,进行AD模数转换,数据计算,得出实际物位数据,再将实际物位数据与设定数据值进行对比,得出物位值。另外,如果对比之超过报警界限,系统发出报警信号。键盘电路的作用是方便用户通过键盘输入相关命令信号,可对系统实现校零、标定等操作。

 

4.1.1 射频信号电路设计

本项目中的射频信号是方波信号经过带通滤波处理获取,该电路由三个电路组成:方波发生电路、带通滤波电路、驱动电路,如图3所示。

 

先由方波发生电路发出方波信号,方波信号经过带通滤波电路得到正弦信号电路,最后由驱动电路将正弦信号电路处理得到符合要求的信号。高频信号是作为被测物的容性负载存在,所以激励信号频率要始终,以免出现阻抗很大(频率低的时候,阻抗大)或者容抗很大(频率过高的情况下容抗会很大)的情况。本物位仪采取100KHz为正弦激励信号的频率。

 

4.1.2 微处理系统硬件设计

微处理系统是硬件电路的核心部分,关系到整个仪表系统的性能、处理速度以及抗干扰能力等方面。微处理系统芯片的选型十分关键:寻址方式、功耗大小、执行速度、抗干扰能力、开发环境、指令结构等方面都是需要考量的问题。

 

4.2 系统软件设计

系统软件要充分考虑到各个模块之间的独立性,这样才有利于各子程序的编写和调试。所以在物位仪软件上,充分考虑了后期的测试工作,够保证系统的稳定性、灵活性。本项目中界位仪的整个软件系统由主程序、初始化、数据采集、数据处理、按键显示、数模输出、通信等几个部分组成。

 

4.2.1 主程序设计

主程序主要是完成各个变量(主要是全局变量)的定义、初始化,设置特殊功能寄存器,开启特殊中断,规定整个程序系统的执行顺序,协调各个功能模块。

 

4.2.2 信号采集程序设计

信号采集程序是负责整个系统的数据采集。模数采样控制、采样通道散转控制是信号采集程序最重要的两个方面,如图4所示。采集通道切换先打开,激励电压实部、激励电压虚部、响应电压实部、响应电压虚部等四个软件模块同时打开,A/D采样模块开始工作,然后对采样次数进行判断(若采样次数不为5就继续采样,若采样次数为5就将采样次数重新致0,然后将通道次数加1),然后继续判断通道采样次数(若通道采样的采样次数为4,则采样通道致0,若不

为4则重新开始)。

 

4.2.3 数字滤波程序

滤波是自控领域对测量信号进行处理的最常见方法,可以通过数字滤波也可以通过硬件滤波来实现。硬件滤波方式较为固定,成本比较高,且对于微处理系统来说,占用空间较大、存储容量要求较高,所以可行性较低。故而,一般来说,很多自动化系统都采用数字滤波和硬件滤波组合的方式来实现。本项目的物位仪采用了占优滤波方式。

 

5 射频导纳式物位仪测量油水界面在某项目上的应用

5.1 油田项目油水界面测量

射频导纳式物位仪测量油水界面在油田项目上应用广泛,本文以某油田地面工程三相分离器的实际应用为例。这是物位仪表在物位测量的典型应用模型。原油三相分离器,是实现油、气、水三相分离的设备。

 

原油三相分离器包括预分离区、分离区、沉降室、油室和气室。原油在分离器入口处的预分离筒进行气液初步分离,分离后的气体上升到气相空间,然后经过分离器内的两级聚结整流填料后,气体中携带的较小的液滴由于碰撞聚集作用变大,在重力作用下沉降到液相空间,粒径大于10μm 的液滴被后部气相空间的叶片式捕雾器捕捉,气体从气相出口流出。从入口预分离筒分离出的油水混合物下降至分离器底部。在重力作用下,油水混合物分层。分离出的原油翻过堰板进入油室,在油室停留一段时间后,低含水原油从油出口流出。油室液位由安装在油室上的液位控制装置进行控制。分离出的水从水出口流出,油水界位和水出口流量由安装在分离室上的油水界面控制装置进行控制。

 

5.2 射频导纳式物位仪测量油水界面

本文项目中为保证射频导纳界位变送器精确测量,需要对射频导纳界位变送器进行正确校准标定。由于项目中与射频导纳界位仪一起工作的还有磁翻板式界位计LG02,所以在校准射频导纳界位计之前,先把磁翻板式液位计LG02测试完毕并投入正常运行。然后再进行射频导纳界位变送器的校准,这样可以使用磁翻板式界位计LG02辅助校验射频导纳界位变送器,使之更加准确。

 

在实际应用过程,射频导纳液位计克服原油粘度过高的问题,与气动液位调节阀联动,准确控制了油水界面高度。工艺要求油水界位正常范围在0.2米到0.6米之间,油水界位控制目标是0.4米。经过多次测试,根据实际液位与目标值偏移量,当调节阀的PID参数为当P=80%,I=20s时,能够使液位控制在±0.06米,满足项目工艺生产要求(如图5)。

 

6 结语

射频导纳式物位仪与传统电容式物位仪相比有很大的优越性,精度高、物位两点标定、非线性校正、数据永久保存、多过程量输出等优点,在很多行业领域得到了广泛的应用。本文分析了电容式物位仪及射频导纳式物位仪工作原理,某油田地面工程测量油水界面的工程实际应用,在该项目中,所使用的三相分离器是射频导纳式物位仪在石油工业中很典型的使用模型,文章详细分析了三相分离器的工作环境、工作原理,及物位仪设计选取、最终实现了一种基于射频导纳式的油水面物位仪在项目上的成功应用,并测量出油水界面值,且测量值符合行业工艺要求。