智能型罐体内液体计量显示器设计

徐向前，李 蕾，李 茂，张 涛，王兆雷

（1.西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.长庆油田分公司机械制造总厂，陕西 西安 710201；3.长庆油田分公司第五采油厂，陕西 西安 710299）

油气田撬装设备在油田建设中已经起到了很大的作用，越来越多的油田采油设备进行了撬装化设计和应用，比如原油接转撬是油田原油集输的主要一体化集成装置，具有过滤、加热、缓冲、分离、增压和计量等功能。目前，这些撬装上的罐体都安装有液位仪，能够实时动态显示罐体内液体的液面高度。但是对于罐体内的液体体积及油液比，需要专业人员采用专用仪器进行测量才能得知，不具有直观、实时、动态显示的特点。

当前常见的原油含水率测量技术和方法主要有离线人工测量和在线检测2 种。其中离线人工测量包括蒸馏法、电脱法、卡尔-费休法等，在线检测法包括电导法、电容法、射线衰减法、微波透射法、神经网络模型、射频法等。离线人工测量耗时较长，测量过程中可能有有害物质产生，但是结果较为准确。在线检测因为检测原理方法不同，设计的检测仪器结构也不相同，检测过程具有较大区别。通过文献检索没有发现能够直接应用于油田撬装的罐体体内油液比例显示的仪器。基于此进行了智能型罐体内液体体积计量显示设计。根据罐体的几何尺寸计算罐体体积，利用液面高度数据计算液体体积，再将油水体积比引入，即可计算出罐体内油和水的体积，将计算结果进行实时数据显示，完成了罐体内油水体积的直观显示。

1 设计原理

1.1 油水比的实时检测

采用电容法进行油水比的实时检测。在撬装罐体的液体入口处安装一段管道，其中电容的阳极和阴极分别设置在管道中心和管道内壁上，这样构成了一个圆筒电容器，油水介质流过时油水比的变化会改变电容的容值。

电容传感器的容值计算公式如下：

式（1）中：为电容值；为介电常数；为阳极长度；为电容传感器的内径，电容传感器的内径即为电容传感器的阴极直径，也就是管道的内径；为电容传感器的阳极直径。

分析式（1）可知，阳极长度和直径以及阴极长度和直径为具体的几何参数，能够引起电容容值变化的只有介电常数。因此可以通过测量电容的容值，计算出溶液的介电常数。溶液介电常数又与油水比有着密切的关系，20 ℃时不同含水率油水混合液的相对介电常数如表1 所示。

表1 20 ℃时不同含水率油水混合液的相对介电常数表

分析表1 中的数据可知，随着含水率增加，介电常数也随之增加。利用表1 中的数据进行介电常数与油水比的拟合，得到如下表达式：

式（2）中：为油水比。

将式（2）代入式（1）得：

分析（3）式可知，测量电容的容值，可以计算得到油水比。但是在测量过程中，电容的容值不易测量。因此，引入了C/V 转换电路对电容容值进行测量，如图1 所示。

图1 C/V 转换电路

由图1 可知，输入输出信号间满足式（4）的计算关系。

式（4）中：（）为输出电压信号；为输入信号频率；为反馈电阻；为检测电容；为反馈电容；（）为正弦输入信号。

如果＞＞1，则式（4）可以写成如下形式：

分析式（5）可得到检测电容的容值。将式（5）代入式（3），得出油水比的计算公式：

1.2 罐体体积计算

每个撬上的罐体结构都不同，但是大部分结构相似，因此本文以原油接转撬为例进行罐体体积计算。原油接转撬的罐体结构如图2 所示。图2 中给出的符号的尺寸都是罐体内的测量值，计算过程中不考虑温度、压力变化等原因而引起储油罐的体积变化。

图2 罐体体积计算简图

罐体的主体为圆柱体，罐体的两端为球缺，为罐体的圆柱体的底面半径；1 为球缺对应的半径；为圆柱体的长；为球缺的高，当油液的高度为时，（）为总的储油罐的油液的体积，（）的计算过程如下。

圆柱体内的油液体积（）随油液的高度的变化关系为：

罐体的一端球缺内的油液体积（）随油液的高度的变化关系为：

总的罐体内的油液体积随油液的高度的变化关系为：

分别给几何尺寸、、1 赋初值，再实时引入油液的高度，可以计算出罐体的液体总体积。

2 油水体积比显示电路设计

依据上述原理进行硬件设计，显示实时油水比数据。为了方便参数输入和计算速度较快，进行了主控芯片的选型。为了将油水比读入主控芯片中，进行了模拟量与数字量的转换电路设计。根据液位计的液位高度数据输出形式，将液位数据读入主控芯片。根据现场数据显示的要求，将数据显示器件的选择和接口设计。将各个功能电路部分进行集成设计，完成了油水体积比显示电路设计。

2.1 基于ESP8266 的应用系统设计

撬装设备上的罐体结构相似，但是具体尺寸相差很大。为了增加设备的智能性和通用性，选用能够现场输入或者调整相关参数的芯片最为合适。因此ESP8266 芯片被选中，作为主控芯片使用。ESP8266具有低功耗、小尺寸的UART-WⅠFⅠ的芯片，同时有32 位处理器和片内SRAM，能够处理和存储较多数据。ESP8266 模组有16 个引脚，需要进行外围电路设计才能正常运行。ESP8266 应用系统如图3 所示。

图3 ESP8266 应用系统

为了方便调试设计了复位电路，工作模式和程序下载模式选择电路。其中复位信号RST 通过按键进行接地完成复位；使能管脚EN 置位高电平完成芯片使能；ESP8266 的工作模式和程序下载模式由ⅠO0 决定，为高电位工作模式、低电位程序下载模式。将ⅠO2 和ⅠO14 配置为ⅠⅠC 通信引脚，用于数据传输。设计的基于ESP8266 应用系统可以完成系统的复位、程序下载、模拟量采集、数据传输和显示等功能。

2.2 液位仪液位数据的读入电路

目前油气田撬装设备中大型罐体上都装有液位传感器，因此在充分利用现有传感器的基础上完成液位数据的ESP8266 读入。油田常用的液位传感器通常能够提供4～20 mA 的电流信号。在此设计中，充分利用该电流信号进行液位数据读入，同时不影响现有控制或监测系统信号的使用。

采用信号隔离器将现在使用的4～20 mA 电流信号转换成2 路相同的液位信号，一路供原先罐体上的控制或监测系统使用，一路供智能型罐体液体体积计量显示器使用，液位数据转换电路如图4 所示。

图4 液位数据转换电路

图4中信号隔离器输出的仍然是4～20 mA电流信号，读入ESP8266 时可以使用ADC 引脚进行模拟量读入，但是需要与检测油水比的（）分时复用。油气撬装上大型罐体的液位传感器通常安装2～3个不同类型的液位传感器，如果采用分时复用的方法，会出现电路较为复杂的情况。为了简化电路，同时增加智能性和通用型，采用数字信号读入ESP8266。也就是将信号隔离器输出的液位传感器的液位4～20 mA 电流信号转化成数字信号接入ESP8266。智能型罐体体积计量显示器系统能够清晰区分罐体上液位传感器数据来源，有利于分析判断数据。

2.3 数据显示接口设计

根据液位数据计算罐体内液体体积，显示计算后的液体体积数据需要设计显示接口。依据设计的ESP8266 应用系统选用ⅠⅠC 显示器。优点是数据线数量较少，只有电源VCC、GND、SCL、SDA 这4 根，接口设计简单。ESP8266 的 ⅠO2 和 ⅠO14 引脚已经配置为ⅠⅠC 通信引脚，设计的ⅠⅠC 数显显示接口电路如图5所示。根据数据显示接口设计，选用OLED 显示器进行数据显示。OLED 显示器固态显示、温度适应范围大、响应速度快、功耗较低，适合作为仪器仪表数据显示使用。选用的ⅠⅠC 数据显示器作为从机使用SDA和SCL 实现数据传输。

图5 数据显示接口

3 结语

采用ESP8266 芯片进行了油气田撬装中罐体内油水体积实时动态显示设计。其中ESP8266 应用系统中设计有模拟量采样、数据显示及复位和程序下载电路。采用电容法设计了罐体入口处的油水比检测传感器，采用C/V 转换电路将电容值变化变换成电压量，以便于ESP8266 系统进行模拟量采集。根据罐体的结构和几何参数以及液位传感器数据，采用ESP8266 系统计算了罐体内油和水的体积。采用ⅠⅠC 总线方式设计了数据显示接口，实时显示液体体积数据。同时ESP8266的Wi-Fi 功能为后期传感器数据的综合应用和逻辑分析提供了网络拓扑基础。设计的智能型罐体内液体体积计量显示器，从理论上分析能够直观、实时、动态显示液体体积数据，方便现场人员及时掌握罐体内情况。