电容法测量注汽井干度机理研究与电路实现.pdf

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1、第lO期牟海维等．电容法测量注汽井干度机理研究与电路实现电容法测量注汽井干度机理研究与电路实现牟海维何学兰田博文黄颖(东北石油大学电子科学学院，黑龙江大庆163318)摘要针对当前油田进行热注蒸汽开采稠油时干度测量的重要性，提出一种蒸汽干度在线测量的电路设计方法，采用单片机、积分器及比较器等器件组成系统电路；利用集成的双重斜波测量传感器电容值，根据电容与湿度的关系可知蒸汽干度值，实现了蒸汽干度的在线测量，提高了测量精度。关键词蒸汽干度在线测量双重斜波电容中图分类号TH867+．2文献标识码A文章

2、编号1000-3932(2013)10—1267旬3我国石油资源丰富，在许多地区发现高粘度重质石油，俗称稠油，稠油具有粘度高、分布不均匀的特点，通常开采稠油的方法是向油井中注入高温高压蒸汽，待石油呈流状后再加以开采。干度是蒸汽特性的重要参数，其测量结果可以确定注汽井所需的蒸汽量和注汽时间，这对油田采油效率有重要的意义。此外，许多行业的生产工艺需要用有一定温度和干度的蒸汽来保证产品的生产品质，如卷烟生产、纺织、医药生产及食品生产等¨卫o，在生产中都需要具有一定干度的蒸汽。因此开展蒸汽干度在线测量的

3、方法和仪器的研究具有极其重要的现实意义¨。。近年来，蒸汽干度的测量方法受到国内外研究人员的重视，其中包括加拿大原子能公司提出的放射法，美公司提出的孔板节流法和美国Zwodd公司生产出CRC—GD2001型蒸汽干度控制装置。我国克拉玛依油田采用的方法是使汽水两相流通过KZQ21型蒸汽取样器产生重力分离，取出液态水样，进行离子分析，但是蒸汽干度的在线测量一直处在研究阶段H1。笔者提出了一种新的蒸汽干度测量方法——电容测量法，并对其电容传感器测量原理与电路的实现进行了分析。1电容法测量蒸汽干度的原理一

4、定温度和压力下，水和水蒸气的介电常数有很大的差别，在一个大气压下，水和饱和水蒸气的介电常数分别为55．527、1．006C5]。当一定湿度的蒸汽流过电容传感器时，随着流过蒸汽湿度的变化，其等效介电常数会发生改变，从而导致传感器的电容量也随之改变∞1，该过程如图1所示。接地极图1电容法测量蒸汽干度的工作原理蒸汽干度是指每千克湿蒸汽中含有干蒸汽质量的百分数，通过测量电容的改变值，可以反推出蒸汽干度的表达式：x：上×100％(1)m-+ml式中m。——水蒸气的质量；m。——饱和湿蒸汽流中水滴的质量；X

5、——干度。当筒式结构的电容器的外径为R：、内径为R。时，假设湿蒸汽中饱和水和水蒸气的密度分别为p，和p。，占。为真空介电常数，占，和占。分别为水和蒸汽的介电常数"1。其单位体积中，体积百分比分别为n和匕，且匕+匕=l，则有：R．c-=2'n'eos．／ln云(2)cc=2霄占。占／lnR-_Z．(3)根据Lichteneeker公式‘81，湿蒸汽的待测等效介电常数占。为：8一_2=匕占彳+匕占手(4)收稿日期：2013-07—12(修改稿)基金项目：“十二五”国家重大专项基金资助项目(2011Z

6、X05020-006)1268化工自动化及仪表第40卷在一定温度和压力下，若占。为湿蒸汽待测介电常数，P。、P。、s。和占。由IAPWS—IF97表可查得p1。干度表达式为：x：———；}_(5)丛．型!!二型刍+lPB＼f￡m一＼f8。2电容传感器理论计算值与结果分析2．1电容理论值计算单片机产生一脉冲波，经过由待测电容组成的积分器时变成三角波，坡度的大小取决于待测电容C。。。的大小，再通过单片机内部比较器和定时器测量出所耗费的时间t。和t：，从而可以反推出电容值的大小¨0’¨1。单片机内部时

7、序如图2所示。‰4盘[二⋯⋯]‰，[互二：[‰召誉。面⋯一i⋯⋯一佳：厂—]监图2单片机内部时序电容检测电路如图3所示，MCP6292与电容C。。。组成了一个积分器，当单片机产生脉冲波给CUlA的引脚3时，在输出端得到一个三角波，采用两个lOkl)电阻对电源VDD进行分压，CU2B的引脚5处的电压大小为y。。／2。通过CUlB将脉冲波‰，与VDD／2进行相加、减，输出端得到三角波电压y。。。。然后将输出传给单片机，通过定时计数器计算出K。。上升和下降的时间t．、t：，由图3可以得出：‰，=％》㈤

8、当lINT恒定时，有：一AVSEN：生f7)AtCsEN当yM恒定时，有：‰，=杀导㈣图3电容检测电路参考电压％。，的两个设定值分别为较低的参考电压V。。(0．125V。。)和较高的参考电压V。。(0．500V。。)。当y。。电压低至3．OV时，y。。的大小要在放大器输出电压范围之内，K。要在比较器的共模电压范围之内，则：铲揣：坠些．CsrNRAV。(9)‘1一IsEN／AtI—VcM。“’、’7铲畿AVs尚／At=糕Vv．cs水。㈣，‘2一IEN—D—KMk8‘““”¨叫2．2运放电路稳定性与