張偉明，賈鄧樂，李　江，陳文卓，于吉龍

(后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶　401311)

機(jī)動管線油水混合物電容檢測裝置設(shè)計

張偉明，賈鄧樂，李江，陳文卓，于吉龍

(后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶401311)

摘要：機(jī)動管線作為應(yīng)急輸送管線，使用中多個環(huán)節(jié)存在油水混合物；為指導(dǎo)混油切割作業(yè)，減少油品損失，需要實時檢測油水混合物；以安裝簡便、使用方便、體小質(zhì)輕及安全可靠為原則，進(jìn)行了基于電容法的檢測裝置設(shè)計；該裝置設(shè)計為油水混合物檢測提供了理論支撐，并為下一步進(jìn)行實驗研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)動管線；油水混合物；電容；檢測；設(shè)計

本文引用格式：張偉明，賈鄧樂，李江，等.機(jī)動管線油水混合物電容檢測裝置設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2015(12):59-62.

Citation format:ZHANG Wei-ming, JIA Deng-le, LI Jiang, et al.Design of Capacitive Detection Device for Oil-Water Mixture in Field Pipeline[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):59-62.

Design of Capacitive Detection Device for Oil-Water

Mixture in Field Pipeline

ZHANG Wei-ming, JIA Deng-le, LI Jiang, CHEN Wen-zhuo, YU Ji-long

(Deptment of Petroleum Supply Engineering, Logitic Engineering University, Chongqing 401311, China)

Abstract:Field pipeline is often used as transportation equipment for oil in emergency. There would exist oil-water mixture in it during operation. To reduce the loss of oil-water mixture and guide the cutting operation correctly, it is necessary to detect the oil-water mixture in real-time. Based on such principles as easy-installation, feasibility, minimum volume and mass, safety and reliability, capacitive detection-based device was designed. The design concept provides a theory support for detecting oil-water mixture and lays a solid foundation for the future experimental research.

Key words:field pipeline; oil-water mixture; capacitive; detection; design

機(jī)動管線廣泛用于油料的長距離應(yīng)急輸送，使用過程中，水試壓后充油和管線撤收前水頂油排空從理論上講都是油與水的順序輸送，不論是水頂油，還是油頂水，都會產(chǎn)生油水混合物。為準(zhǔn)確了解油水混合段運動規(guī)律以及油水混合程度，正確指導(dǎo)混油切割作業(yè)，減少油品損失，對油水混合物進(jìn)行實時檢測尤為關(guān)鍵。

目前，機(jī)動管線上雖已研制有混油濃度檢測儀器，或因精度低、便攜性較差，或因某些元器件供應(yīng)受限，都未得到推廣使用。本文基于電容法檢測原理，結(jié)合機(jī)動管線的特點，按照“安裝簡便、使用方便、體小質(zhì)輕、安全可靠”的原則，進(jìn)行油水混合物電容檢測裝置設(shè)計。

1圓柱電容傳感器結(jié)構(gòu)及特性分析

電容傳感器結(jié)構(gòu)形式多樣，根據(jù)極板的不同，可分為平板形、圓柱形和球面形。其中，圓柱形電容傳感器優(yōu)點突出：所產(chǎn)生的靜電場覆蓋于管道內(nèi)部的整個橫截面上，極板有效面積較大，靈敏度較高；結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)屏蔽，抗機(jī)械振動干擾能力強(qiáng)；便于安裝，整體性好[1]。這種傳感器更適合機(jī)動管線臨時安裝、野外使用的要求。圓柱電容傳感器主要由內(nèi)、外極板構(gòu)成，如圖1所示。

R為外電極半徑；r為內(nèi)電極半徑；L為電極長度

圓柱電容傳感器的電容值是內(nèi)外電極間距、電極長度和極板間介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)[2]，其表達(dá)式為

(1)

式(1)中：R為外電極半徑；r為內(nèi)電極半徑；L為內(nèi)外電極長度；ε為液體介電常數(shù)。

若內(nèi)外電極間距、長度一定，具有不同介電常數(shù)的液體從兩極板間流過，可得到不同的電容值。純油或純水流過時，由于介電常數(shù)未變，電極板所構(gòu)成的電容值分別為定值。當(dāng)油水混合物流過時，油水混合物的介電常數(shù)隨著油水比例的變化而變化，電容值隨之改變，據(jù)此實現(xiàn)對油水混合段含水率的檢測。

由式(1)可知，電容值與介質(zhì)介電常數(shù)成正比關(guān)系

(2)

設(shè)電容傳感器的靈敏度為K，則

(3)

式(2)、式(3)表明，Δε與ΔC成正比。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)確定后，不考慮雜散電容的影響，靈敏度K能夠確定，并可以通過增大L和減小R/r兩種方式進(jìn)行提高。

然而由雜散電容形成的“邊緣效應(yīng)”對測量結(jié)果影響較大，直接影響了靈敏度，無法忽視。圖2所示為平板電容傳感器的電場分布圖，兩端弧線為形成邊緣效應(yīng)的雜散電場。

圖2　平板電容器邊緣效應(yīng)電場分布

由于邊緣效應(yīng)的存在，使得電容測量值稍大，電容計算公式為

(4)

因此，電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮邊緣效應(yīng)的影響?？梢栽陔姌O板兩端增加等位環(huán)來減小此影響，如圖3所示。由于等位環(huán)的加入，雜散電容位于等位環(huán)外端，進(jìn)而降低了因邊緣效應(yīng)而帶來的測量偏差。

1.極板；2.等位環(huán)；3.邊緣電場；4.均勻電場

2圓柱電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合機(jī)動管線的實際尺寸，按照“安裝簡便、使用方便、體小質(zhì)輕、安全可靠”的設(shè)計原則，綜合考慮液體流量、壓力等影響因素，進(jìn)行傳感器主要零部件的設(shè)計和選型。

2.1　電容極板設(shè)計

1) 電極材料。電極材料的選擇主要考慮溫度影響。溫度變化易使極板幾何尺寸和相對位置發(fā)生改變，從而改變電容量，產(chǎn)生測量誤差。綜合考慮上述影響，結(jié)合加工、安裝等技術(shù)要求，選用溫度系數(shù)較低、剛性較好的1.5 mm不銹鋼作為電極材料。

3) 電極長度。極板越長，電容值越大，靈敏度越高，邊緣效應(yīng)對測量的影響也越小。但極板過長將導(dǎo)致傳感器整體外形尺寸較長，且易產(chǎn)生變形，不利于保持內(nèi)、外電極的穩(wěn)定。為便于安裝使用，依據(jù)體小質(zhì)輕、滿足檢測要求的原則，根據(jù)機(jī)動管線現(xiàn)有管子長度系列標(biāo)準(zhǔn)，最短管子長度為300 mm，所以確定電容傳感器電極長度應(yīng)略短于300 mm。

根據(jù)設(shè)計的尺寸，由式(3)可知，該傳感器靈敏度K為

(5)

為保證測量準(zhǔn)確性，設(shè)計靈敏度不低于0.8，此時電極長度為256mm。因此，設(shè)計電極長度為260mm，靈敏度為0.81。

2.2　絕緣層設(shè)計

油水混合物中水的含量較少時，水滴分散在油中，流經(jīng)內(nèi)外電極過程中水的導(dǎo)電性很弱，對電容檢測的影響較小。當(dāng)含量增加時，水分子連通，水的導(dǎo)電性可能導(dǎo)致內(nèi)極板-水-外極板連通，導(dǎo)電產(chǎn)生的影響沒有規(guī)律，時大時小，致使傳感器難以準(zhǔn)確測量水的含量[3]。在內(nèi)外電極板表面噴涂絕緣材料可以有效地解決水的導(dǎo)電性所帶來的問題。

鑒于聚四氟乙烯具有斥水性、電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、表面張力較小、易于噴涂加工、價格便宜等特點，選用聚四氟乙烯作為絕緣層材料。

內(nèi)外電極噴涂絕緣層后，內(nèi)電極絕緣層電容為

(6)

混合物電容為

(7)

外電極絕緣層電容為

(8)

電容傳感器的電容可以看作CA、CB和CC串聯(lián)，此時電容傳感器總電容值為

(9)

式(9)中，δ為絕緣層厚度；ε1為絕緣層介電常數(shù)。

由此看出，絕緣層厚度δ對總電容值的影響大。δ太小，易被損傷而失去其作用；δ太大，則影響傳感器的靈敏度，降低測量精度。參考同類檢測儀表實際應(yīng)用的經(jīng)驗[4]，設(shè)計絕緣層厚度為0.5 mm。

2.3　等位環(huán)設(shè)計

圖4　圓柱電容傳感器等位環(huán)示意圖

文獻(xiàn)[4]設(shè)計等位環(huán)的長度為18 mm，與內(nèi)外電極的間距為2 mm，等位環(huán)與電極之間用聚四氟乙烯相絕緣。

2.4　屏蔽罩設(shè)計

由于電容值容易受到外界電場的影響，使其測量性能降低。且電容傳感器常在野外工作，為使其性能可靠穩(wěn)定，在外部增加屏蔽罩，以減小外界干擾，同時起到支撐保護(hù)極板的作用。本文選用DN100機(jī)動管線的管子作為屏蔽罩，外極板、外等位環(huán)置于其內(nèi)，間隙用PVC絕緣材料填實。

3圓柱電容檢測裝置設(shè)計

圓柱電容檢測裝置主要由傳感器和顯示器兩部分組成。傳感器與顯示器通過連接件(其內(nèi)含導(dǎo)線)連接。

3.1　圓柱電容檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圓柱電容檢測裝置由傳感器、顯示器及附屬構(gòu)件組成。以“安裝簡便，維護(hù)方便，穩(wěn)定可靠，適應(yīng)性強(qiáng)”為原則進(jìn)行裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)第三章電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，為使內(nèi)外電極始終保持同軸心，在電極兩端設(shè)計固定支撐件。為增強(qiáng)裝置穩(wěn)定性和抗機(jī)械振動干擾能力，用法蘭固定內(nèi)外電極，并將其與槽頭端口連接，以便于安裝在機(jī)動管線上。同時，在法蘭上對稱布置支撐腳，以避免裝置滾動。顯示器與兩個電纜防水出線螺套相連接。該裝置三維示意圖如圖5所示。

圖5　檢測裝置三維模型

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，綜合考慮了裝置的檢測功能、加工工藝和操作使用等因素的相互影響，優(yōu)化方案，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：內(nèi)外電極通過法蘭對夾固定，有利于拆裝維護(hù)，所設(shè)計法蘭需達(dá)到該裝置使用時的壓力要求，防止因承壓不足帶來裝置損壞、泄漏等問題；內(nèi)外電極均勻噴涂0.5 mm 的絕緣涂層，與管內(nèi)介質(zhì)隔離；內(nèi)外電極與支撐件用O型密封圈進(jìn)行密封，具有自封功能，管內(nèi)液體壓力越高，密封性能越好，達(dá)到管內(nèi)介質(zhì)與電極相隔離的目的；為便于內(nèi)外電極引線引出，電極與電極基座通過螺紋連接導(dǎo)電，并用密封圈隔離管內(nèi)介質(zhì)，基座內(nèi)的電極引線與電纜防水出線螺套內(nèi)螺釘相連，輸出測量信號；法蘭與槽頭端口采用板式平焊，達(dá)到承壓要求；制作成型后，進(jìn)行充水實驗，在壓力3 MPa，持續(xù)5 min不漏，達(dá)到要求。檢測裝置傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.槽頭焊合；2.O型橡膠密封圈；3.內(nèi)電極支撐1；4.O型橡膠密封圈；5.外等位環(huán)隔離套；6.O型橡膠密封圈；7.外等位環(huán)；8.外電極隔離套；9.外電極；10.填充1；11.殼體焊合；12.內(nèi)電極；13.內(nèi)電極隔離套；14.引線插座；15.內(nèi)等位環(huán)；16.填充2；17.O型橡膠密封圈；18.電纜防水出線螺套；19.十字槽盤頭螺釘H型；20.平墊圈；21.內(nèi)電極支撐2組裝；22.等長雙頭螺柱；23.1型六角螺母

圖6檢測裝置傳感器結(jié)構(gòu)

3.2　顯示器設(shè)計

顯示器由電容檢測模塊、溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、顯示模塊以及語音報警模塊等部分組成。其高度集成化，防塵、防潮，與接線導(dǎo)管連接。顯示器工作流程圖如圖7所示。

圖7　顯示器工作流程

電容檢測模塊的功能是測量電容傳感器的電容，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，送入數(shù)據(jù)處理控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用CAV424集成芯片實現(xiàn)模塊功能[5-6]。

為了減小溫度對混合物介電常數(shù)的影響，準(zhǔn)確校正測量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器對溫度進(jìn)行實時檢測[7]。

數(shù)據(jù)處理控制模塊是整個測量顯示系統(tǒng)的核心，選用MSP43OF149單片機(jī)對電容檢測模塊和溫度檢測模塊的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制顯示模塊和語音報警模塊[8]。顯示模塊選用2行*16字符的字符型LCD顯示C1623，同時顯示溫度和含水率值。當(dāng)檢測到的含水率值超過設(shè)置的上下限時，語音報警模塊采用語音錄放的方式發(fā)出報警信號。圓柱電容檢測裝置三維模型如圖8所示。

圖8　圓柱電容檢測裝置三維模型

4結(jié)束語

機(jī)動管線使用過程中往往存在油水混合物，為正確指導(dǎo)流程切換作業(yè)，減少油水混合損失，需要實時檢測油水混合物。結(jié)合機(jī)動管線的特點，設(shè)計的電容檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單；兩端采用槽頭連接，便于安裝；可拆卸進(jìn)行維護(hù)，有效的提升了裝置的使用性能，同時也提高了油水混合物的檢測效率。并為下一步進(jìn)行實驗研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周征.傳感器原理及檢測技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:202.

[2]陳敏,楊欣榮.測量油品含水量的電容式傳感器機(jī)理[J].傳感器技術(shù),2002,21(7):15-17.

[3]宋廣軍,徐巧玉,王慕坤.電容式原油含水率傳感器設(shè)計[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2003,8(5):108-110.

[4]季娜.原油含水率在線檢測系統(tǒng)研究[D].河北:河北大學(xué),2010.

[5]上海蕓生微電子有限公司.CAV424應(yīng)用手冊.http://www.Symehina.com.

[6]郭彥蕊,黃運生,陳學(xué).基于CAV424的油井含水率在線檢測[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2008,28(2):130-132.

[7]趙志芳.原油水分含量測試技術(shù)的研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2004.

[8]張艷麗,張紹楠,張猛.基于MSP43OF149的酒精濃度檢測儀的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(10):112-114.(責(zé)任編輯唐定國)

【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】

中圖分類號：TE832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)12-0059-04

doi:10.11809/scbgxb2015.12.015

作者簡介：張偉明(1958—)，男，教授，主要從事油氣儲運工程研究。

收稿日期：2015-05-25