基于CAV444的電容式原油含水率在線檢測

侯培國，張思遠，2

(1．燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島 066004；2．河北省地震局秦皇島中心臺，河北秦皇島 066199)

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基于CAV444的電容式原油含水率在線檢測

侯培國1，張思遠1，2

(1．燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島 066004；2．河北省地震局秦皇島中心臺，河北秦皇島 066199)

針對傳統電容式傳感器測量原油含水率的結構復雜，測量過程易受寄生電容和外界環境溫度影響，設計了一種基于新型電容/電壓轉換芯片CAV444的原油含水率檢測系統。原油含水率變化經電容傳感器檢測后表現為電容值的變化，再通過CAV444轉換得到差分電壓輸出。實驗表明：該設計穩定可靠，能滿足工業現場需求，在現代化油田監測中具有應用價值。

含水率；電容傳感器；CAV444；電容電壓轉換

0 引言

原油含水率是石油化工業的重要參數，對油井出油層位和開發壽命具有良好的預測作用。隨著油井計量技術的不斷完善與發展，電容式傳感器以其測量原理簡單、動態靈敏度高、安全性好等優點而得到廣泛使用。由于測量的電容值多在pF級，任何外界環境的變化都會影響測量的準確性。因此，本文在采用同軸圓柱式電容傳感器的同時，選用一種不受環境和寄生電容影響的CAV444電容/電壓轉換芯片，提高了測量的準確性。

1 電容式傳感器測量原理

電容傳感器是根據油水介電常數相差很大的電物理特性制成的。常溫下油的相對介電常數為2.3左右，而水的相對介電常數約為80，當原油通過電容傳感器兩極板時，介電常數會隨著含水率的不同而時刻發生變化，基于此原理，便可把測量的原油含水率的變化情況以電容值的變化表現出來[1]。

本文選用同軸圓柱電容傳感器，在內電極涂絕緣材料聚四氟乙烯，使含水率測量范圍達到100%。根據同軸柱狀電容表達公式，忽略電極的邊緣效應，可分別得到絕緣涂層電容和原油混合液對應的電容C1、C2表達式：

(1)

式中：r、R分別為傳感器內外電極半徑；ε1、ε2分別為絕緣涂層和原油混合液介電常數;δ為絕緣涂層的厚度；h為電極長度。

根據C1、C2的串聯關系得到電容傳感器電容CM

(2)

由式(2)可知，原油含水率與混合液的介電常數有關，通過測得的電容值即可換算出原油的含水率。文中所應用的同軸圓柱電容傳感器的幾何結構為：r=8 mm，R=16 mm，h=150 mm。在實際工況中，可以根據實際需要改變參數，擴大使用范圍。

2 檢測系統設計

檢測系統設計由電容采集、溫度采集、電容/電壓轉換、A/D轉換、單片機、液晶顯示以及通信等部分組成，如圖1所示。電容傳感器采集信號后，經過CAV444進行C/V轉換，再經A/D轉換后傳送至單片機，然后在液晶模塊上顯示含水率。單片機選用超低功耗且功能強大的16位微控制器MSP430F149，其自帶12位A/D轉換器；液晶模塊為微功耗，兩行顯示16字符的C1623；溫度傳感器為DS18B20，用于溫度補償。

圖1 系統組成框圖

本系統軟件采用C語言進行編程，編譯工具為Keil。系統的軟件程序主要包括以下幾部分：對系統程序進行初始化模塊、單片機內部的A/D轉換模塊、檢測按鍵是否被按下的掃描模塊、數據處理及查表計算模塊、溫度補償模塊以及實時含水率顯示模塊。

2.1 CAV444性能特點

CAV444集成芯片可將測量電容信號直接轉換成線性電壓輸出，兼顧了電容采集、信號處理和差分電壓輸出等功能，而且內置的溫度傳感器還可以使其避免環境溫度的影響[2]。此芯片的工作溫度范圍為-40～85 ℃，電容檢測范圍為18 pF～2.2 nF。CAV444靈敏度高、抗干擾性強，其差分電壓輸出可直接聯接到A/D轉換電路上，模擬電路系統的測量分辨率只與電路本身的噪聲有關[3]。此外，CAV444還提供一個校準應用軟件Kali_CAV444.xls，用來確定元器件參數，使信號的校準更加簡單。

2.2 C/V轉換原理

CAV444的工作原理為：傳感器測得的電容信號CM作為內置的測量振蕩器的電容，通過對其不斷進行充電和放電產生時鐘脈沖，此時鐘脈沖的周期與測量電容值的大小成線性關系。通過頻率/電壓轉換后進行低通濾波，最后將輸出一個直流電壓信號，電路如圖2所示。電阻RA用于頻率電壓轉換電路供電電源的調節，管腳3為內置偏置電路，須與VCC相連，VOUT通過一個簡單的電路就可以對輸出信號進行零點和滿度的調節[4]。

圖2 CAV444信號路徑和工作原理圖

2.3 CAV444的電容電壓轉換

CAV444帶滿度調整和零點調整的輸出信VOUT的傳遞函數如下

VOUT=VDIFF+VREF=G·VTPAS+B·VREF

(3)

式中：G、B分別為滿度和零點調準系數；VTPAS為經過低通濾波器后的輸出電壓；VREF為參考壓(2.5 V)。

(4)

(5)

(6)

式中：R2、R4、R5為100 kΩ固定電阻；R1、R3分別為滿度和零點調節電阻；ΔVCM=2.1 V；CM為電容傳感器待測電容值；CW是頻率電壓轉換電容；電阻RCM和RCW與充放電電流大小有關[5]。

將輸出信號進行調理后，式中所有的變量已經設為定值，根據式(3)和式(6)可以看出，輸出電壓VOUT是測量電容CM的函數VOUT=f(CM)，并且是線性關系。

2.4 零點和滿度的調整

零點和滿度的校準使用調試校準軟件Kali_CAV444.xls。分別根據全油、全水情況確定電路測量電容值的范圍約為20～800 pF，輸入在參考電壓下希望輸出的電壓范圍為1.3～3.3 V，即可得到測量振蕩器頻率。測量振蕩器電阻RCM=250 kΩ，頻率電壓轉換器電容CW=500 pF，工作電源阻值RA=240 kΩ以及低通濾波器的濾波電容CF1、CF2范圍。然后進行電路校準，把測量電容為最大值和最小值對應的電壓輸出分別代入軟件，計算出要校準的校準電阻R1=36.8 kΩ和R3=107.28 kΩ，再將2個新的校準電阻替換原有的測量電阻，就完成了測量電路的調零和調滿。

3 電容電壓轉換電路設計

設計的基本思路是利用電容傳感器，將原油的含水率轉換為電容的變化，再通過CAV444轉換為電壓信號，將模擬信號進行A/D轉換后，通過單片機進行處理，最后在液晶模塊上顯示含水率。溫度傳感器DS18B20用于測量溫度，并采用軟件進行溫度補償。

實際電容電壓轉換電路如圖3所示，選用電容分別為C7=500 nF，C8=C9=200 nF，C10=100 nF ；選用電阻為R8=250 kΩ，R9=500 kΩ，R10=R11=R12=100 kΩ，R15=240 kΩ，R13、R14分別為100 kΩ和200 kΩ的電位器。

圖3 測量系統中的電容電壓轉換電路

4 標定及實驗

在溫度為30 ℃條件下，采用蒸餾法配比含水率從0%到100%的每10%間隔的若干組樣品，對電容傳感器進行標定，測出的各含水率對應的電壓值。根據含水率與電壓值的對應關系，用Matlab軟件對數據進行擬合，實現含水率與電壓值關系的線性化處理，得到含水率與電壓值的關系曲線，如圖4所示。函數關系式為y=1.731x2+0.004 4x+1.601，這樣由測得的電壓值，根據公式就可以計算出原油含水率。

圖4 原油含水率與輸出電壓的對應關系圖

在溫度為30 ℃，壓力為0.02 MPa，流速1.6 m/s條件下，用本儀器進行含水率測量結果，與蒸餾法測得結果作為標準含水率進行對比，測量結果如表1所示。

實驗結果表明：本儀器的性能穩定，測量精度較高，測量誤差絕大部分都在3%以內，滿足工業現場的需求。

5 結束語

本文設計了基于CAV444的原油含水率檢測電路，具有外圍器件少、電路簡單，電容測量不受外界溫度變化影響等優點，可以實現原油含水率的在線高精度測量。CAV444作為一種新型的電容/電壓轉換芯片，可以廣泛應用于各種電容傳感器的轉換電路，具有非常好的適用性及應用前景。

表1 實驗測量數據 %

[1] 王莉田，王玉田，史錦珊，等.原油含水率測量儀的研究.傳感技術學報，2000(1):44-48.

[2] 施林生，RAUCH N.電容式信號線性轉換電壓輸出接口集成電路CAV44.儀表技術與傳感器，2009(7):106-107.

[3] 陽志杰，倪文軍，栗克國，等.基于CAV444的電容式波高傳感器的設計與溫度補償.儀表技術與傳感器，2014(5):11-14；28.

[4] XIONG X M, CHENG D P, LIU R Z，et al. The design of film thickness measure system based on capacitance sensor. Proceedings 2010 International Conference on Intelligent Computing and Integrated Systems，Guilin,2010.

[5] 周燕.基于CAV444的電容式液位傳感器設計.工礦自動化，2012(5):56-59.

Online Capacitive Measurement of Crude Oil Moisture Detection Based on CAV444

HOU Pei-guo1, ZHANG Si-yuan1,2

(1．School of Electrical Engineering,Yanshan University, Qinhuangdao 066004,China;2．Qinhuangdao Central seismostation of Hebei Province,Qinhangdao 066199,China)

Aiming at the complex structure of traditional capacitance sensor in crude oil moisture detection, and the problem that the measuring process is vulnerable to be influenced by parasitic capacitance and temperature of external environment, a new design scheme of hardware circuit based on capacitance to voltage conversion chip CAV444 was proposed in this paper. The moisture content presented as the change of capacitance value after the detection of capacitance sensor, and then was converted to differential voltage output through CAV444. The experiment shows that this design is efficient and reliable that it can satisfy the need of industrial field, and it has high application value in modern oilfield monitoring.

moisture content; capacitance sensor; CAV444; capacitance to voltage conversion

2014-11-17 收修改稿日期：2015-03-07

TP273

A

1002-1841(2015)08-0080-02

侯培國(1968—)，教授，博士，研究方向為計算機智能控制理論與應用、智能儀器設計等。E-mail:pghou@ysu.edu.cn