[发明专利]一种分段电容传感器及多相分层液位界面测量系统

说明书

本发明公开一种分段电容传感器及多相分层液位界面测量系统，所述传感器包括多个传感器节点，每个传感器节点均包括分段电容极板I、分段电容极板I信号转接板、分段电容检测电路、分段电容极板I外壳、分段电容极板II、分段电容极板II信号转接板、分段电容极板II外壳、电源及通信线，分段电容极板I与分段电容极板II平行放置，分段电容极板I上设有多个电容电极I，分段电容极板II上多个电容电极II，电容电极I与电容电极II相对设置，分段电容极板I上的电容电极I与分段电容极板II的电容电极II形成多个分段电容。所述多相分层液位界面测量系统基于上述传感器。本发明能解决现有电容传感器表明容易积累原油以及电极板需要可靠密封的问题。

技术领域

本发明涉及电容式液位计量领域，具体是一种分段电容传感器及基于该分段电容传感器的多相分层液位界面测量系统。

背景技术

从油田开采出来的石油是油、气、水的三相混合物，开采过程还伴有泥沙的存在。通常情况下，从罐顶到罐底，依次为原油、油水乳化液、水、污泥层。在石油开采环节中，中转罐、沉降罐、原油脱水器、电脱出器、缓冲罐、储运罐等各个环节等都需要多相液位测量，便于进行油、水分离控制，并为掌握开采过程中原油的含水、原油产量提供数据。

目前，国内外研究油水液位测量的方法有很多，研究最多的是分段电容式测量法。基于分段电容的方法主要依据电介质变化引起电容变化的原理，测量电容值与界面成线性关系。单个电容无法分辨油水，油气、乳化带多相界面。针对原油多相界面的测量主要采用分段式电容传感器，分段电容式传感器能根据每个电容的数值分辨出每个电容处于水、原油、乳化带还是空气，进而计算分辨出多相界面。分段电容传感器具有较高的测量精度，而且成本低，研究最广泛。

常用的分段电容电极的布置形式主要有3种：

1、对称的双极板分段电容结构，每个电容的两个极板都是对称的，参数相同；

2、含有公共电极的分段电容结构；

3、单极分段电容结构，这种方案采用原油罐的罐体作为分段电容的公共电极。

原油储油罐的高度通常较高，一般在10米以上，为了尽可能提高液位测量精度，采用分段电容测量的测量方案，电容数量一般在几十个，甚至可能多达上百个。目前，基于分段电容测量原油罐内油水、乳化带、油气界面的方案面临的主要问题如下：

当前大多数分段电容测量方案都把测量电容的电路置于罐外。因为分段电容数量较多，因此要有大量引线引出到测量电路，对测量系统的安装、维护带来困难。此外电容引线较长，寄生电容值较大，而且不同电容引线长度不同，给测量及数据处理带来较大不便。

在原油等比较污浊的液体测量过程中，如果不采用聚四氟乙烯材料，分段电容传感器表面容易挂油，导致电容值逐渐产生偏移，影响测量精度。聚四氟乙烯具有良好的抗粘性能，作为绝缘材料，能够较好地解决挂油问题。但几乎所有的胶水粘结都无法牢固粘结聚四氟乙烯，这给基于聚四氟乙烯材料的分段电容传感器带来密封难题。

为了实现传感器的密封，大多数都采用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯圆管作为电极的护套。把分段电容极板置于聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯圆管中，通过引线把各个分段电容电极连接到测量电路，分段电容极板做成环形。

目前大多数产品利用原油罐体作为电容的另外一个电极，电极的布置形式为单极分段电容结构。这类传感器有两个弊端：其一，罐体形状、传感器位置都会影响传感器参数，因此这种结构的传感器参数需要现场标定。其二，因为罐直径较大，采用罐体作为电极，传感器的精度受到影响，罐体内壁如果为非金属材料更是无法实现准确测量。

也有研究方案提出在圆管外加不锈钢管作为电容的另外一个电极，不锈钢管直径大于聚四氟乙烯管，并与聚四氟乙烯管同轴。其结构属于含有公共电极的分段电容。采用聚四氟乙烯管加工分段电容传感器的弊端是，当罐体较大，分段电容较多时，每一个分段电容的电极都要把线路接到外部测量，这种方案线束较多，而且线束很长，非常不利于加工生产和产品的标定。