基于CAV444的电容式原油含水率在线检测

侯培国，张思远，2

(1．燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004；2．河北省地震局秦皇岛中心台，河北秦皇岛 066199)



基于CAV444的电容式原油含水率在线检测

侯培国1，张思远1，2

(1．燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004；2．河北省地震局秦皇岛中心台，河北秦皇岛 066199)

针对传统电容式传感器测量原油含水率的结构复杂，测量过程易受寄生电容和外界环境温度影响，设计了一种基于新型电容/电压转换芯片CAV444的原油含水率检测系统。原油含水率变化经电容传感器检测后表现为电容值的变化，再通过CAV444转换得到差分电压输出。实验表明：该设计稳定可靠，能满足工业现场需求，在现代化油田监测中具有应用价值。

含水率；电容传感器；CAV444；电容电压转换

0 引言

原油含水率是石油化工业的重要参数，对油井出油层位和开发寿命具有良好的预测作用。随着油井计量技术的不断完善与发展，电容式传感器以其测量原理简单、动态灵敏度高、安全性好等优点而得到广泛使用。由于测量的电容值多在pF级，任何外界环境的变化都会影响测量的准确性。因此，本文在采用同轴圆柱式电容传感器的同时，选用一种不受环境和寄生电容影响的CAV444电容/电压转换芯片，提高了测量的准确性。

1 电容式传感器测量原理

电容传感器是根据油水介电常数相差很大的电物理特性制成的。常温下油的相对介电常数为2.3左右，而水的相对介电常数约为80，当原油通过电容传感器两极板时，介电常数会随着含水率的不同而时刻发生变化，基于此原理，便可把测量的原油含水率的变化情况以电容值的变化表现出来[1]。

本文选用同轴圆柱电容传感器，在内电极涂绝缘材料聚四氟乙烯，使含水率测量范围达到100%。根据同轴柱状电容表达公式，忽略电极的边缘效应，可分别得到绝缘涂层电容和原油混合液对应的电容C1、C2表达式：

(1)

式中：r、R分别为传感器内外电极半径；ε1、ε2分别为绝缘涂层和原油混合液介电常数;δ为绝缘涂层的厚度；h为电极长度。

根据C1、C2的串联关系得到电容传感器电容CM

(2)

由式(2)可知，原油含水率与混合液的介电常数有关，通过测得的电容值即可换算出原油的含水率。文中所应用的同轴圆柱电容传感器的几何结构为：r=8 mm，R=16 mm，h=150 mm。在实际工况中，可以根据实际需要改变参数，扩大使用范围。

2 检测系统设计

检测系统设计由电容采集、温度采集、电容/电压转换、A/D转换、单片机、液晶显示以及通信等部分组成，如图1所示。电容传感器采集信号后，经过CAV444进行C/V转换，再经A/D转换后传送至单片机，然后在液晶模块上显示含水率。单片机选用超低功耗且功能强大的16位微控制器MSP430F149，其自带12位A/D转换器；液晶模块为微功耗，两行显示16字符的C1623；温度传感器为DS18B20，用于温度补偿。

图1 系统组成框图

本系统软件采用C语言进行编程，编译工具为Keil。系统的软件程序主要包括以下几部分：对系统程序进行初始化模块、单片机内部的A/D转换模块、检测按键是否被按下的扫描模块、数据处理及查表计算模块、温度补偿模块以及实时含水率显示模块。

2.1 CAV444性能特点

CAV444集成芯片可将测量电容信号直接转换成线性电压输出，兼顾了电容采集、信号处理和差分电压输出等功能，而且内置的温度传感器还可以使其避免环境温度的影响[2]。此芯片的工作温度范围为-40～85 ℃，电容检测范围为18 pF～2.2 nF。CAV444灵敏度高、抗干扰性强，其差分电压输出可直接联接到A/D转换电路上，模拟电路系统的测量分辨率只与电路本身的噪声有关[3]。此外，CAV444还提供一个校准应用软件Kali_CAV444.xls，用来确定元器件参数，使信号的校准更加简单。

2.2 C/V转换原理

CAV444的工作原理为：传感器测得的电容信号CM作为内置的测量振荡器的电容，通过对其不断进行充电和放电产生时钟脉冲，此时钟脉冲的周期与测量电容值的大小成线性关系。通过频率/电压转换后进行低通滤波，最后将输出一个直流电压信号，电路如图2所示。电阻RA用于频率电压转换电路供电电源的调节，管脚3为内置偏置电路，须与VCC相连，VOUT通过一个简单的电路就可以对输出信号进行零点和满度的调节[4]。

图2 CAV444信号路径和工作原理图

2.3 CAV444的电容电压转换

CAV444带满度调整和零点调整的输出信VOUT的传递函数如下

VOUT=VDIFF+VREF=G·VTPAS+B·VREF

(3)

式中：G、B分别为满度和零点调准系数；VTPAS为经过低通滤波器后的输出电压；VREF为参考压(2.5 V)。

(4)

(5)

(6)

式中：R2、R4、R5为100 kΩ固定电阻；R1、R3分别为满度和零点调节电阻；ΔVCM=2.1 V；CM为电容传感器待测电容值；CW是频率电压转换电容；电阻RCM和RCW与充放电电流大小有关[5]。

将输出信号进行调理后，式中所有的变量已经设为定值，根据式(3)和式(6)可以看出，输出电压VOUT是测量电容CM的函数VOUT=f(CM)，并且是线性关系。

2.4 零点和满度的调整

零点和满度的校准使用调试校准软件Kali_CAV444.xls。分别根据全油、全水情况确定电路测量电容值的范围约为20～800 pF，输入在参考电压下希望输出的电压范围为1.3～3.3 V，即可得到测量振荡器频率。测量振荡器电阻RCM=250 kΩ，频率电压转换器电容CW=500 pF，工作电源阻值RA=240 kΩ以及低通滤波器的滤波电容CF1、CF2范围。然后进行电路校准，把测量电容为最大值和最小值对应的电压输出分别代入软件，计算出要校准的校准电阻R1=36.8 kΩ和R3=107.28 kΩ，再将2个新的校准电阻替换原有的测量电阻，就完成了测量电路的调零和调满。

3 电容电压转换电路设计

设计的基本思路是利用电容传感器，将原油的含水率转换为电容的变化，再通过CAV444转换为电压信号，将模拟信号进行A/D转换后，通过单片机进行处理，最后在液晶模块上显示含水率。温度传感器DS18B20用于测量温度，并采用软件进行温度补偿。

实际电容电压转换电路如图3所示，选用电容分别为C7=500 nF，C8=C9=200 nF，C10=100 nF ；选用电阻为R8=250 kΩ，R9=500 kΩ，R10=R11=R12=100 kΩ，R15=240 kΩ，R13、R14分别为100 kΩ和200 kΩ的电位器。

图3 测量系统中的电容电压转换电路

4 标定及实验

在温度为30 ℃条件下，采用蒸馏法配比含水率从0%到100%的每10%间隔的若干组样品，对电容传感器进行标定，测出的各含水率对应的电压值。根据含水率与电压值的对应关系，用Matlab软件对数据进行拟合，实现含水率与电压值关系的线性化处理，得到含水率与电压值的关系曲线，如图4所示。函数关系式为y=1.731x2+0.004 4x+1.601，这样由测得的电压值，根据公式就可以计算出原油含水率。

图4 原油含水率与输出电压的对应关系图

在温度为30 ℃，压力为0.02 MPa，流速1.6 m/s条件下，用本仪器进行含水率测量结果，与蒸馏法测得结果作为标准含水率进行对比，测量结果如表1所示。

实验结果表明：本仪器的性能稳定，测量精度较高，测量误差绝大部分都在3%以内，满足工业现场的需求。

5 结束语

本文设计了基于CAV444的原油含水率检测电路，具有外围器件少、电路简单，电容测量不受外界温度变化影响等优点，可以实现原油含水率的在线高精度测量。CAV444作为一种新型的电容/电压转换芯片，可以广泛应用于各种电容传感器的转换电路，具有非常好的适用性及应用前景。

表1 实验测量数据 %

[1] 王莉田，王玉田，史锦珊，等.原油含水率测量仪的研究.传感技术学报，2000(1):44-48.

[2] 施林生，RAUCH N.电容式信号线性转换电压输出接口集成电路CAV44.仪表技术与传感器，2009(7):106-107.

[3] 阳志杰，倪文军，栗克国，等.基于CAV444的电容式波高传感器的设计与温度补偿.仪表技术与传感器，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的电容式液位传感器设计.工矿自动化，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

侯培国(1968—)，教授，博士，研究方向为计算机智能控制理论与应用、智能仪器设计等。E-mail:pghou@ysu.edu.cn