基于电导率的混油界面检测装置

何国玺， 梁永图， 李岩松， 方利民， 林默涵， 聂四明

(中国石油大学(北京) 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102200)

基于电导率的混油界面检测装置

何国玺， 梁永图， 李岩松， 方利民， 林默涵， 聂四明

(中国石油大学(北京) 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102200)

为了更好地测量管道顺序输送时的混油浓度变化，基于电导探针测量气液两相流持液率的原理，将电导探针改进并将其应用到管道混油浓度的检测中。利用改进后的实验装置，通过电导探针测量不同浓度的盐水得到对应输出信号，从而得到混合段的浓度变化情况。并对探针进行了标定实验，得到不同浓度下盐水浓度与输出信号的函数关系，以便将标定后的实验装置用于测量混油段在不同时刻和管道截面不同位置的混油浓度。

顺序输送； 电导探针； 混油； 测量； 浓度； 标定

随着国民经济的发展，成品油的需求量呈现不断上升的趋势[1]。长输管道工业的发展，可靠准确地对混油区的混油进行测量是进行成品油管道设计的基础[2]，也是实验室进行顺序输送混油研究时准确掌握混油变化的重要依据。混油测量装置安装在站点首末端进行混油浓度检测，以此根据混油浓度变化确定所输油品的混油通过时间，发送信号至闸阀切换装置进行准确的混油切割，将各段油品送至不同的储罐[3-4]。

目前，成品油管道上应用的最广泛的监控方法和仪表有以下几种：(1)基于油品密度差的原理，使用密度计进行混油检测[5-6]；(2)基于不同介质的折光率差异，利用光学检测系统进行混油界面检测[7]；(3)电容型仪表，这种测量装置的原理是根据混油介电常数的变化来确定顺序输送油品浓度的变化[9]；(4)基于油流内超声波传播速度变化的原理[10]。

电导探针测量气液两相流持液率的技术是基于安装在特殊管段上的两电极之间的电导与液膜厚度的关系来进行测量的[11]。本实验通过对电导探针实验装置进行改进，将其成功应用于测量管道中的混油浓度，具有方便准确的优点。

1 电导探针技术简介

电导探针测量持液率实验装置结构示意如图1所示。

图1 探针结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the probe structure

其原理是一定高度的液体电导与其高度存在一定的关系[12-13]。因此通过测量探针周围液体的电导率来得到液体高度。该方法的缺点是：①在管道截面上只能采集管中心处测量点的数据，不能全面反应管道某一截面上的总体的持液率分布和气液量变化特点；②本方案中由于要求测量的准确度高，而且需要测量某一径向的持液率变化规律，所以需要细小的探针贯穿整个管道，而在一定的流速冲击下，管中的探针特别是管道中心处的探针很可能会被冲刷变形，因此必须使用张弛装置紧固探针，但由于探针是被AB胶固定在管道上，所以张紧作用不一定能实现，故探针的变形对测量的精度影响不可忽略。

2 实验装置改进

2.1 测量原理

电导探针的测量原理：在流体成分和温度一定的情况下，导电流体的电导率是固定的，两探针之间测量介质的电导率随溶液(盐水)的质量浓度的变化而变化，并且有确定的关系，如式(1)所示：

式中，G为电导，S；R为电阻，Ω；ρ为电阻率，Ω·m；A为导体有效面积，m2；l为导体有效长度， m；γ为电导率,S/m。探针的结构如图2所示。通电电极在流体中形成电场，电力线主要分布在两级之间，导体有效面积A可以用浸入流体中的电极有效面积近似。电极间距离不变，故导体有效面积和导体长度不变。所以在盐水质量浓度一定时两极之间的电导L为常数。而在不饱和的盐水中其电导率γ与盐水的质量浓度C具有线性特征，即:

式中，C为盐水的质量浓度，kg/m3。

通过适当方法测量某一位置的电导，并通过对探针进行标定，就可以得到测量溶液的质量浓度。保持通电电极两端的电压不变，根据欧姆定律，流过电极的电流与两极间的流体电导成正比，即:

2.2 测量探针的制作与装置的结构图

实验中传感器两电极用直径0.3 mm的铂丝制作，两极间距离为0.4 mm，为稳固起见铂丝插入12#注射器针头(外径1.26 mm，内径0.9 mm)通过环氧树脂胶将铂丝与注射器针头进行绝缘，将针头外壁处理成绝缘，并留有电极针两端互不绝缘，然后将多对电极针通过环氧树脂胶固定在环形薄片上(内径26 mm，外径46 mm，厚度10 mm)。

探针制作过程如图2所示。具体制作步骤如下：

① 备好12#注射器针头和直径为0.3 mm的铂丝，裁切注射器针头和铂丝至合适长度，平整切口。

② 向聚四氟乙烯套管(内径0.46 mm，外径0.8 mm)插入铂丝，一端留1 mm、另一端留5 mm露出管外。

③ 插入铂丝的聚四氟乙烯套管插入准备好的12#注射器针头内。

④ 先用热缩管连接注射器和探针，再将注射器中混合好的环氧树脂缓慢推入探针中，取下注射器待环氧树脂固化即可。

图2 电导探针的制作过程

Fig.2 Fabrication process of conductance probe

将按上述方法制作的电导探针固定在环形垫片上就可以测量管道横截面上四个不同测点液体的瞬时电导值，该传感器安装在实验管段的测试段的末端[6]。图3是测量装置的结构图。

2.3 探针输出信号处理电路

探针的输入信号来源于外部信号发生器，本实验信号是频率为10 kHz，幅值为5 V的交变电压信号，利用此信号作为载波信号，为了获得溶液浓度与探针输出的定量关系，需对探针输出信号进行解调，设计出探针输出信号电子处理电路，如图4所示。电路有四部分组成：(1)电流、电压转换；(2)全波整流；(3)二阶低通滤波；(4)信号放大电路。最后得到反应溶液质量浓度的直流电压信号。探针输出信号经过测量电路后利用A/D高速采集板进行采集。

图3 环形测量装置结构(单位：mm)

Fig.3 Schematic diagram of the ring measurement device structure

图4 测量装置探针输出信号处理电路示意

Fig.4 Circuit schematic of probe of the testing device

2.4 具体实施方式

两个装置安装在实验管道上，接上直流电源分别给探针和通讯转换模块提供24 V电源，采集到的电流信号输出接入数据采集模块，数据采集模块再通过数据线连接到计算机。该装置在实验管道上的安装实施方式如图5所示。

该装置将图2所示制作的探针，依图3的构成图制作成完整的装置，然后通过焊接在试验管道上的两个法兰进行固定，法兰接触面与检测装置接触面之间用聚四氟乙烯垫片进行密封。如图5所示，前后两个界面检测装置安装在管道上，前面一个装置检测量程低，后面装置检测量程高，两个装置安装在管道上配合使用以提高该装置的检测精度[6]。

图5 检测装置在实验管道上的实施方式

Fig.5 The accomplish method of the interface detection device in the setup

3 实验结果及分析

3.1 探针的标定

电导探针测量溶液质量浓度的原理在于溶液电导与探针输出信号存在一定的关系，但对于电导探针的理论还不成熟，因此在使用前必须进行标定，以获得溶液质量浓度与探针输出信号的关系。

探针标定方法：①配置好不同质量浓度的盐水，盐水的配置方法为每次向一定容积的烧杯中加入一定量的食用盐，每加一次盐晶用波美计测量盐水密度；②依如图1所示方式制作好单根探针，将两个探针用AB胶固定好，连接上信号线，连入数据采集器并把探针固定在纸板上使探针尖端浸入盐水；③配置某一定质量浓度的盐水，测量其密度，打开数据采集器，测出在该盐水质量浓度下的电流输出值；④拿开纸板向烧杯中加入一定量的实验固体颗粒，重复步骤；③测出多组数据；⑤分析处理结果，做出拟合结果进行标定；⑥进行上述步骤测出配置到某一定盐水质量浓度结束时的多组数据[7]。

3.2 标定实验结果

进行多组实验，表1为两组盐水溶液达到饱和和未达到饱和两种情况下的标定实验结果。

其中，m0为清水的密度，1.007 g/mL；m1为最后一次测量的盐水的密度，g/mL；mx为任意一次测量盐水的密度，g/mL。

(1) 实验数据

① 实验组1，配置盐水终点密度为1.260 g/mL。

② 实验组2，配置盐水终点密度为1.334 g/mL。

表1 标定实验结果数据Table 1 Calibration results

续表1

(2)实验数据处理图

两组不同盐水密度时盐水浓度与电流输出的关系曲线如图6、7所示。

图6 配置盐水密度达到1.260 g/mL时无量纲盐水浓度与输出电流值的关系

Fig.6 The correlation between solution density and exporting current at solution density=1.260 g/mL

3.3 标定实验结果分析

图6和图7分别为配置盐水密度为1.260 g/mL和达到饱和浓度1.334 g/mL时盐水浓度与电流输出的关系曲线。由图6和图7可知，盐水的无量纲浓度(mx-m0)/(m1-m0)与数据采集器的输出电流值呈线性关系，而由第二组数据可知当配置盐水达到饱和时盐水无量纲浓度与电流输出值偏离拟合的线性关系线，即取低浓度时的不完全数据要比完全数据拟合的线性度要好，其原因是因为盐水达到饱和时盐水的导电率与盐水的浓度不成线性关系，另一个原因是使用的自来水的硬度过高影响实验的测试结果。

图7 配置盐水密度达到饱和1.334 g/mL时无量纲盐水浓度与输出电流值的关系

Fig.7 The correlation between solution density and exporting current at solution density=1.334 g/mL

4 结论

实验基于电导探针测量气液两相流中持液率的原理，通过对电导探针的改进，并对探针进行实验标定，结果表明盐水的无量纲浓度与输出电流呈线性关系。因此，若将此装置应用于管道顺序输送时混油浓度的检测中，则可以根据输出电流的强度来检测混油的浓度。

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(编辑 王亚新)

An Interface Detection Device for Mixed Oil Based on Conductivity

He Guoxi, Liang Yongtu, Li Yansong, Fang Limin, Lin Mohan, Nie Siming

(BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasTransportationTechnology，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102200，China)

In order to measure the concentration of mixed oil transported in pipeline more precisely, the conductivity probe is modified and applied to determin concentration of mix oil in the pipeline based on the principle of the conductance measurement of gas-liquid two-phase flow's liquid holdup. The experimental apparatus can be used to calibrate the probe by measuring the different concentration of brine to obtain the corresponding output signal. The calibrated experimental apparatus can easily measure the concentration of mixed oil at different times and different positions of the pipeline cross section.

Order delivery； Conductivity probe； Mix oil； Measurement； Concentration； Calibration

1006-396X(2017)03-0061-05

2016-12-09

2016-12-22

国家自然科学基金项目(51474228)；北京市科学研究与研究生培养共建项目(ZX20150440)。

何国玺(1989-)，男，博士研究生，从事长输油气管道与油气田集输相关技术研究；E-mail：heguoxicup@163.com。

梁永图(1971-)，男，博士，教授，博士生导师，从事长输油气管道与油气田集输相关技术研究；E-mail：liangyt21st@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.03.011

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn