一种基于CAV424的电容含水率测量系统设计*

马舜祺,刘兴斌,,荣远宏,侯昱东,王延军,付长凤,韩连福

(1.东北石油大学电子科学学院 黑龙江 大庆 163000；2.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163000；3.大庆油田有限责任公司井下作业分公司 黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

在石油开采、生产过程中，原油含水率是一项重要的指标。测量含水率能为原油的开采提供重要的信息，确保生产处于最佳的状态，从而提高开发效率。传统的测量方法对原油人工采样，采样后通过蒸馏法、化学试剂法、离心法、电脱法等方式进行处理，其采样的时间间隔长、采样量小，以至于其采样不具有代表性；且离线人工法人、物资源的投资较大，难以满足油田现代化系统的需求。目前常用的在线含水率测量方法有密度法、微波法、射线法、超声波法、电磁波法、电容法等[1-2]。电容法测量含水率是目前最常用的一种含水率测量方法。电容法是利用电容两极板间的油水混合液的平均介电常数与油水混合液的含水率有关的原理实现原油含水率的测量，其相较于其他几种方法具有：环境适应范围广、灵敏度高、热稳定性好、对环境影响小、电路简单、易操作、成本低等优点[3-4]。

本文研制了一种基于CAV424的原油含水率测量系统，该系统采用带屏蔽环的同轴圆柱电容传感器，并利用CAV424集成芯片将电容传感器产生的信号转换成电压信号。由FPGA处理器完成控制高速16位A/D转换器采集电压信号、数据运算、含水率显示、计算机通讯的工作。

1 电容传感器结构及测量原理

同轴电容传感器结构如图1所示，当同轴电容传感器电极裸露时，被测得原油直接接触两级，随着含水率的增加，导电的影响不定，有时大，有时小，使传感器不能正常工作，因此在电极表面添加了绝缘层。由于电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容所形成的寄生电容缺很大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容是随机变化的，使得仪器工作很不稳定，从而影响测量精度，甚至传感器无法正常工作。传感器内外绝缘壁之间由电极构成，内外电极贴附在绝缘层上，并且电极上下有相应的绝缘环以便将寄生电容的影响降至最低。通过测量两个内圆柱形电极之间的介电常数，从而通过计算得到含水率。r1为内导体外径，r2为绝缘层外径，r3内圆柱形电极外径，r4外圆柱形电极内径，mm，L是内外极板的长度[5],cm。

图1 同轴电容传感器结构图

油水混合物的相对介电常数εmix的计算公式包括：并联公式、串联公式、对数公式、H-B公式、雷列伊公式、串并联公式等[6]，应用不同的计算公式时，油水混合液的相对介电常数相差较大。其中串并联公式不受含水率的大小和油水混合状态的影响，与测量值最为接近，故采用串并联的方式进行油水混合液相对介电常数的计算。

油水混合介质中，对于极性水分子而言错综复杂的分界面相对于极化场既有串联又有并联，可采用并联系数k描述混合极性状态，且k与原油含水率相关，即k与原油中水量所占原油总数中的百分比存在线性关系，可表示为：

(1)

根据式(1)可知，当内外电极间距R、内外圆柱电极程度L保持不变时，当两极板中具有不同的介质时(即油水混合物的体积混合比不同时)，其相对介电常数ε1不同，电容传感器的电容量也会有所不同。

ε1是油水混合液的相对介电常数；ε2绝缘的相对介电常数；ε0真空的相对介电常数。根据电容计算公式，同轴圆柱形电容传感器电容如式(2)：

(2)

得出原油的含水率与电容传感器的电容值成一定的函数关系，即式(3)[7,8]：

(3)

由上可得当电容传感器的内外电极半径R、r,内外电极的长度L，油、水和绝缘层的相对介电常数一定时，由于水的相对介电常数(80)远远大于油的相对介电常数(2左右)，通过测量电容传感器的电容值计算出混合溶液的介电常数从而计算出含水率，这就是电容法测量含水率的原理。通过公式模拟得出，电容相对值与含水率的关系如图2所示。

图2 含水率与电容关系示意图

其中横坐标为含水率，纵坐标为电容相对值，可以看出，电容值与含水率成曲线线性关系，则可以采用电容法测量原油的含水率，更能准确的描绘油水混合模型。

2 系统设计

2.1 硬件设计

本测量系统结构如图3所示，将同轴电容传感器与CAV424新型集成芯片相接，将其采样到的电容信号转化为电压信号。通过信号调理电路对电压信号进行处理，然后经过16位的AD7705芯片进行高速高精度A/D转换，将电压信号转换为FPGA可识别的数字信号。

图3 测量系统结构图

FPGA通过采样到的数字信号分析采集油水混合物的电容大小，得出油水混合物的含水率，并将其通过液晶屏显示。由于传统的电容测量电路抗干扰能力差、测量范围小、电路复杂，本系统采用CAV424集成芯片实现电容传感器的信号采集。CAV424是一个多用途的处理各种电容式传感器信号的完整转换接口集成电路，它同时具有信号采集(相对电容量变化)、处理和差分电压输出的功能[9]。CAV424集成芯片应用电路如图4所示。

图4 FPGA控制图

其中，一个通过电容COSC频率可调的参考振荡器驱动两个积分器并使他们在时间和相位上同步。两个被控制的积分器的振幅分别由电容CX1和CX2来决定，这里CX1作参考电容，CX2作为测量电容。由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以两个振幅的差值所提供的信号就反应出两个电容CX1和CX2的差值。这个电压差值通过后面的有源滤波器滤波为直流电源信号，然后送到可调的放大器，调整RL1和RL2的值，可得到所需要的输出电压值[10]。CAV424可以检测相对于参考电容5%～100%范围的电容值。比如CX1作为参考电容取值范围在10 pf～1nF,那么相应的被测电容CX2的值在10pF+Δ(0.5～10)pF和1nF+Δ(0.05～1)nF之间，大大增加了测量范围。采取EMV抗干扰措施是在外接电容CM和CR中串联了电阻Remvm和Remvr。此电阻与寄生电容以及集成电路内部的电容一起形成低通滤波器，抑制了高频干扰信号，因此具有一定的抗干扰性。CAV424芯片4角和5角之间的差分信号作为电容转换后的电压信号OUT送入AD转换芯片的输入端，系统使用16位的AD7705芯片进行高速高精度A/D转换，将电压信号转换为FPGA可识别的数字信号,再利用刻度图版，得到原油含水率值。由于水的实际介电常数随温度的变化而变化，CAV424集成了一个内部温度传感器，它可以直接向FPGA处理器提供温度信号，用于温度补偿，节省部件，简化电路[11-12]。由于在电容传感器中增加了屏蔽环，大大减少了寄生电容对电路的影响，而CA424测量的电压波动直接通过FPGA控制的AD7705芯片转换成可直接观察的电容值，这样节约了大量转换步骤，也发挥了FPGA高速处理的优点。

2.2 软件设计

本系统的软件部分由CAV424和Verilog的编写构成。CAV424测得的电压差值通过FPGA控制传输到AD7705的SPI时钟16分频之后给串转并的输出控制。通过FPGA的开发工具QuartusⅡ编写代码调用16位移位寄存器，待16位数据都接受到后一次输出给内部处理，提供给AD7705[13-14]。

判断AD7705的DATA READY引脚DRDY，转换结束后，依次将数据读入，并移位，读入十六位转换值之后，并行输出一次。图5为FPGA控制AD7705工作状态流程图。通过依次向AD发送0x20(写入通信寄存器，设置为写时钟寄存器),0x0c(MCLKIN引脚处的时钟频率在被AD7705使用前，进行二分频，20 Hz输出更新率，即每50ms输出一个新字),0x10(写入通信寄存器，设置为写寄存器),0x44(自校准，增益为1，单极性模拟输出，片内缓冲器短路，FSYNC清0),0x38(通信寄存器中，设置为读数寄存器)指令，进而判断中断引脚是否为低电平，如果为低，则进行数据转换，图为双通道AD转换模式，左右相反，同时进行AD双通道转换，进而通过FPGA控制将结果显示在液晶屏上。

图5 AD7705状态图

3 实验结果分析

外部条件温度为36.5 ℃，压强为0.05 MPa,流速为2.0 m/s的条件下，使用检测系统测得各种情况下原油的含水率见表1。

表1 实验结果 %

从表1数据可知，实际的含水率在0到40%范围内与该系统检测的含水率相对误差最大为1.92%，表明该系统的测量的相对误差为2%，符合实际测量的要求。

4 结 论

该系统采用带屏蔽环的同轴圆柱电容传感器，且利用CAV424集成芯片将电容传感器产生的信号转换成电压信号。由FPGA处理器完成控制高速16位A/D转换器采集电压信号、数据运算、含水率显示、计算机通讯的工作。实验结果表明，该测量系统的相对误差为2%。该系统具有结构简单、处理速度快、抗干扰性强、测量范围广、计算精度高的优点。