專利名稱：差壓式原油含水分析儀及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體測量裝置，具體地說是一種用于檢測原油含水量的儀器。
背景技術(shù)：
對于油田管理來說，原油含水率是一項十分重要的基礎(chǔ)參數(shù)，原油含水量的大小 既關(guān)系到油田采出液的管輸總量和加溫能耗，也關(guān)系到管道設(shè)備的結(jié)垢腐蝕，并影響后期 的煉油加工工藝。因此必須對含水率進行準確計量與控制。
原油含水率也是原油交接計量的一項重要指標它是原油出廠質(zhì)量的重要檢驗指 標之一，對企業(yè)信譽有著重要影響又是原油產(chǎn)量計量的中間參量，對原油交接計量的準 確性和數(shù)以萬噸的計量誤差有著直接影響。因此為保證原油品質(zhì)的穩(wěn)定可靠及其交接計 量的準確公正，國內(nèi)外對原油出廠含水率和含水計量的準確性均制定了相關(guān)標準，我國在 SY7513-88《出礦原油技術(shù)條件》中規(guī)定，出廠原油的含水率不得大于3%，在GB9109. 1-88 《原油動態(tài)計量一般原則》中規(guī)定，作為貿(mào)易結(jié)算用的含水儀表極限誤差應(yīng)在±0. 1%以內(nèi)， 分辨率應(yīng)為±0. 01%。
如何快速準確的檢測原油含水率？這是油田長期以來面對的難題。盡管目前市場 上有一二十種含水分析儀，但均不能在計量準確性和運行穩(wěn)定性上都滿足生產(chǎn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠方便、快捷、準確地測量出不同狀況之原油含水 量的新型測量儀器一一差壓式原油含水分析儀。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的
本發(fā)明之差壓式原油含水分析儀，主要由單片機、差壓變送器、控制電路、電源組、 指示電路、顯示屏、光電開關(guān)組、電機、電機驅(qū)動模塊、齒輪傳動機構(gòu)、信號調(diào)理電路、電控球 閥和管柱構(gòu)成。
控制電路與單片機和電控球閥電連接；單片機分別與差壓變送器、顯示屏、光電開 關(guān)組、電機驅(qū)動模塊、信號調(diào)理電路電連接；電源組與顯示屏、差壓變送器及信號調(diào)理電路、 單片機、控制電路、光電開關(guān)組、電機驅(qū)動模塊和電控球閥電連接，為之供電；光電開關(guān)為二 個，相互并聯(lián)，相互獨立運行；電控球閥有2個，分別連接2個管柱，起到開關(guān)作用；電機驅(qū) 動模塊指令電機運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動齒輪傳動機構(gòu)，齒輪傳動機構(gòu)與光電開關(guān)組相連，帶動光電 開關(guān)組垂直移動。
所述光電開關(guān)組，含有固定在該平臺上的光電開關(guān)，光電開關(guān)可隨光電平臺一起 垂直移動。
所述信號調(diào)理電路，是壓力變送器的下游電路，為單片機傳遞信號，主要由電阻和 信號隔離組件構(gòu)成，信號隔離組件將差壓變送器傳回的電流信號進行過濾，凈化電流信號， 再用串聯(lián)電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，由于此電阻阻值較大，起到了放大信號的作 用。
本發(fā)明的工作原理是
電控球閥與管柱相連，作為存放管柱液體的閥門，通過控制電路打開或者關(guān)閉閥 門，起到排液的目的；
控制電路發(fā)送指令至單片機，單片機根據(jù)指令執(zhí)行，并將信號發(fā)送至電機驅(qū)動模 塊和光電開關(guān)組，電機通過齒輪傳動機構(gòu)帶動光電開關(guān)組從基準平面向上移動。同時光電 開關(guān)掃描管柱，當?shù)谝粋€光電開關(guān)移動至凹形液面時，其高低電平開始轉(zhuǎn)換，此時光電開關(guān) 將信號傳送至單片機并保存數(shù)據(jù)。光電開關(guān)組繼續(xù)向上移動，直至第二個光電開關(guān)高低電 平轉(zhuǎn)換才停止移動，并將信號傳回單片機且保存數(shù)據(jù)。
在工作過程中，信號調(diào)理電路將差壓變送器信號進行整理，最終將數(shù)據(jù)傳回單片 機，單片機將傳回的數(shù)據(jù)運算，并將含水量結(jié)果顯示在液晶屏上。期間單片機也會將其他數(shù) 據(jù)，如溫度、液體高度、電壓值等，通過液晶屏顯示。
該分析儀進行含水測量的方法和步驟如下
I)對原油中分離出來的純水標定——純水單位脈沖電壓變化量U水
向2個管柱中注純水，液面高度必須高于光電開關(guān)基準平面，且兩者高度不等。由 于光電開關(guān)組的移動是由單片機發(fā)送脈沖，觸發(fā)電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪帶動整個平臺垂直移 動，單片機每發(fā)送一個脈沖，平臺移動一定的高度，所以測量管柱中液體的高度可以等量為 單品機發(fā)送的脈沖數(shù)。向2個管柱中注純水，液面高度須高于光電開關(guān)基準平面，且兩者高 度不等；通過控制電路運行儀器，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N1 ;同時單 片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U1 ;電機復位后再向管柱I中倒入適量純水，再次啟動電機，光 電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N2 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U2 ;由 于U值與N值成線性關(guān)系，單片機根據(jù)兩者數(shù)據(jù)，計算
U 水=(U2-U1) / (N2-N1)；
2)對原油中分離出來的純油標定——純油單位脈沖電壓變化量Utt
管柱2中的水不變，將管柱I中的純水替換成純油，液面高度必須高于光電開關(guān)基 準平面；通過控制電路運行儀器，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)為N3,同時 單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U3 ;電機復位后再向管柱I中倒入適量純油，再次啟動電機， 光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N4 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U4 ； 由于U值與N值成線性關(guān)系，單片機根據(jù)兩者數(shù)據(jù)，計算:U油=(U4-U3)/(N4-N3)；
3)當?shù)卦蜏y量——原油單位脈沖電壓變化量U原油
管柱2中的水不變，將管柱I的純油替換成原油，液面高度必須高于光電開關(guān)基準 平面；通過控制電路運行儀器，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N5 ;同時單片 機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U5 ;電機復位后再向管柱I中倒入適量純油，再次啟動電機，光電 開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N6 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U6 ;由于U 值與N值成線性關(guān)系，單片機根據(jù)兩者數(shù)據(jù)，計算U·= (U6-U5)/(N6-N5)；
4)單片機根據(jù)上述U#、UP U·，做出計算
原油含水星=(U原油-U油)/ (U水-U油)*100
最后以百分數(shù)的形式給出測試結(jié)果。
本發(fā)明根據(jù)水和油之間的密度不同，利用高精度差壓變送器和單片機控制電路， 將原油的含水量最終顯示在液晶屏上。
本發(fā)明應(yīng)用差壓變送器工作原理，即來自雙側(cè)管柱的差壓直接作用于變送器之 傳感器雙側(cè)隔離膜片上，通過膜片內(nèi)的密封液傳導至測量元件上，測量元件將測得的差壓 信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號。在本發(fā)明中，此電信號以電壓的形式表現(xiàn)。由于此電壓變 化量與水或油的高度成線性關(guān)系，因此可以用純水、純油和原油分別計算得出單位脈沖電 壓變化量；最后通過單片機計算出原油的含水量。本發(fā)明之含水分析儀，實現(xiàn)了方便、快捷、 準確地測量出不同狀況原油的含水量，測量精度可以達到其他產(chǎn)品所達不到的0.01%甚至 更高的分辨率。
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明做進一步說明


圖1、本發(fā)明實施例的電路原理框圖2、本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖3、本發(fā)明實施例的工作流程示意圖。
具體實施例方式
圖1顯示了本實施例的電路原理
本實施例主要由單片機、差壓變送器、控制電路、電源組、指示電路、顯示屏、光電 開關(guān)組、電機、電機驅(qū)動模塊、齒輪傳動機構(gòu)、信號調(diào)理電路、電動球閥、管柱和箱體構(gòu)成。圖 中實線箭頭表示電連接關(guān)系，虛線箭頭表示信號傳輸關(guān)系。
電源電路將產(chǎn)生的15V、5V和3. 3V直流電壓，供應(yīng)各個模塊；
單片機采用MSP430系列芯片，該芯片的型號為MSP430F149 ；
液晶顯示電路用來顯示操作流程和測量結(jié)果；
LED指示電路用來指示儀器工作相關(guān)狀態(tài)；
光電開關(guān)電路處理兩個光電開關(guān)輸出的信號，送入單片機進行處理；
功能選擇模塊通過按鍵輸出給單片機來進行純水、純油的標定、含水率的測量以 及系統(tǒng)的復位，按鍵信號送入單片機處理；
差壓變送器輸出信號調(diào)理電路用來測量兩管柱液體之間的差壓，輸出電流信號， 調(diào)理電路將電流轉(zhuǎn)換成電壓并送入單片機檢測；
電機驅(qū)動模塊用來提供步進電機驅(qū)動和正反轉(zhuǎn)信號，以及單片機系統(tǒng)與電機的光 電隔離。
測量高度系統(tǒng)本實施例之原油含水分析儀，能夠測量液面高度——目的在于計 算出UrldP 采用單片機直接發(fā)送脈沖給伺服電機驅(qū)動模塊，再由驅(qū)動模塊驅(qū)動伺 服電機工作，通過齒輪傳動，將光電開關(guān)組沿著帶螺紋的金屬桿上下移動。當光電開關(guān)移 至管柱的凹型液面時，光電開關(guān)高低電平轉(zhuǎn)換，并將信號傳輸至單片機，單片機停止發(fā)送脈 沖，并將此時的脈沖數(shù)保存用于高度計算。由于單片機每發(fā)送一個脈沖，伺服電機轉(zhuǎn)動一 下，齒輪傳動一次，光電開關(guān)組上或下移動一定距離。如此一來，即可算出光電開關(guān)組從原 點至液面的距離，進而算出液面的高度。其液面高度值在原油含水量計算中以脈沖數(shù)的形 式參與運算。
含水量計算兩管柱內(nèi)徑相同，則水在油中的含量可以用高度來計算。為了測出原油含水量，需要做2次標定計算出原油中純水的單位脈沖電壓變化量和原油中純油的單位 脈沖電壓變化量。用當?shù)卦头蛛x出純水和純油，分別用純水和純油標定，得出對應(yīng)的單位 脈沖電壓變化量。最后用原油和純水做測量，同理測出原油單位脈沖電壓變化量，單片機根 據(jù)這3個單位脈沖電壓變化量最終計算出含水量，并最終顯示在液晶屏上。
含水量的具體計算方法，如前面發(fā)明內(nèi)容所述。
圖2顯示了本實施例的硬件結(jié)構(gòu)
主要由管柱1、管柱2、差壓變送器組成，管柱I與差壓變送器正極相連，管柱2與 差壓變送器負極相連。
圖3顯示了本實施例的的工作流程如下
裝置通電后，進入待機狀態(tài)，掃描按鍵電路，以選擇相應(yīng)的功能。儀器第一次使用 時需要進行初始標定，標定順序為先標定純水，其次標定純油，最后原油測量。
標定過程如下在管柱2內(nèi)倒入純水，光電開關(guān)2監(jiān)測最低液位，液位達到后，單片 機對差壓變送器輸出的模擬信號進行AD轉(zhuǎn)換，指示燈I亮起，以此指示管柱2內(nèi)的純水或 純油的倒入量在可測范圍內(nèi)。再向管柱I倒入純水，使其電壓在量程范圍之內(nèi)，完成后，通 過按鍵啟動電機，電機上升帶動光電開關(guān)I進行純水液面檢測，以此確定液位,并將達到液 面時的脈沖個數(shù)和AD結(jié)果分別存入單片機內(nèi)存。第一次測量液位完成進行電機的復位之 后，再向管柱I注適量的純水，使其電壓在量程范圍之內(nèi)，再啟動電機，電機上升帶動光電 開關(guān)I進行純水液面檢測。通過2此的測量采集2次脈沖數(shù)和2次對應(yīng)的電壓數(shù)參與單片 機計算，完成純水標定。純油標定和原油測量方法同上，保持管柱2不變，將管柱I替換成 純油或原油。測量完成之后，含水率結(jié)果將發(fā)送至顯示屏進行顯示。
具體操作如下
純水標定按住按鍵2，開始標定純水，向管柱2倒入純水，直至指示燈I亮起，再 開始向管柱I倒入純水，當電壓顯示在量程范圍內(nèi)，可以停止注水；啟動電機，光電開關(guān)開 始測量管柱高度的脈沖數(shù)，測量結(jié)束后使電機復位，再次向管柱I倒入適量純水，使電壓 顯示在量程范圍內(nèi)，啟動電機，光電開關(guān)開始測量管柱高度的脈沖數(shù)，測量結(jié)束后使電機復 位。啟動電控球閥，排除管柱I的純水，標定完畢。
純油標定按住按鍵2，開始標定純油，向管柱I倒入純油，直至電壓顯示在量程范 圍內(nèi)，可以停止注純油；啟動電機，光電開關(guān)開始測量管柱高度的脈沖數(shù)，測量結(jié)束后電機 復位，再次向管柱I倒入適量純油，使電壓顯示在量程范圍內(nèi)，啟動電機，光電開關(guān)開始測 量管柱高度的脈沖數(shù)，測量結(jié)束后使電機復位。啟動電控球閥，排除管柱I的純油，標定完 畢。
原油測量按一下按鍵3，開始測量原油，向管柱I倒入原油，直至電壓顯示在量程 范圍內(nèi)，可以停止注原油；啟動電機，光電開關(guān)開始測量管柱高度的脈沖數(shù)，測量結(jié)束后電 機復位，再次向管柱I倒入適量原油，使電壓顯示在量程范圍內(nèi)，啟動電機，光電開關(guān)開始 測量管柱高度的脈沖數(shù)，測量結(jié)束后使電機復位。啟動電控球閥，排除管柱I的原油，在顯 示屏上顯示原油含水量。測量完畢。
權(quán)利要求
1.差壓式原油含水分析儀，有單片機、外圍電路、顯示屏；其特征在于有差壓變送器、控制電路、電源組、指示電路、光電開關(guān)組、電機、電機驅(qū)動模塊、齒輪傳動機構(gòu)、信號調(diào)理電路、電動球閥和管柱；控制電路與單片機和電控球閥電連接；單片機分別與外圍電路、差壓變送器、顯示屏、光電開關(guān)組、電機驅(qū)動模塊、信號調(diào)理電路電連接；電源組與顯示屏、差壓變送器及信號調(diào)理電路、單片機及外圍電路、控制電路、光電開關(guān)組、電機驅(qū)動模塊和電控球閥電連接，為之供電；電控球閥有2個，分別連接2個管柱，起開關(guān)作用；電機驅(qū)動模塊指令電機運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動齒輪傳動機構(gòu)，齒輪傳動機構(gòu)與光電開關(guān)組相連，帶動光電開關(guān)組垂直移動； 所述光電開關(guān)為二個，相互并聯(lián)，彼此獨立運行； 所述光電開關(guān)組，含有固定在該平臺上的光電開關(guān)，光電開關(guān)隨光電開關(guān)組一起垂直移動； 所述信號調(diào)理電路，主要由電阻和信號隔離組件構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述差壓式原油含水分析儀的測量方法，其特征在于，由下述方法步驟進行 1)對原油中分離出來的純水標定 向2個管柱中注純水，液面高度須高于光電開關(guān)基準平面，且兩者高度不等；通過控制電路運行儀器，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N1 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U1 ;電機復位后再向管柱I中倒入適量純水，再次啟動電機，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N2 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U2 ;由于U值與N值成線性關(guān)系，單片機根據(jù)兩者數(shù)據(jù)，計算:U水=(U2-U1V(N2-N1)； 2)對原油中分離出來的純油標定 管柱2中的水不變，將管柱I中的純水替換成純油，液面高度必須高于光電開關(guān)基準平面；通過控制電路運行儀器，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)為N3,同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U3 ;電機復位后再向管柱I中倒入適量純油，再次啟動電機，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N4 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U4 ;由于U值與N值成線性關(guān)系，單片機根據(jù)兩者數(shù)據(jù)，計算:U油=(U4-U3)/(N4-N3)； 3)對原油進行含水量測量 管柱2中的水不變，將管柱I的純油替換成原油，液面高度須高于光電開關(guān)基準平面；通過控制電路運行儀器，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N5 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U5 ;電機復位后再向管柱I中倒入適量原油，再次啟動電機，光電開關(guān)組移動測得管柱I液面高度的脈沖數(shù)N6 ;同時單片機采集信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)U6 ;由于U值與N值成線性關(guān)系，單片機根據(jù)兩者數(shù)據(jù)，計算:U原油=(U6-U5)/(N6-N5)； 4)單片機根據(jù)U71^U_和Uii^，計算原油含水量 原油含水星=(U原油_U油)/ (U水-U油)*100 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測原油含水量的儀器——差壓式原油含水分析儀及其測量方法。主要由單片機、顯示屏、差壓變送器、控制電路、光電開關(guān)組、信號調(diào)理電路、電動球閥和管柱等，電控球閥有2個，分別連接2個管柱；電機帶動光電開關(guān)組垂直移動。本發(fā)明應(yīng)用差壓變送器工作原理，通過膜片內(nèi)的密封液傳導至測量元件上，將測得的差壓信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號，進而用純水、純油和原油分別計算得出單位脈沖電壓變化量，最后通過單片機計算出原油的含水量。本發(fā)明之含水分析儀，實現(xiàn)了方便、快捷、準確地測量出不同狀況下原油的含水量，測量精度可以達到0.01％以上的分辨率。
文檔編號G01N27/60GK102998359SQ20121036269
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者劉寶軍 申請人:劉寶軍