CN113176306A - 一种用于计算罐体内油水比的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于计算罐体内油水比的装置及方法，装置包括：电容传感器以及显示装置；电容传感器与罐体的进液管道串联，进液管道内的油液流经电容传感器进入罐体内，电容传感器与显示装置连接，电容传感器用于根据油液产生电容信号并发送至显示装置；显示装置根据电容信号计算油液的介电常数，并根据介电常数以及油液的温度计算并显示油液的油水比。本发明根据油液油水比的变化对应油液介电常数的变化这一特性来计算油液的油水比，同时考虑了油液的温度对油液介电常数的影响，对温度进行了补偿，使油水比的测量结果更加准确，并且具有测量方便，节约人力以及能在线实时检测的的优点，同时还能提高油罐的使用效率。

Description

一种用于计算罐体内油水比的装置及方法

技术领域

本发明涉及油水比计算领域，特别是涉及一种用于计算罐体内油水比的装置及方法。

背景技术

当前国内常见的原油含水率测量技术主要可分为两个方面。一方面为离线的人工测量法，主要包括蒸馏法、电脱法、卡尔—费休法；另一方面是自动化在线实时检测法，主要包括电导法、射线衰减法、微波透射法、BP(Back Propagation)神经网络模型、射频法等。目前，石油工业中解决原油含水率测量问题的传统做法是离线蒸馏法。石油生产行业中，通常按照《原油水含量测定法—蒸馏法》进行蒸馏法测量，具体做法是将一定现场采样与非水溶性的溶剂混合并缓慢加热，当混合液共沸时蒸发进入接收器，由于各相密度同而相与相间分离。水的相对密度大于溶剂，从而沉降入刻度管内，反复加热冷凝直至所有水分沉降至刻度管内。由于该方法的溶剂为二甲苯，有一定毒性，对人体与油品都有危害，并且人工采样不具备实时性，虽准确度高，但浪费时间、耽误人力，不能实现在线测量。电脱法、卡尔—费休法的应用也存在着同样的局限性。国内针对油液比例的开发比较有限，产品很少，标准化、通用化、模块化程度不够。

现有的能实现在线实时监测的方法中，有国外利用油液的介电常数随油水比变化这一特性来完成油液监测，但应用这种方法时只考虑了油水比对介电常数的影响，并没有考虑油液的温度对介电常数的影响，导致所测量的油水比的准确性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于计算罐体内油水比的装置及方法，实现油液罐体内油水比的实时显示，解决了现有油水比测量技术中侧重油液的油水比对介电常数的影响，温度补偿不足，从而导致测量的油水比的准确性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于计算罐体内油水比的装置，包括：电容传感器以及显示装置；

所述电容传感器与罐体的进液管道串联，所述进液管道内的油液流经所述电容传感器进入所述罐体内，所述电容传感器与所述显示装置连接，所述电容传感器用于根据所述油液产生电容信号并发送至所述显示装置；

所述显示装置用于根据所述电容信号计算所述油液的介电常数，并根据所述介电常数以及所述油液的温度计算并显示所述油液的油水比。

可选地，还包括：液位计；

所述液位计设置在所述罐体的内部，并与所述显示装置连接；所述液位计用于测量所述油液的高度，并将所述油液的高度信号发送至所述显示装置；

所述显示装置用于根据所述油水比计算并显示所述油液的油水体积比，并根据所述高度信号与所述油水体积比计算并显示所述油液的体积、油的体积以及水的体积。

可选地，所述电容传感器为圆环形筒状传感器，所述电容传感器的阳极为圆环的内环，所述电容传感器的阴极为圆环的外环。

可选地，所述电容传感器的阳极直径、所述电容传感器的阴极直径以及所述进液管道的内径的关系为：

d₁为所述电容传感器的阳极直径，d₂为所述电容传感器的阴极直径，d₃为所述述进液管道的内径。

可选地，所述电容传感器的阳极直径与所述进液管道的内径相等。

可选地，还包括：信号分配器；所述信号分配器与所述液位计、所述显示装置以及罐体监测设备连接，所述信号分配器用于将所述液位计输出的高度信号进行分配，并发送至所述显示装置以及罐体监测设备，所述显示装置根据所述信号分配器分配的所述高度信号计算所述油液的体积。

可选地，还包括供电系统；所述供电系统与所述电容传感器、所述显示装置、所述液位计以及所述信号分配器连接，所述供电系统用于为所述电容传感器、所述显示装置、所述液位计以及所述信号分配器供电。

一种用于计算罐体内油水比的方法，应用于上述所述的用于计算罐体内油水比的装置，所述用于计算罐体内油水比的方法，包括：

获取油液在混输温度变化范围内的固定温度间隔下不同的油水比所对应的介电常数，确定多组温度-油水比-介电常数的映射数据；

根据多组所述温度-油水比-介电常数的映射数据建立关于温度、油水比以及介电常数的三维矩阵；所述三维矩阵用于查询所述油液任一温度下任一油水比所对应的介电常数；

获取电容传感器测量的被测油液的介电常数以及所述被测油液的温度；

根据所述被测油液的介电常数、所述被测油液的温度以及所述三维矩阵确定所述被测油液的油水比。

可选地，所述根据所述被测油液的介电常数、所述被测油液的温度以及所述三维矩阵确定所述被测油液的油水比，之后还包括：

根据所述被测油液的油水比计算并显示所述被测油液的油水体积比；

获取所述被测油液的高度信号；

根据所述高度信号以及所述油水体积比计算并显示所述被测油液的体积、油的体积以及水的体积。

可选地，所述电容传感器的阳极直径、所述电容传感器的阴极直径以及罐体的进液管道的内径的关系为：

d₁为所述电容传感器的阳极直径，d₂为所述电容传感器的阴极直径，d₃为所述进液管道的内径。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种用于计算罐体内油水比的装置及方法，装置包括电容传感器以及显示装置；电容传感器与罐体的进液管道串联，进液管道内的油液流经电容传感器进入罐体内，电容传感器与显示装置连接，电容传感器用于根据油液产生电容信号并发送至显示装置；显示装置根据电容信号计算油液的介电常数，并根据介电常数以及油液的温度计算并显示油液的油水比。本发明根据油液油水比的变化对应油液介电常数的变化这一特性来计算油液的油水比，同时考虑了油液的温度对油液介电常数的影响，使油水比的测量结果更加准确，并且具有测量方便，节约人力以及能在线实时检测的的优点，同时还能提高油罐的使用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的罐体的结构示意图；

图2为本发明所提供的电容传感器的结构图；

图3为本发明所提供的电容传感器的尺寸优化原理图；

图4为本发明所提供的用于计算罐体内油水比的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于计算罐体内油水比的装置及方法，实现油液罐体内油水比的的实时显示，解决了现有油水比测量技术中侧重油液的油水比对介电常数的影响，温度补偿不足，从而导致测量的油水比的准确性低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本发明提供了一种用于计算罐体内油水比的装置，包括：电容传感器以及显示装置；所述电容传感器与罐体的进液管道串联，所述进液管道内的油液流经所述电容传感器进入所述罐体内，所述电容传感器与所述显示装置连接，所述电容传感器用于根据所述油液产生电容信号并发送至所述显示装置。

所述显示装置用于根据所述电容信号计算所述油液的介电常数，并根据所述介电常数以及所述油液的温度计算并显示所述油液的油水比。

作为本实施例可选的一种实施方式，还包括：液位计。

所述液位计设置在所述罐体的内部，并与所述显示装置连接；所述液位计用于测量所述油液的高度，并将所述油液的高度信号发送至所述显示装置。

所述显示装置用于根据所述油水比计算并显示所述油液的油水体积比，并根据所述高度信号与所述油水体积比计算并显示所述油液的体积、油的体积以及水的体积。本发明所提供的装置实现了油液罐体内液体体积的实时显示，包括油的体积显示和水的体积显示，测量方便，提高了油罐的使用效率。

作为本实施例可选的一种实施方式，所述电容传感器为圆环形筒状传感器，所述电容传感器的阳极为圆环的内环，所述电容传感器的阴极为圆环的外环。

作为本实施例可选的一种实施方式，所述电容传感器的阳极直径、所述电容传感器的阴极直径以及所述进液管道的内径的关系为：

d₁为所述电容传感器的阳极直径，d₂为所述电容传感器的阴极直径，d₃为所述述进液管道的内径。

作为本实施例可选的一种实施方式，所述电容传感器的阳极直径与所述进液管道的内径相等。

作为本实施例可选的一种实施方式，还包括：信号分配器；所述信号分配器与所述液位计、所述显示装置以及罐体监测设备连接，所述信号分配器用于将所述液位计输出的高度信号进行分配，并发送至所述显示装置以及罐体监测设备，所述显示装置根据所述信号分配器分配的所述高度信号计算所述油液的体积。这样做的好处是罐体监测设备仍然可以使用所述液位计输出的高度信号，减少液位传感器的使用数量，罐体监测设备可以是根据液位计输出的高度信号测量罐体内其他数据的设备。

作为本实施例可选的一种实施方式，还包括供电系统；所述供电系统与所述电容传感器、所述显示装置、所述液位计以及所述信号分配器连接，所述供电系统用于为所述电容传感器、所述显示装置、所述液位计以及所述信号分配器供电。

如图4所示，本发明还提供了一种应用于上述用于计算罐体内油水比的装置的用于计算罐体内油水比的方法，所述方法包括：

步骤401：获取油液在混输温度变化范围内的固定温度间隔下不同的油水比所对应的介电常数，确定多组温度-油水比-介电常数的映射数据。所述油液的混输温度变化范围通常在15～50℃。

步骤402：根据多组所述温度-油水比-介电常数的映射数据建立关于温度、油水比以及介电常数的三维矩阵；所述三维矩阵用于查询所述油液任一温度下任一油水比所对应的介电常数。

步骤403：获取电容传感器测量的被测油液的介电常数以及所述被测油液的温度。

步骤404：根据所述被测油液的介电常数、所述被测油液的温度以及所述三维矩阵确定所述被测油液的油水比。

作为本实施例可选的一种实施方式，所述根据所述被测油液的介电常数、所述被测油液的温度以及所述三维矩阵确定所述被测油液的油水比，之后还包括：

根据所述被测油液的油水比计算并显示所述被测油液的油水体积比。

获取所述被测油液的高度信号。

根据所述高度信号以及所述油水体积比计算并显示所述被测油液的体积、油的体积以及水的体积。

作为本实施例可选的一种实施方式，所述电容传感器的阳极直径、所述电容传感器的阴极直径以及罐体的进液管道的内径的关系为：

d₁为所述电容传感器的阳极直径，d₂为所述电容传感器的阴极直径，d₃为所述进液管道的内径。

本发明还给出了一种用于测量罐体内油液体积的方法，根据图1中的罐体的尺寸，进行体积计算，图1中给出的符号的尺寸都是罐体内的测量值，计算过程中不考虑温度、压力变化等原因而引起储油罐的体积变化，如图1所示，罐体的主体为圆柱体，罐体的两端为球缺，R为罐体的圆柱体的底面半径，R1为球缺对应的半径，L为圆柱体的长，H为球缺的高，当油液的高度为h时，V(h)为总的储油罐的油液的体积，V(h)的计算过程如下：

圆柱体内的油液体积随油液的高度的变化关系为：

罐体的一端球缺内的油液体积随油液的高度的变化关系为：

其中，

总的罐体内的油液体积随油液的高度的变化关系为：

运用上述公式进行计算，显示装置初始化时根据罐体的型号和大小给予公式中符号初值，不同型号、大小的罐体有差异，需要分别进行给予初值。

如图2所示为本发明设计的电容传感器的结构图，将电容传感器的两极，阳极和阴极分别设置在管道中心和管道内壁上，这样油水介质流过电容传感器时，因为油水比例的变化改变了电容的容值，通过检测电容容值的变化，得出油水介质的介电常数，从而可根据介电常数计算油水的比例。

电容传感器的容值计算公式为：

式中C为电容值，ε为介电常数，l为阳极长度，d₂为电容传感器的内径，电容传感器的内径即为电容传感器的阴极直径，d₁为电容传感器的阳极直径。

对电容值C和介电常数ε进行微分，得到电容传感器的灵敏度公式:

分析灵敏度公式可知，传感器的内径d₂和阳极直径d₁的值越接近，传感器阳极长度l越大，电容传感器的灵敏度越高，但是考虑到液体通过管道的流量和流速要求，传感器的阳极长度不能过长，进行了优化设计，如图3所示，对传感器的内径和阳极直径进行优化，其原理是保证管道内流量和流速，即传感器的环形截面面积大于等于管道的截面面积，取传感器的环形截面面积等于管道的截面面积时，即

式中，d₃为管道内径，化简得到：d₃ ²＝d₂ ²-d₁ ²，确定传感器阳极直径与管道内径相等后，传感器的内径就可以计算得出。根据罐体进液管的直径设计电容传感器的尺寸，确定阳极长度，管道内径等参数，用于完成计算。图3中的阳极支撑可一个或多个，用于支撑电容传感器的阳极，本发明所提供的电容传感器的结构实现了在保证管道内流量和流速的前提下，还保证了传感器的灵敏度。

基于不同油水比的原油混合液对应的相对介电常数不同这一特性检测含水率，但液体的相对介电常数易受温度影响，在实际测量系统设计中需将温度影响考虑在内。

表1 20℃时不同含水率油水混合液的相对介电常数表

含水率％	介电常数	含水率％	介电常数
				0	2.2	60	21.61
10	2.66	70	30.90
				20	4.10	80	43.45
30	6.39	90	60.35
				40	9.85	100	80.00
50	14.78

从表1可看出，油水混合物的介电常数与含水率曲线关系虽正比例相关，但并不明朗，随含水率增高，介电常数的增长形式越加复杂。同时受温度和流型限制，直接按介电常数与含水率之间的关系进行理论推算并不可取，会使得在后期进行线性拟合时，无法利用固定公式将其对应起来。

因为对于罐体内管道内液体流型相对固定，所以在计算混合液介电常数时只将温度和油水混合比进行了综合考虑。对于纯油的介电常数随温度变化不大，因此主要考虑水不同温度下的介电常数变化，见表2。

表2 不同温度时水的介电常数表

温度℃	介电常数	温度℃	介电常数
				5	85.76	40	73.05
10	83.83	45	71.50
				15	81.95	50	69.94
20	80.00	55	68.60
				25	78.29	60	66.80
30	76.45	65	76.90
				35	74.81	70	63.58

混合液体的温度变化范围通常在15～50℃，因此这里不同温度是水的介电常数在温度5～70℃，见表2所示。

将混合液的随温度和油水比变化的介电常数数据进行整理，形成表格，进行存贮，用于实时计算。

通过上文提出的对罐体内油液体积的计算方法，得出油罐内液体的总体积，再通过采集介电常数变化的数据分析计算出罐体内油和水所占总的液体体积的比例，从而经过计算分别得到油和水的体积。

本发明依据不同温度下，油水混合后介电常数的变化对油水比例进行在线分析计算，结合储罐的主要几何尺寸，完成罐体内油水混合时的液体的体积计算，使用该装置可以直观的读取罐体内液体的体积，包括油的体积和水的体积，同时可以读出油和水的比例等数据信息，因此使用该装置可以提高罐体的使用效率，完备使用记录，同时为罐体的智能化管理提供基础数据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于计算罐体内油水比的装置，其特征在于，包括：电容传感器以及显示装置；

所述电容传感器与罐体的进液管道串联，所述进液管道内的油液流经所述电容传感器进入所述罐体内，所述电容传感器与所述显示装置连接，所述电容传感器用于根据所述油液产生电容信号并发送至所述显示装置；

所述显示装置用于根据所述电容信号计算所述油液的介电常数，并根据所述介电常数以及所述油液的温度计算并显示所述油液的油水比。

2.根据权利要求1所述的用于计算罐体内油水比的装置，其特征在于，还包括：液位计；

所述液位计设置在所述罐体的内部，并与所述显示装置连接；所述液位计用于测量所述油液的高度，并将所述油液的高度信号发送至所述显示装置；

所述显示装置用于根据所述油水比计算并显示所述油液的油水体积比，并根据所述高度信号与所述油水体积比计算并显示所述油液的体积、油的体积以及水的体积。

3.根据权利要求2所述的用于计算罐体内油水比的装置，其特征在于，所述电容传感器为圆环形筒状传感器，所述电容传感器的阳极为圆环的内环，所述电容传感器的阴极为圆环的外环。

4.根据权利要求3所述的用于计算罐体内油水比的装置，其特征在于，所述电容传感器的阳极直径、所述电容传感器的阴极直径以及所述进液管道的内径的关系为：

d₁为所述电容传感器的阳极直径，d₂为所述电容传感器的阴极直径，d₃为所述述进液管道的内径。

5.根据权利要求4所述的用于计算罐体内油水比的装置，其特征在于，所述电容传感器的阳极直径与所述进液管道的内径相等。

6.根据权利要求5所述的用于计算罐体内油水比的装置，其特征在于，还包括：信号分配器；所述信号分配器与所述液位计、所述显示装置以及罐体监测设备连接；

所述信号分配器用于将所述液位计输出的高度信号进行分配，并发送至所述显示装置以及罐体监测设备，所述显示装置根据所述信号分配器分配的所述高度信号计算所述油液的体积。

7.根据权利要求6所述的用于计算罐体内油水比的装置，其特征在于，还包括：供电系统；所述供电系统与所述电容传感器、所述显示装置、所述液位计以及所述信号分配器连接，所述供电系统用于为所述电容传感器、所述显示装置、所述液位计以及所述信号分配器供电。

8.一种用于计算罐体内油水比的方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的用于计算罐体内油水比的装置，所述用于计算罐体内油水比的方法，包括：

获取油液在混输温度变化范围内的固定温度间隔下不同的油水比所对应的介电常数，确定多组温度-油水比-介电常数的映射数据；

根据多组所述温度-油水比-介电常数的映射数据建立关于温度、油水比以及介电常数的三维矩阵；所述三维矩阵用于查询所述油液任一温度下任一油水比所对应的介电常数；

获取电容传感器测量的被测油液的介电常数以及所述被测油液的温度；

根据所述被测油液的介电常数、所述被测油液的温度以及所述三维矩阵确定所述被测油液的油水比。

9.根据权利要求8所述的用于计算罐体内油水比的方法，其特征在于，所述根据所述被测油液的介电常数、所述被测油液的温度以及所述三维矩阵确定所述被测油液的油水比，之后还包括：

根据所述被测油液的油水比计算并显示所述被测油液的油水体积比；

获取所述被测油液的高度信号；

根据所述高度信号以及所述油水体积比计算并显示所述被测油液的体积、油的体积以及水的体积。

10.根据权利要求9所述的用于计算罐体内油水比的方法，其特征在于，所述电容传感器的阳极直径、所述电容传感器的阴极直径以及罐体的进液管道的内径的关系为：

d₁为所述电容传感器的阳极直径，d₂为所述电容传感器的阴极直径，d₃为所述进液管道的内径。

Images