CN214583514U - 一种分段电容传感器及多相分层液位界面测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种分段电容传感器及多相分层液位界面测量系统，所述传感器包括多个传感器节点，每个传感器节点均包括分段电容极板I、分段电容极板I信号转接板、分段电容检测电路、分段电容极板I外壳、分段电容极板II、分段电容极板II信号转接板、分段电容极板II外壳、电源及通信线，分段电容极板I与分段电容极板II平行放置，分段电容极板I上设有多个电容电极I，分段电容极板II上多个电容电极II，电容电极I与电容电极II相对设置，分段电容极板I上的电容电极I与分段电容极板II的电容电极II形成多个分段电容。所述多相分层液位界面测量系统基于上述传感器。本实用新型能解决现有电容传感器表明容易积累原油以及电极板需要可靠密封的问题。

Description

一种分段电容传感器及多相分层液位界面测量系统

技术领域

本实用新型涉及电容式液位计量领域，具体是一种分段电容传感器及基于该分段电容传感器的多相分层液位界面测量系统。

背景技术

从油田开采出来的石油是油、气、水的三相混合物，开采过程还伴有泥沙的存在。通常情况下，从罐顶到罐底，依次为原油、油水乳化液、水、污泥层。在石油开采环节中，中转罐、沉降罐、原油脱水器、电脱出器、缓冲罐、储运罐等各个环节等都需要多相液位测量，便于进行油、水分离控制，并为掌握开采过程中原油的含水、原油产量提供数据。

目前，国内外研究油水液位测量的方法有很多，研究最多的是分段电容式测量法。基于分段电容的方法主要依据电介质变化引起电容变化的原理，测量电容值与界面成线性关系。单个电容无法分辨油水，油气、乳化带多相界面。针对原油多相界面的测量主要采用分段式电容传感器，分段电容式传感器能根据每个电容的数值分辨出每个电容处于水、原油、乳化带还是空气，进而计算分辨出多相界面。分段电容传感器具有较高的测量精度，而且成本低，研究最广泛。

常用的分段电容电极的布置形式主要有3种：

1、对称的双极板分段电容结构，每个电容的两个极板都是对称的，参数相同；

2、含有公共电极的分段电容结构；

3、单极分段电容结构，这种方案采用原油罐的罐体作为分段电容的公共电极。

原油储油罐的高度通常较高，一般在10米以上，为了尽可能提高液位测量精度，采用分段电容测量的测量方案，电容数量一般在几十个，甚至可能多达上百个。目前，基于分段电容测量原油罐内油水、乳化带、油气界面的方案面临的主要问题如下：

当前大多数分段电容测量方案都把测量电容的电路置于罐外。因为分段电容数量较多，因此要有大量引线引出到测量电路，对测量系统的安装、维护带来困难。此外电容引线较长，寄生电容值较大，而且不同电容引线长度不同，给测量及数据处理带来较大不便。

在原油等比较污浊的液体测量过程中，如果不采用聚四氟乙烯材料，分段电容传感器表面容易挂油，导致电容值逐渐产生偏移，影响测量精度。聚四氟乙烯具有良好的抗粘性能，作为绝缘材料，能够较好地解决挂油问题。但几乎所有的胶水粘结都无法牢固粘结聚四氟乙烯，这给基于聚四氟乙烯材料的分段电容传感器带来密封难题。

为了实现传感器的密封，大多数都采用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯圆管作为电极的护套。把分段电容极板置于聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯圆管中，通过引线把各个分段电容电极连接到测量电路，分段电容极板做成环形。

目前大多数产品利用原油罐体作为电容的另外一个电极，电极的布置形式为单极分段电容结构。这类传感器有两个弊端：其一，罐体形状、传感器位置都会影响传感器参数，因此这种结构的传感器参数需要现场标定。其二，因为罐直径较大，采用罐体作为电极，传感器的精度受到影响，罐体内壁如果为非金属材料更是无法实现准确测量。

也有研究方案提出在圆管外加不锈钢管作为电容的另外一个电极，不锈钢管直径大于聚四氟乙烯管，并与聚四氟乙烯管同轴。其结构属于含有公共电极的分段电容。采用聚四氟乙烯管加工分段电容传感器的弊端是，当罐体较大，分段电容较多时，每一个分段电容的电极都要把线路接到外部测量，这种方案线束较多，而且线束很长，非常不利于加工生产和产品的标定。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种分段电容传感器及多相分层液位界面测量系统，能解决现有电容传感器表明容易积累原油以及电极板需要可靠密封的问题。

为了解决所述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种分段电容传感器，包括多个传感器节点，每个传感器节点均包括分段电容极板I、分段电容极板I信号转接板、分段电容检测电路、分段电容极板I外壳、分段电容极板II、分段电容极板II信号转接板、分段电容极板II外壳、电源及通信线，分段电容极板I与分段电容极板II平行放置，分段电容极板I上设有多个电容电极I，分段电容极板II上多个电容电极II，电容电极I与电容电极II相对设置，并且电容电极I与电容电极II在数量、尺寸、布置位置上均相同，相同位置的电容电极I与电容电极II形成一个平行板电容，分段电容极板I上的电容电极I与分段电容极板II的电容电极II形成多个分段电容；

分段电容极板I、分段电容极板I信号转接板、分段电容检测电路封装在分段电容极板I外壳内，电容电极I通过分段电容极板I信号转接板连接至分段电容检测电路；

分段电容极板II、分段电容极板II信号转接板封装在分段电容极板II外壳内，电容电极II通过分段电容极板II信号转接板及引线连接至分段电容检测电路；

电源及通信线与分段电容检测电路相连，并且电源及通信线从分段电容极板I外壳内部引出至分段电容极板I外壳外部，电源及通信线实现多个传感器节点的级联以及传感器节点至总线的连接。

进一步的，分段电容极板I外壳包括壳体I，分段电容极板I包括电容电极I分布区和屏蔽区I，电容电极I分布区设置在分段电容极板I的中央，屏蔽区I环绕在电容电极I分布区四周，壳体I单面开口，分段电容极板I的屏蔽区I焊接在壳体I的开口处。

进一步的，分段电容极板I外壳还包括回形框I，回形框I焊接在分段电容极板I的屏蔽区I上，焊接有回形框I的分段电容极板I通过螺栓固定在壳体I的开口处，分段电容极板I与壳体I之间设有密封垫。

进一步的，电容电极I焊接在分段电容极板I的正面，分段电容极板I信号转接板和分段电容检测电路焊接在分段电容极板I的背面，壳体I上设有注胶口，分段电容极板I连接在壳体I上后，通过注胶口向壳体I内注满密封胶。

进一步的，分段电容极板II外壳包括壳体II，分段电容极板II包括电容电极II分布区和屏蔽区II，电容电极II分布区设置在分段电容极板II的中央，屏蔽区II环绕在电容电极II分布区四周，壳体II单面开口，分段电容极板II的屏蔽区II焊接在壳体II的开口处。

进一步的，分段电容极板II外壳还包括回形框II，回形框II焊接在分段电容极板II的屏蔽区II上，焊接有回形框II的分段电容极板II通过螺栓固定在壳体II的开口处，分段电容极板II与壳体II之间设有密封垫。

进一步的，电容电极II焊接在分段电容极板II的正面，分段电容极板II信号转接板焊接在分段电容极板II的背面，壳体II上设有注胶口，分段电容极板II连接在壳体II上后，通过注胶口向壳体II内注满密封胶。

进一步的，分段电容极板I外壳与分段电容极板II外壳的材质均是金属。

进一步的，分段电容极板I、分段电容极板II为FR-4板材、铝基板、聚四氟乙烯电路板中的一种。

进一步的，分段电容极板I、分段电容极板II为聚四氟乙烯电路板，聚四氟乙烯板是聚四氟乙烯材料和铜箔压合板。

本实用新型还公开一种多相分层液位界面测量系统，包括液位界面传感器、总线、总线通信接口和监控主机，液位界面传感器为上述分段电容传感器，分段电容传感器的多个传感器节点置于原油储油罐内，沿原油储油罐高度方向分布；分段电容传感器的多个传感器节点通过总线连接至总线通信接口，总线通信接口与监控主机相连。

本实用新型的有益效果：把分段电容分成多个节点，把测量电路密封于传感器节点内部，把电容信号转化为数字信号输出到通信总线，减少了大量线束，避免把测量线束连接到外部，使测量数据更稳定可靠。

所采用的结构和总线通信形式使得传感器节点可根据罐体高度自由增加。传感器加工生产以及安装都很方便。

传感器采用聚四氟乙烯板（不是管）作为绝缘层，聚四氟乙烯和铜箔压合到一起，聚四氟乙烯能够解决传感器表面挂油问题。

传感器在结构上解决了聚四氟乙烯板（注意：不是聚四氟乙烯管方案）难以密封的问题，构成的双极板分段电容测量方案比单极板方案精度更高。在传感器的内部，聚四氟乙烯分段电容极板与检测电路板采用转接板引线。引线连接可靠、加工简单且成本低。

附图说明

图1为单个传感器节点的结构示意图；

图2为单个传感器节点的外部结构示意图；

图3为单个传感器节点的爆炸结构示意图；

图4为分段电容极板I的结构示意图；

图5为分段电容极板I信号转接板的示意图；

图6为液位界面测量系统的原理框图；

图中：1、分段电容极板I，2、分段电容极板I信号转接板，3、分段电容检测电路，4、分段电容极板I外壳，5、分段电容极板II，6、分段电容极板II信号转接板，7、分段电容极板II外壳，8、电容电极I，9、电容电极II，10、电源及通信线，13、电容电极I分布区，14、屏蔽区I，15、圆孔，16、铜箔，17、焊盘，18、密封垫I，19、回形框I，20、检测电路绝缘垫片，21、回形框II，22、密封垫II。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种分段电容传感器，包括多个传感器节点，所述如图1、2、3所示，每个传感器节点均包括分段电容极板I 1、分段电容极板I信号转接板2、分段电容检测电路3、分段电容极板I外壳4、分段电容极板II 5、分段电容极板II信号转接板6、分段电容极板II外壳7、电源及通信线10。

分段电容极板I 1与分段电容极板II 5平行放置，分段电容极板I 1上设有多个电容电极I 8，分段电容极板II 5上多个电容电极II 9，电容电极I 8与电容电极II 9相对设置，并且电容电极I 8与电容电极II 9在数量、尺寸、布置位置上均相同，相同位置的电容电极I 8与电容电极II 9形成一个平行板电容，分段电容极板I 1上的电容电极I 8与分段电容极板II 6的电容电极II 9形成多个分段电容。分段电容极板I1与分段电容极板II5之间的空间称为介电空间。

分段电容极板I1、分段电容极板I信号转接板2、分段电容检测电路3封装在分段电容极板I外壳4内，电容电极I8通过分段电容极板I信号转接板2连接至分段电容检测电路3。

分段电容极板II5、分段电容极板II信号转接板6封装在分段电容极板II外壳7内，电容电极II9通过分段电容极板II信号转接板6及引线连接至分段电容检测电路3。本实施例中，连接在分段电容极板II信号转接板6与分段电容检测电路3之间的引线为多芯屏蔽线，分段电容极板II5上的多个电极利用多芯屏蔽线，经过分段电容极板II引线接口连接到分段电容极板I外壳4内的电容检测电路。

电源及通信线10与分段电容检测电路3相连，并且电源及通信线10从分段电容极板I外壳4内部引出至分段电容极板I外壳4外部，电源及通信线10实现多个传感器节点的级联以及传感器节点至总线的连接。如图2、3所示，本实施例的电源及通信线10包括第一电源及通信线11和第二电源及通信线12，其中一个用于连接供电电源和总线，另外一个用于把供电电源和总线连接到下一个传感器节点，方便各个传感器节点级联。也可以使用能够级联的连接器实现节点的级联，这时传感器节点只需要一个电源通信线。

分段电容极板I外壳包括壳体I，如图4所示，分段电容极板I包括电容电极I分布区13和屏蔽区I14，电容电极I分布区14设置在分段电容极板I的中央，屏蔽区I14环绕在电容电极I分布区13四周，壳体I单面开口，分段电容极板I的屏蔽区I14焊接在壳体I的开口处。屏蔽区I14一方面起到屏蔽外接干扰的作用，另一方面与壳体I采用焊锡焊接的方式连接，连接强度高，密封性好。圆孔15为固定安装孔，固定安装孔15的数量可以根据实际情况增加或者减少，如果四周的金属屏蔽层良好的焊接到金属外壳上，此时可以不加固定安装孔。

设置固定安装孔是为了使连接更牢固，如图3所示，分段电容极板I外壳4还包括回形框I19，回形框I19焊接在分段电容极板I的屏蔽区I14上，焊接有回形框I19的分段电容极板I1通过螺栓固定在壳体I的开口处，分段电容极板I1与壳体I之间设有密封垫I18。如图5所示，电容极板I信号转接板2可以贴合到分段电容极板上，转接电路板上的方块是比电容电极尺寸小一些的铜箔16，贴在电容基板上用于增加接触面积。方块内的圆形部分为带有圆孔的焊盘17，焊盘17通过焊锡焊接到电容电极，所有电容电极经过信号转接板转接到更容易接线或者连接分段电容检测电路的接口。

电容电极I8焊接在分段电容极板I1的正面，分段电容极板I信号转接板2贴在分段电容极板I1的背面，组装在一起的分段电容极板I1和分段电容极板I信号转接板2通过插接件或者引线连接到分段电容检测电路3，壳体I上设有注胶口，分段电容极板I1连接在壳体I上后，通过注胶口向壳体I内注满密封胶。

本实施例中，分段电容极板I1的正面是指分段电容极板I1朝向介电空间的一面，分段电容极板I1的背面是指分段电容极板I朝向壳体I内部的一面。

同样的，分段电容极板II外壳7包括壳体II，分段电容极板II5包括电容电极II分布区和屏蔽区II，电容电极II分布区设置在分段电容极板II的中央，屏蔽区II环绕在电容电极II分布区四周，壳体II单面开口，分段电容极板II的屏蔽区II焊接在壳体II的开口处。

分段电容极板II外壳还包括回形框II21，回形框II21焊接在分段电容极板II5的屏蔽区II上，焊接有回形框II21的分段电容极板II5通过螺栓固定在壳体II的开口处，分段电容极板II与壳体II之间设有密封垫II22。

电容电极II9焊接在分段电容极板II5的正面，分段电容极板II信号转接板6贴在分段电容极板II5的背面，壳体II上设有注胶口，分段电容极板II5连接在壳体II上后，通过注胶口向壳体II内注满密封胶。

分段电容极板II5的正面是指分段电容极板II5朝向介电空间的一面，分段电容极板II5的背面是指分段电容极板II5朝向壳体II内部的一面。

本实施例中，分段电容极板I外壳与分段电容极板II外壳的材质均是金属，可以屏蔽外接干扰信号。

分段电容极板I1、分段电容极板II5为FR-4板材、铝基板、聚四氟乙烯电路板中的一种。

具体的，分段电容极板I1、分段电容极板II5为聚四氟乙烯电路板，聚四氟乙烯板是聚四氟乙烯材料和铜箔压合板，经过和PCB电路板相同的蚀刻方法加工而成，加工精度高。

为了防止被腐蚀并避免被测液位影响电容的测量值，电容电极必须被可靠绝缘并密封。绝缘材料如果采用聚四氟乙烯（或者基于聚四氟乙烯的材料，如聚四氟乙烯、玻璃纤维的混合物）能够避免传感器被腐蚀，并能避免挂油。但是用聚四氟乙烯作为分段电容极板带来的问题是聚四氟乙烯具有极强的不粘性，几乎无法和任何胶水牢固的粘在一起，造成传感器难以密封，尤其是对于平行板式传感器。本实施例所述分段电容传感器是平行板式传感器，结构简单，但是其采用聚四氟乙烯作为分段电容极板，并且分段电容极板焊接或者通过螺栓固定在传感器外壳上，既解决了挂油造成传感器被腐蚀的问题，又能保证传感器的密封可靠性。

实施例2

本实施例公开一种多相分层液位界面测量系统，如图6所示，包括液位界面传感器、总线、总线通信接口和监控主机，液位界面传感器为实施例1所述分段电容传感器，分段电容传感器的多个传感器节点置于原油储油罐内，沿原油储油罐高度方向分布；分段电容传感器的多个传感器节点通过总线连接至总线通信接口，总线通信接口与监控主机相连，监控主机根据接收到的电容数据分析罐内石油、水和油水混合物的高度。

分段电容检测电路能检测所有本节点的分段电容并把电容数据转换为数字信号。分段电容检测电路把数字信号通过通信总线发送到外部，总线可以是CAN总线、RS-485总线等。系统中的所有节点都可以挂在总线上，因此整个系统的外部接线只需要电源正、电源负、通信总线、公共极板引线，根据电容检测电路的不同，公共极板引线也可以接电源负极。

以上描述的仅是本实用新型的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本实用新型做出的改进和替换，属于本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种分段电容传感器，其特征在于：包括分段电容极板I、分段电容极板I信号转接板、分段电容检测电路、分段电容极板I外壳、分段电容极板II、分段电容极板II信号转接板、分段电容极板II外壳、电源及通信线，分段电容极板I与分段电容极板II平行放置，分段电容极板I上设有多个电容电极I，分段电容极板II上多个电容电极II，电容电极I与电容电极II相对设置，并且电容电极I与电容电极II在数量、尺寸、布置位置上均相同，相同位置的电容电极I与电容电极II形成一个平行板电容，分段电容极板I上的电容电极I与分段电容极板II的电容电极II形成多个分段电容；

分段电容极板I、分段电容极板I信号转接板、分段电容检测电路封装在分段电容极板I外壳内，电容电极I通过分段电容极板I信号转接板连接至分段电容检测电路；

分段电容极板II、分段电容极板II信号转接板封装在分段电容极板II外壳内，电容电极II通过分段电容极板II信号转接板及引线连接至分段电容检测电路；

电源及通信线与分段电容检测电路相连，并且电源及通信线从分段电容极板I外壳内部引出至分段电容极板I外壳外部；

电源及通信线实现传感器节点至总线的连接，并能实现多个传感器节点的级联，构成更多的分段电容测量系统。

2.根据权利要求1所述的分段电容传感器，其特征在于：分段电容极板I外壳包括壳体I，分段电容极板I包括电容电极I分布区和屏蔽区I，电容电极I分布区设置在分段电容极板I的中央，屏蔽区I环绕在电容电极I分布区四周，壳体I单面开口，分段电容极板I的屏蔽区I焊接在壳体I的开口处。

3.根据权利要求2所述的分段电容传感器，其特征在于：分段电容极板I外壳还包括回形框I，回形框I焊接在分段电容极板I的屏蔽区I上，焊接有回形框I的分段电容极板I通过螺栓固定在壳体I的开口处，分段电容极板I与壳体I之间设有密封垫。

4.根据权利要求2或3所述的分段电容传感器，其特征在于：电容电极I焊接在分段电容极板I的正面，分段电容极板I信号转接板贴在分段电容极板I的背面，组装在一起的分段电容极板I和分段电容极板I信号转接板通过插接件或者引线连接到分段电容检测电路，壳体I上设有注胶口，分段电容极板I连接在壳体I上后，通过注胶口向壳体I内注满密封胶。

5.根据权利要求1所述的分段电容传感器，其特征在于：分段电容极板II外壳包括壳体II，分段电容极板II包括电容电极II分布区和屏蔽区II，电容电极II分布区设置在分段电容极板II的中央，屏蔽区II环绕在电容电极II分布区四周，壳体II单面开口，分段电容极板II的屏蔽区II焊接在壳体II的开口处。

6.根据权利要求5所述的分段电容传感器，其特征在于：分段电容极板II外壳还包括回形框II，回形框II焊接在分段电容极板II的屏蔽区II上，焊接有回形框II的分段电容极板II通过螺栓固定在壳体II的开口处，分段电容极板II与壳体II之间设有密封垫。

7.根据权利要求5或6所述的分段电容传感器，其特征在于：电容电极II焊接在分段电容极板II的正面，分段电容极板II信号转接板贴在分段电容极板II的背面，壳体II上设有注胶口，分段电容极板II连接在壳体II上后，通过注胶口向壳体II内注满密封胶。

8.根据权利要求1所述的分段电容传感器，其特征在于：分段电容极板I外壳与分段电容极板II外壳的材质均是金属。

9.根据权利要求1所述的分段电容传感器，其特征在于：分段电容极板I、分段电容极板II为FR-4板材、铝基板、聚四氟乙烯电路板中的一种。

10.根据权利要求9所述的分段电容传感器，其特征在于：分段电容极板I、分段电容极板II为聚四氟乙烯电路板，聚四氟乙烯板为聚四氟乙烯材料和铜箔经过高温压合形成的板。

11.一种多相分层液位界面测量系统，其特征在于：包括液位界面传感器、总线、总线通信接口和监控主机，液位界面传感器为权利要求1所述分段电容传感器，分段电容传感器的多个传感器节点置于原油储油罐内，沿原油储油罐高度方向分布；分段电容传感器的多个传感器节点通过总线连接至总线通信接口，总线通信接口与监控主机相连。

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