电容式原油含水率仪信号解释模型

　　0引言

　　电容式含水率仪所直接测量得到的物理量是电容传感器的电容值,这个电容值与传感器的结构尺寸和传感器内部混合介质的等效介电常数有关。传感器电容值与含水率值的对应关系可以采用两种方法加以确定:

　　1)建立含水率值(Φ)与电容值(C)之间的直接函数关系:

　　2)通过等效介电常数ε_eff建立含水率值与电容值之间的间接函数关系:

　　纯水介电常数ε_w和纯油介电常数ε_o可以精确测得,从而

　　1　含水率值与电容值之间的直接函数关系

　　该函数关系可由纯粹实验的方法得到。当传感器结构尺寸确定之后,利用不同含水率的油水混合液做实验,得出不同含水率所对应的电容值,进而做出含水率值与电容值的关系曲线,并利用数学方法对曲线进行拟合,得出电容值与含水率值的函数表达式:C=f(Φ)。这种方法省略了电容的理论计算,但是并不实用,主要缺点在于:

　　1)这种方法只能适用于确定结构和尺寸的传感器,当传感器尺寸变化时,原有的关系曲线不再适用,要重新做大量实验进行标定。

　　2)不方便现场标定,实验室所采用的标定介质与现场有差别,有些情况差别非常大。当介质不同时,原有的标定结果对现场没有多大意义,还需要做大量的重复性的标定工作,这在仪器的使用现场是不可能实现的。

　　2　含水率值与电容值之间的间接函数关系

　　这个函数关系的建立主要涉及到两方面的理论计算和实验检验:

　　1)利用传感器尺寸结构及内部介质介电性质进行电容计算,建立C=f(ε_eff)。实际电容传感器的电容信号往往非常小,一般为几pF到十几pF,传感器信号接后续放大、滤波等处理电路,可以将电容信号转换为电压或者频率信号。典型的如基于CAV424的电容-电压转换电路。

　　2)由上面计算得出的介质等效介电常数εeff,利用混合介质的等效介电常数理论计算得出含水率值。

　　2·1　C=f(ε_eff)函数关系的建立

　　这与电容传感器的结构有关,当采用同轴线电容传感器,两电极之间仅充有待测介质时,函数表达式为:

式中:L为传感器的长度;Ra是同轴线传感器外电极内径;Rb是内电极外径。

　　由于实际介质中的水含盐,当含盐量较多时,水将变为导体,为避免出现这种情况,常在同轴线传感器内电极的外表面或是外电极内表面镀一层或包覆一层绝缘介质,这层绝缘介质所形成的电容(设为C₁)与待测介质形成的电容(设为C₂)形成串联关系。总电容:

　　绝缘层的电容计算公式也是采用式(1)进行计算,由于是串联关系,为减小C₁对总电容的影响,C₁的值尽可能的大些,由式(1)可知,要求绝缘层厚度尽可能的薄。当绝缘层很薄时,可以近似的认为:C=C₂,也即式(1)。