油水界面
兔子的胡萝卜-柿子的作用
2023年2月19日发(作者：陶瓷复合材料)一种分布式原油储罐油水界面监测系统设计
杨帆;张彩丽;任喜伟
【摘要】Aimingatthetechnicaldemandofoilrecoveryfactoryforauto
measuringoil-waterinterfaceparameters,adesigningmethodof
composedofmatrixformdistributedmicro-capacitanceoil-water
interfacemeasuringdeviceisprovidedbasedonintroducingtheprinciple
ofcapacitormethodforlevelmeasuring,theanalysisalgorithmisput
forwardforprocessingthemeasureddataarray,andadistributedoil-
waterinterfacemonitoringsystemforcrudeoiltankisimplementedwith
temcomposition,protocolsof
RS485communication,andmainprogrammingflowofthesystemis
ationresultindicatesthatthesystemhas
measuringprecisionoflessthan10cm,andhasthefeaturesofreliably
function,whichcanplaysignificantperformanceintheapplicationof
actualproductionprocess.%针对采油厂原油储罐油水界面参数自动化测量的技
术需求,在介绍电容法测量液位原理的基础上,给出了一种矩阵式分布的微电容串组
结构的油水界面测量仪的设计方法,探讨了测量结果的阵列数据获取界面参数的数
据分析方法,并借助RS485通信网络实现了原油储罐油水界面的分布式测量;详细阐
述了该分布式测量系统的组成、通信协议和主要程序流程;实际应用结果表明,该系
统测量精度可达到≤10cm,工作可靠,可以在生产过程中发挥积极作用.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2011(019)006
【总页数】3页(P1308-1310)
【关键词】原油储罐;油水界面;监测;分布式
【作者】杨帆;张彩丽;任喜伟
【作者单位】陕西科技大学,电信学院,陕西,西安,710021;陕西科技大学,机电学院,
陕西,西安,710021;陕西科技大学,电信学院,陕西,西安,710021
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
0前言
在原油生产过程中，原油储罐内部油水界面、油水过渡带厚度、各介质液位等参数
[1]是采油厂原油生产过程中重要的技术参数，直接关系到生产安全预计生产过程
控制、净油外输量以及油田联合站的盘库精度，对于原油储罐内部油水界面、油水
过渡带厚度、各介质液位等参数进行测量就成为非常重要的一项工作。但是由于多
方面原因，我国大部分油田还在使用最原始的人工测量方式，无法对原油储罐中这
些参数进行实时测量，使得工人劳动强度大，危险性高，原油储罐利用率低，而且
由于人工测量的不可信性，导致原油储罐排水、排油无法精确进行，降低了油品的
质量。为此，本文设计了分布式原油储罐油水界面计算机测量系统，给出系统的软
硬件设计方案。本系统在延长油田多个采油厂得到了应用。
1油水界面测量原理
1.1油水界面测量原理
由于在一定的空间内介质的变化将会引起很多的物理量的变化，如:变化较敏感的
电场、磁场;那么电场、磁场物理量的变化将会间接的反映并代表介质单位体积及
介质特性的变化。实验验证，原油和水的介电常数相差很大，在常温下水的相对介
电常数为80左右，纯净原油的相对介电常数为2.3左右，二者是将近40倍的关
系，介质不同，参数差异巨大[2]。利用这一原理，设计矩阵式分布的电容探极结
构[3]，由多段微电容串各自的检测电极与罐壁之间构成N个层面检测电容，每个
电容的电容量都与其和罐壁之间介电常数ε成正比，由单片机构成的变送器对各段
电容从下至上逐段进行扫描检测，并由软件将检测结果N个电容值由标准485信
号输出。根据不同介质的不同特性反映在测量的电容量不同，对所有采集的数据进
行集中分析，再根据数据变化特性，找出不同介质的临界点。
1.2基于典型值相似性的测量数据分类分析方法
由于位于原油储罐中的空气、油位、油水混合物和水各自的介电常数ε有较大差异，
而实际测量到的每个电容的电容量都与其和罐壁之间介电常数ε成正比，所以高速
单片机读出的N个电容量也具有较大的差异。可以对于油水界面测量仪进行输出
数据幅值的调整，使得测量仪在空气、油、水等不同介质区域输出的数据都在其典
型值附近。
可以假设空气测量典型值为V1，油的典型值为V2，油水混合层典型值为V3，水
的典型值为V4。实验证明，罐体内部不同介质的典型值差异巨大，因此，可以对
于任意测量数据通过其与典型值之间的相似性，可以判断其属于哪一类介质。而每
一个测量数据代表管体内部的一个微小高度，分别属于四种介质典型值的数据个数
即可计算出每一类介质的实际高度，从而得出罐体内部界面参数监测数据结果。
根据这一测量数据的特性，设计测量数据分类分析算法如下，实现测量结果计算机
自动判读:
Step1:读出N个测量结果数据，进行低通滤波，消除粗大误差数据;
Step2:计数器Ci(i=1～4)初始化，分别代表空气数据个数、油的数据个数、油水
混合区数据个数和水位数据个数;
Step3:对于处理后的每一个数据进行如下操作:
Step3.1:分别计算其与罐体内部介质的典型值Vi(i=1～4)的欧氏距离Di(i=1～4);
Step3.2:比较Di(i=1～4)，若Di是最小值，则Ci++;
Step4:输出C1～C4，作为空气、油、油水混合区、水位的对应的测量数据的个数。
油水界面测量仪测量精度由检测探极长度L和其中均匀分布的电容个数N决定。
实际应用中以10cm为间隔分布一个电容，则探极长度就是N*10cm。于是上述
数据处理后得到的Ci(i=1～4)就反映了罐体内部各段介质的高度，且N=
C1+C2+C3+C4。所以罐体内部空气高度为C1*10cm，油位高度C2*10cm，油
水混合区高度C3*10cm，水位高度C4*10cm。
2油水界面测量仪设计
根据上述测量原理和测量数据的处理方法，使用矩阵式分布的电容探极结构，由多
段微电容串各自的检测电极与罐壁之间构成N个层面检测电容，单片机逐段扫描
检测各段电容，将检测结果以标准485信号输出，构成原油储罐油水界面测量仪，
其硬件组成结构如图1所示。
图1原油储罐油水界面测量仪结构示意图
油水界面测量仪由与罐壁平行安装的阵列式探极、微电容串组扫描与检测模块、信
号调理模块、数模转换模块、RS485通信接口和高速单片机组成。
其中高速单片机通过RS485通信网络获取测量指令之后，控制电容扫描检测模块，
逐一测量矩阵式探极上的每一个电容，采集参数经由信号调理与数模转换模块传输
给高速单片机。高速单片机采集完毕所有电容之后，按照规定的通信协议组织数据，
通过RS485网络回传监测中心计算机。
3分布式测量系统的实现
3.1系统的组成
一般采油厂具有多个原油储油罐，每一个原油储罐安装一个油水界面测量仪，通过
RS485通信总线连接各原油储罐的油水界面测量仪和监控中心的监测计算机，构
成分布式原有储罐油水界面监测系统。系统组成结构如图2所示。
图2分布式原油储罐油水界面测量系统组成
监测计算机作为主控机，依次向各油水界面测量仪发出测量指令，各油水界面测量
仪接收到测量指令后，将本罐测量的N个数据按照规定的通信协议发送给主控机，
由主控机进行数据的识别、分析和处理，获取油水界面、油水过渡带厚度、液位高
度、水位高度等参数，对超限液位数据报警。并提供统计查询、报表等管理功能。
3.2测量装置通信协议
为了使信息和数据在监测计算机和油水界面测量仪之间有效地传递，通信应遵照主
/从方式。在这种方式下，信息和数据在主控机和从站(测量仪)之间传递。主站将
初始化和控制所有在通信回路上传递的信息。任何时候都不能从一个从站开始通信。
通信回路上数据以“打包”方式发生。组成这个包的字节构成标准异步串行数据，
并按8位数据位，1位停止位，无校验位的方式传递。所有回路上的传送均分为两
种打包方式:主/从传送和从/主传送。
其中，主/从传送是由监测计算机向测量仪发送测量指令，可以要求N个点数据，
也可以要求测量仪任意一段测量数据，即请求从数据起始地址为xxxxH开始的
(yyyy)个点的数据。其报文格式如下:
从/主传送是测量仪向监测计算机回传测量结果数据，即N个电容量，其报文格式
如下:
3.3测量计算机程序设计主要流程
软件系统由C#编写，主要功能分为以下三个部分:第一部分为监测系统组态部分，
建立、管理和维护监测图形对象(罐体图形对象)和现场采集的监测数据之间的关联
关系，设定每一个油罐管理必须的基本静态参数和油水界面报警阈值;第二部分为
实时数据通信部分，根据油水界面测量仪一次采集需要的时间ζ以及罐区监测油罐
的数目θ确定合适的数据采集速率δ，以轮询的方式由监测计算机向各个油罐发
出数据采集指令，接收并处理来自油罐油水界面监测仪回传的数据，结合组态部分
数据关联结果，在罐区图形系统中动态刷新显示对应油罐的测量数据，并根据第一
部分设定的报警阈值判断是否启动报警模块;第三部分为事后统计分析模块，对于
第二部分记录的监测罐区的生产数据进行统计分析，生成生产数据分析报表。主要
流程如图3所示。
图3监测计算机程序主要流程图
在软件实现时，将数据采集、数据接收与处理以线程的方式处理[4]，即系统启动
后，开始实时监测操作就启动了数据采集、接收和处理线程，该线程依次向各个储
油罐发出数据采集指令，等待回传数据，并对回传数据进行分析处理，获取油水界
面、油水过渡带厚度、液位高度、水位高度等参数，对超限液位数据报警，将获取
的界面参数写入数据库以待统计分析。图4是软件运行实际效果。其中图4(a)是
主界面参数，图4(b)是实时数据监测运行界面。
4结论
本文开发的系统可以广泛应用于油田原油沉降罐、分离罐、污水罐、储存罐的油水
界面位置及油位、水位罐内温度的精确测量，将使得传统的“人工捞尺”作业方式
成为历史，实现了油水界面自动化观测，降低了工人的劳动强度，可以使操作人员
随时根据罐内各种介质的液面状况进行有目的控制开阀放液、进液，从而提高了储
罐的使用效能，同时为提高油品生产质量奠定一定基础。而建立在油水界面自动测
量基础上的原油储罐生产联动，即根据液面参数实现自动排水、自动排油，更大限
度地提高生产效率，则是本文下一步的研究与开发的内容。
图4(a)原油储罐油水界面监测系统主界面
图4(b)原油储罐油水界面监测系统实时监测界面
参考文献:
【相关文献】
[1]曲艺，陈祥光.原油储罐油量动态计量技术研究[J].仪器仪表学报，2005，26(10):998-1010.
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[3]黄作维，周明，张喜梅.GPS/GPRS支持下嵌入式车载终端的实现[J].计算机测量与控制，2009，
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