(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)
摘 要：在原油的多相流計量問題中，利用多傳感器組合測量的方法已經被廣泛使用。采用電容式原油微小電容測量傳感器，實現對原油微小電容的測量，是多傳感器組合測量方法中常用的一種傳感器測量。本文運用電容數字轉換器AD7746實現傳感器微小電容的高精度測量，設計出了原油介電常數測試電路。文章介紹了測量原理和設計方案。在實驗室用油、自來水和空氣配制多相流油樣進行了測試，測試結果表明本測試儀具有較高的測量精度。利用AD7746電容數字轉換器大大簡化了測量電路，并且具有較高的測量精度。
關鍵詞：AD7746；微小電容；測量；多相流；電容傳感器
The Measurement Of The Dielectric Constant Techniques Of
Crude Multiphase Flow
Chen Lei
（School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870, China）
Abstract:The measurement of multiphase flow of oil, the use of multi-sensor combination of measurement methods have been widely used.Crude oil by small capacitance measurement capacitive sensors, to achieve small capacitance on the measurement of crude oil, is a multi-sensor measurement method based on a commonly used sensor.In this paper, capacitance-digital converter AD7746 achieves the high-precision measurement of small capacitance, designed dielectric constant of crude oil test circuit.This paper introduces the measurement principle and the design scheme.In the laboratory, oil, water and air are configurated into multiphase flow oil samples tested, test results show that the test instrument with high accuracy.Using AD7746 capacitance-digital converter greatly simplify the measurement circuit, and has high accuracy.
Keywords:AD7746; small capacitance; measurement; multiphase flow; capacitance sensor
1 引言
多相流在石油、化工、環境等領域廣泛存在，尤其在石油工業中，從原油開采、運輸到原油加工等生產過程中都與多相流有密切關系，如何準確測量多相流的流量及相含率，在石油工業中具有重要的意義[1]。
目前，傳統的計量方法是將原油送入三相分離器中，將原油分離成油、水和氣，再分別對三相進行計量。但是這種計量方法所用的系統體積和重量都非常大，不利于單井計量，設計與施工難度比較大[2]�；诙鄠鞲衅鹘M合測量三相流量的三相不分離流量計，體積小，重量輕，已經在此領域引起人們的重視[3]。
2 多相流量計的檢測原理
多相流量計可以直接安裝在油運輸管線上，在三相不分離的前提下對油、氣、水進行連續、在線的精確測量，從而代替了傳統的由測試分離器等系統組成的計量裝置，不但降低了投資和操作成本，并且簡化了生產工藝的流程。
2.1結構與測量計算原理
3.1 測量方案
微小電容測量系統主要由電源模塊、電容測量模塊、單片機控制模塊和顯示模塊組成。工作原理：采用單端浮地測量方式，即被測電容兩極板分別接到AD7746的電容輸入“CIN”和激勵“EXC”。通過計算機對單片機的編程，設置AD7746測量通道寄存器的工作模式為單端測量(或差分測量)；設置測量模式寄存器為連續模式；設置片載可編程電容寄存器的值，擴展被測電容的測量范圍。同時計算機編程實現單片機與AD7746的模擬 I2C通信，編程實現讀取測量電容的二進制數據碼與實際電容值之間的D/A轉換運算，編程實現單片機對測量電容的顯示控制。如圖3所示。
電容傳感器適合小尺寸和低功耗應用，但實現起來成本較高，而且難度比較大，傳統的電容數字轉換設計中，必須先將電容容量轉換成電壓，再用高精度的AD把電壓轉換成數字信號，電路設計復雜，系統測試要求很高，這些通常使設計工程師尋求不同類型的傳感器。AD公司將先進的信號處理技術和高集成度制造工藝結合，實現了單芯片代替以前需大量分立器件支持的傳統模擬電壓數字轉換器才能達到的精度水平，并且大大降低了成本。解決了從電容轉換成數字信號的復雜困難的信號處理難題，非常適用于工業以及自動傳感器。3.2 微小電容檢測系統的硬件設計
本文主要研究的是電容測量模塊的實現方式，基于AD7746在單片機控制下的測量系統主要由單片機、AD7746、輸入電路、系統電源及顯示電路五個部分構成。硬件電路見圖4。
從圖4可以看出，基于芯片AD7746的微小電容測量系統無需復雜的分立元件，只用單芯片就可以實現傳統的復雜的電路設計，而且最大程度上避免了雜散電容的影響。軟件程序程序設計和硬件是相互配合的，主要是以外部中斷來實現單片機和AD7746之間的信號控制，然后再利用模擬的I2C總線交換數據。
圖4 系統硬件電路
4 實驗
4.1 對定值電容進行測量
首先，利用設計的測量系統針對定值2pF的電容進行測量，為了得到系統的測量精確度，需要進行大量的反復測量，這里列出了8次測量結果作為標定系統精度的數據，測量結果如表1所示：
表1 標稱值2pF的電容測量值
|
次數 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
測量值（pF） |
2.029541 |
2.024453 |
2.027464 |
2.029406 |
2.027831 |
2.022340 |
2.024512 |
2.023546 |
|
平均值 |
2.027320pF |
|
最大值 |
2.029541pF |
|
最小值 |
2.022340pF |
|
極值差 |
0.007201pF |
從上面的實驗結果可以看出，當含油率高、含水率低的時候，直線偏離較大；而當含水率高、含油率低的時候，測量值的線性度較好。
5 結論
（1）通過對定值電容的測量，可以看出利用AD7746可以實現高精度的微小電容測量。
（2）通過對油水混合物的測量，可以得到比較理想的效果。此實驗是在室溫下進行，實際應用時，應該加入溫度補償。
（3）本系統基于電容數字轉換芯片AD7746的設計，大大簡化了電路設計，降低了成本，并且具有較高的精度。
參考文獻(References)：
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作者簡介：
陳磊(1985－)，男，沈陽工業大學信息科學與工程學院
