专利名称：差压式原油含水分析仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种液体测量装置，具体地说是一种用于检测原油含水量的仪器。
背景技术：
对于油田管理来说，原油含水率是一项十分重要的基础参数，原油含水量的大小 既关系到油田采出液的管输总量和加温能耗，也关系到管道设备的结垢腐蚀，并影响后期 的炼油加工工艺。因此必须对含水率进行准确计量与控制。
原油含水率也是原油交接计量的一项重要指标它是原油出厂质量的重要检验指 标之一，对企业信誉有着重要影响又是原油产量计量的中间参量，对原油交接计量的准 确性和数以万吨的计量误差有着直接影响。因此为保证原油品质的稳定可靠及其交接计 量的准确公正，国内外对原油出厂含水率和含水计量的准确性均制定了相关标准，我国在 SY7513-88《出矿原油技术条件》中规定，出厂原油的含水率不得大于3%，在GB9109. 1-88 《原油动态计量一般原则》中规定，作为贸易结算用的含水仪表极限误差应在±0. 1%以内， 分辨率应为±0. 01%。
如何快速准确的检测原油含水率？这是油田长期以来面对的难题。尽管目前市场 上有一二十种含水分析仪，但均不能在计量准确性和运行稳定性上都满足生产的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够方便、快捷、准确地测量出不同状况之原油含水 量的新型测量仪器一一差压式原油含水分析仪。
本发明是这样实现的
本发明之差压式原油含水分析仪，主要由单片机、差压变送器、控制电路、电源组、 指示电路、显示屏、光电开关组、电机、电机驱动模块、齿轮传动机构、信号调理电路、电控球 阀和管柱构成。
控制电路与单片机和电控球阀电连接；单片机分别与差压变送器、显示屏、光电开 关组、电机驱动模块、信号调理电路电连接；电源组与显示屏、差压变送器及信号调理电路、 单片机、控制电路、光电开关组、电机驱动模块和电控球阀电连接，为之供电；光电开关为二 个，相互并联，相互独立运行；电控球阀有2个，分别连接2个管柱，起到开关作用；电机驱 动模块指令电机运转，电机驱动齿轮传动机构，齿轮传动机构与光电开关组相连，带动光电 开关组垂直移动。
所述光电开关组，含有固定在该平台上的光电开关，光电开关可随光电平台一起 垂直移动。
所述信号调理电路，是压力变送器的下游电路，为单片机传递信号，主要由电阻和 信号隔离组件构成，信号隔离组件将差压变送器传回的电流信号进行过滤，净化电流信号， 再用串联电阻，将电流信号转换成电压信号，由于此电阻阻值较大，起到了放大信号的作 用。
本发明的工作原理是
电控球阀与管柱相连，作为存放管柱液体的阀门，通过控制电路打开或者关闭阀 门，起到排液的目的；
控制电路发送指令至单片机，单片机根据指令执行，并将信号发送至电机驱动模 块和光电开关组，电机通过齿轮传动机构带动光电开关组从基准平面向上移动。同时光电 开关扫描管柱，当第一个光电开关移动至凹形液面时，其高低电平开始转换，此时光电开关 将信号传送至单片机并保存数据。光电开关组继续向上移动，直至第二个光电开关高低电 平转换才停止移动，并将信号传回单片机且保存数据。
在工作过程中，信号调理电路将差压变送器信号进行整理，最终将数据传回单片 机，单片机将传回的数据运算，并将含水量结果显示在液晶屏上。期间单片机也会将其他数 据，如温度、液体高度、电压值等，通过液晶屏显示。
该分析仪进行含水测量的方法和步骤如下
I)对原油中分离出来的纯水标定——纯水单位脉冲电压变化量U水
向2个管柱中注纯水，液面高度必须高于光电开关基准平面，且两者高度不等。由 于光电开关组的移动是由单片机发送脉冲，触发电机转动，通过齿轮带动整个平台垂直移 动，单片机每发送一个脉冲，平台移动一定的高度，所以测量管柱中液体的高度可以等量为 单品机发送的脉冲数。向2个管柱中注纯水，液面高度须高于光电开关基准平面，且两者高 度不等；通过控制电路运行仪器，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N1 ;同时单 片机采集信号调理电路数据U1 ;电机复位后再向管柱I中倒入适量纯水，再次启动电机，光 电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N2 ;同时单片机采集信号调理电路数据U2 ;由 于U值与N值成线性关系，单片机根据两者数据，计算
U 水=(U2-U1) / (N2-N1)；
2)对原油中分离出来的纯油标定——纯油单位脉冲电压变化量Utt
管柱2中的水不变，将管柱I中的纯水替换成纯油，液面高度必须高于光电开关基 准平面；通过控制电路运行仪器，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数为N3,同时 单片机采集信号调理电路数据U3 ;电机复位后再向管柱I中倒入适量纯油，再次启动电机， 光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N4 ;同时单片机采集信号调理电路数据U4 ； 由于U值与N值成线性关系，单片机根据两者数据，计算:U油=(U4-U3)/(N4-N3)；
3)当地原油测量——原油单位脉冲电压变化量U原油
管柱2中的水不变，将管柱I的纯油替换成原油，液面高度必须高于光电开关基准 平面；通过控制电路运行仪器，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N5 ;同时单片 机采集信号调理电路数据U5 ;电机复位后再向管柱I中倒入适量纯油，再次启动电机，光电 开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N6 ;同时单片机采集信号调理电路数据U6 ;由于U 值与N值成线性关系，单片机根据两者数据，计算U·= (U6-U5)/(N6-N5)；
4)单片机根据上述U#、UP U·，做出计算
原油含水星=(U原油-U油)/ (U水-U油)*100
最后以百分数的形式给出测试结果。
本发明根据水和油之间的密度不同，利用高精度差压变送器和单片机控制电路， 将原油的含水量最终显示在液晶屏上。
本发明应用差压变送器工作原理，即来自双侧管柱的差压直接作用于变送器之 传感器双侧隔离膜片上，通过膜片内的密封液传导至测量元件上，测量元件将测得的差压 信号转换为与之对应的电信号。在本发明中，此电信号以电压的形式表现。由于此电压变 化量与水或油的高度成线性关系，因此可以用纯水、纯油和原油分别计算得出单位脉冲电 压变化量；最后通过单片机计算出原油的含水量。本发明之含水分析仪，实现了方便、快捷、 准确地测量出不同状况原油的含水量，测量精度可以达到其他产品所达不到的0.01%甚至 更高的分辨率。
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明
图1、本发明实施例的电路原理框图2、本发明实施例的结构示意图3、本发明实施例的工作流程示意图。
具体实施例方式
图1显示了本实施例的电路原理
本实施例主要由单片机、差压变送器、控制电路、电源组、指示电路、显示屏、光电 开关组、电机、电机驱动模块、齿轮传动机构、信号调理电路、电动球阀、管柱和箱体构成。图 中实线箭头表示电连接关系，虚线箭头表示信号传输关系。
电源电路将产生的15V、5V和3. 3V直流电压，供应各个模块；
单片机采用MSP430系列芯片，该芯片的型号为MSP430F149 ；
液晶显示电路用来显示操作流程和测量结果；
LED指示电路用来指示仪器工作相关状态；
光电开关电路处理两个光电开关输出的信号，送入单片机进行处理；
功能选择模块通过按键输出给单片机来进行纯水、纯油的标定、含水率的测量以 及系统的复位，按键信号送入单片机处理；
差压变送器输出信号调理电路用来测量两管柱液体之间的差压，输出电流信号， 调理电路将电流转换成电压并送入单片机检测；
电机驱动模块用来提供步进电机驱动和正反转信号，以及单片机系统与电机的光 电隔离。
测量高度系统本实施例之原油含水分析仪，能够测量液面高度——目的在于计 算出UrldP 采用单片机直接发送脉冲给伺服电机驱动模块，再由驱动模块驱动伺 服电机工作，通过齿轮传动，将光电开关组沿着带螺纹的金属杆上下移动。当光电开关移 至管柱的凹型液面时，光电开关高低电平转换，并将信号传输至单片机，单片机停止发送脉 冲，并将此时的脉冲数保存用于高度计算。由于单片机每发送一个脉冲，伺服电机转动一 下，齿轮传动一次，光电开关组上或下移动一定距离。如此一来，即可算出光电开关组从原 点至液面的距离，进而算出液面的高度。其液面高度值在原油含水量计算中以脉冲数的形 式参与运算。
含水量计算两管柱内径相同，则水在油中的含量可以用高度来计算。为了测出原油含水量，需要做2次标定计算出原油中纯水的单位脉冲电压变化量和原油中纯油的单位 脉冲电压变化量。用当地原油分离出纯水和纯油，分别用纯水和纯油标定，得出对应的单位 脉冲电压变化量。最后用原油和纯水做测量，同理测出原油单位脉冲电压变化量，单片机根 据这3个单位脉冲电压变化量最终计算出含水量，并最终显示在液晶屏上。
含水量的具体计算方法，如前面发明内容所述。
图2显示了本实施例的硬件结构
主要由管柱1、管柱2、差压变送器组成，管柱I与差压变送器正极相连，管柱2与 差压变送器负极相连。
图3显示了本实施例的的工作流程如下
装置通电后，进入待机状态，扫描按键电路，以选择相应的功能。仪器第一次使用 时需要进行初始标定，标定顺序为先标定纯水，其次标定纯油，最后原油测量。
标定过程如下在管柱2内倒入纯水，光电开关2监测最低液位，液位达到后，单片 机对差压变送器输出的模拟信号进行AD转换，指示灯I亮起，以此指示管柱2内的纯水或 纯油的倒入量在可测范围内。再向管柱I倒入纯水，使其电压在量程范围之内，完成后，通 过按键启动电机，电机上升带动光电开关I进行纯水液面检测，以此确定液位,并将达到液 面时的脉冲个数和AD结果分别存入单片机内存。第一次测量液位完成进行电机的复位之 后，再向管柱I注适量的纯水，使其电压在量程范围之内，再启动电机，电机上升带动光电 开关I进行纯水液面检测。通过2此的测量采集2次脉冲数和2次对应的电压数参与单片 机计算，完成纯水标定。纯油标定和原油测量方法同上，保持管柱2不变，将管柱I替换成 纯油或原油。测量完成之后，含水率结果将发送至显示屏进行显示。
具体操作如下
纯水标定按住按键2，开始标定纯水，向管柱2倒入纯水，直至指示灯I亮起，再 开始向管柱I倒入纯水，当电压显示在量程范围内，可以停止注水；启动电机，光电开关开 始测量管柱高度的脉冲数，测量结束后使电机复位，再次向管柱I倒入适量纯水，使电压 显示在量程范围内，启动电机，光电开关开始测量管柱高度的脉冲数，测量结束后使电机复 位。启动电控球阀，排除管柱I的纯水，标定完毕。
纯油标定按住按键2，开始标定纯油，向管柱I倒入纯油，直至电压显示在量程范 围内，可以停止注纯油；启动电机，光电开关开始测量管柱高度的脉冲数，测量结束后电机 复位，再次向管柱I倒入适量纯油，使电压显示在量程范围内，启动电机，光电开关开始测 量管柱高度的脉冲数，测量结束后使电机复位。启动电控球阀，排除管柱I的纯油，标定完 毕。
原油测量按一下按键3，开始测量原油，向管柱I倒入原油，直至电压显示在量程 范围内，可以停止注原油；启动电机，光电开关开始测量管柱高度的脉冲数，测量结束后电 机复位，再次向管柱I倒入适量原油，使电压显示在量程范围内，启动电机，光电开关开始 测量管柱高度的脉冲数，测量结束后使电机复位。启动电控球阀，排除管柱I的原油，在显 示屏上显示原油含水量。测量完毕。
权利要求
1.差压式原油含水分析仪，有单片机、外围电路、显示屏；其特征在于有差压变送器、控制电路、电源组、指示电路、光电开关组、电机、电机驱动模块、齿轮传动机构、信号调理电路、电动球阀和管柱；控制电路与单片机和电控球阀电连接；单片机分别与外围电路、差压变送器、显示屏、光电开关组、电机驱动模块、信号调理电路电连接；电源组与显示屏、差压变送器及信号调理电路、单片机及外围电路、控制电路、光电开关组、电机驱动模块和电控球阀电连接，为之供电；电控球阀有2个，分别连接2个管柱，起开关作用；电机驱动模块指令电机运转，电机驱动齿轮传动机构，齿轮传动机构与光电开关组相连，带动光电开关组垂直移动； 所述光电开关为二个，相互并联，彼此独立运行； 所述光电开关组，含有固定在该平台上的光电开关，光电开关随光电开关组一起垂直移动； 所述信号调理电路，主要由电阻和信号隔离组件构成。
2.根据权利要求1所述差压式原油含水分析仪的测量方法，其特征在于，由下述方法步骤进行 1)对原油中分离出来的纯水标定 向2个管柱中注纯水，液面高度须高于光电开关基准平面，且两者高度不等；通过控制电路运行仪器，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N1 ;同时单片机采集信号调理电路数据U1 ;电机复位后再向管柱I中倒入适量纯水，再次启动电机，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N2 ;同时单片机采集信号调理电路数据U2 ;由于U值与N值成线性关系，单片机根据两者数据，计算:U水=(U2-U1V(N2-N1)； 2)对原油中分离出来的纯油标定 管柱2中的水不变，将管柱I中的纯水替换成纯油，液面高度必须高于光电开关基准平面；通过控制电路运行仪器，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数为N3,同时单片机采集信号调理电路数据U3 ;电机复位后再向管柱I中倒入适量纯油，再次启动电机，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N4 ;同时单片机采集信号调理电路数据U4 ;由于U值与N值成线性关系，单片机根据两者数据，计算:U油=(U4-U3)/(N4-N3)； 3)对原油进行含水量测量 管柱2中的水不变，将管柱I的纯油替换成原油，液面高度须高于光电开关基准平面；通过控制电路运行仪器，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N5 ;同时单片机采集信号调理电路数据U5 ;电机复位后再向管柱I中倒入适量原油，再次启动电机，光电开关组移动测得管柱I液面高度的脉冲数N6 ;同时单片机采集信号调理电路数据U6 ;由于U值与N值成线性关系，单片机根据两者数据，计算:U原油=(U6-U5)/(N6-N5)； 4)单片机根据U71^U_和Uii^，计算原油含水量 原油含水星=(U原油_U油)/ (U水-U油)*100 。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测原油含水量的仪器——差压式原油含水分析仪及其测量方法。主要由单片机、显示屏、差压变送器、控制电路、光电开关组、信号调理电路、电动球阀和管柱等，电控球阀有2个，分别连接2个管柱；电机带动光电开关组垂直移动。本发明应用差压变送器工作原理，通过膜片内的密封液传导至测量元件上，将测得的差压信号转换为与之对应的电信号，进而用纯水、纯油和原油分别计算得出单位脉冲电压变化量，最后通过单片机计算出原油的含水量。本发明之含水分析仪，实现了方便、快捷、准确地测量出不同状况下原油的含水量，测量精度可以达到0.01％以上的分辨率。
文档编号G01N27/60GK102998359SQ20121036269
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者刘宝军 申请人:刘宝军