新型油水界面測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用

劉可滇

(北京達(dá)奇新技術(shù)研究所,北京 100009)

0 引 言

油罐液位的測(cè)量方法分為直接測(cè)量與間接測(cè)量法。直接測(cè)量法即人工測(cè)量法,是利用計(jì)量工具直接測(cè)取液位。如石油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)用的人工量油尺,浮子鋼帶式直讀液位表,磁性翻版液位儀等。間接測(cè)量法是利用傳感元件測(cè)出與液位有關(guān)的信號(hào)后,再利用電量的轉(zhuǎn)換得到所測(cè)液位值。此種測(cè)量方法較為復(fù)雜,成本高,但可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度,能有效及時(shí)地避免溢罐等安全事故的發(fā)生,容易實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐區(qū)自動(dòng)化管理。

目前油庫液位儀表種類繁雜,先進(jìn)程度不一,質(zhì)量不齊,精度較低。近年引進(jìn)了雷達(dá)液位儀,應(yīng)用于容量較大的儲(chǔ)罐液位測(cè)量,但是價(jià)格昂貴,并且測(cè)量油水界面比較困難。采用壓力傳感器差壓式測(cè)量,精度低,油水界面測(cè)量精度更低,而且傳感器校準(zhǔn)很困難。

為了克服現(xiàn)有的問題,新型油水界面測(cè)量系統(tǒng)采用如下技術(shù)方案:利用阿基米德浮力定律,設(shè)計(jì)浮力液位測(cè)量棒,其所受浮力與浸液深度及液體的密度成正比。如果正好沒入兩種液體的界面之間(如油水界面),則為排開各自比例兩種液體質(zhì)量之和。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)量棒所受的浮力計(jì)算出液位、油水界面及液體密度。

1 系統(tǒng)組成

油水雙液體、單一液體儲(chǔ)罐液位測(cè)量如圖1,圖2所示。

1.1 浮力測(cè)量傳感器(測(cè)量棒)

如果測(cè)量液體界面(如油水界面),則由若干支長度及截面相等的測(cè)量棒依次接力懸掛(見圖1)。如果儲(chǔ)罐是單一液體則可以使用一支長測(cè)量棒(見圖2)。

圖1 油水雙液體儲(chǔ)罐示意

圖2 單一液體儲(chǔ)罐示意

測(cè)量棒材料可以是聚四氟,聚甲醛棒,或兩端封閉的不銹鋼管,其自重略大于排水質(zhì)量即可。例如聚甲醛材料,密度約為 1.45 g/ml,選用直徑30 mm材料作測(cè)量棒,如長度為2.0 m,總質(zhì)量為2 049 g,其排水質(zhì)量為1 413 g。兩者質(zhì)量很接近,因此可以有很高的靈敏度和分辨率。

1.2 稱重傳感器

稱重傳感器量程一般是0～2.5 kg或0～5 kg。由測(cè)量棒的質(zhì)量決定,如1.1中舉例的聚甲醛材料,則宜選用量程為2.5 kg的稱重傳感器。

傳感器將信號(hào)(一般為2 mV/V)轉(zhuǎn)換成嵌入式或PLC所接受的信號(hào),如4～20 mA,0～5 V, 0～10 V等。部分傳感器廠家可以直接提供4～20 mA信號(hào)變送器,使用者也可以自己設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn)換電路,以適應(yīng)特殊要求。有些PLC廠家的AI輸入量程可選為100 mV,從而放大電路僅用一級(jí)儀器運(yùn)放即可完成轉(zhuǎn)換。

1.3 嵌入式單片機(jī)或PLC

開發(fā)嵌入式單片機(jī)可以選用多通道模擬輸入型,其A/D轉(zhuǎn)換分辨能力到12 bit比較好,如分辨能力到10 bit也可以滿足一些單一液體的測(cè)量,測(cè)量油水界面則分辨能力不會(huì)高過10 cm。

系統(tǒng)可以采用PLC作數(shù)據(jù)采集計(jì)算及結(jié)果遠(yuǎn)傳,很多PLC的A/D轉(zhuǎn)換分辨能力達(dá)到16 bit,接受4～20 mA,0～5 V,0～10 V等信號(hào)形式,且可以作比較復(fù)雜的控制計(jì)算,PLC多采用Modbus通信標(biāo)準(zhǔn),從而結(jié)果通過PLC內(nèi)置串行口遠(yuǎn)傳至控制室的SCADA系統(tǒng)。

2 測(cè)量方法

a)測(cè)量液面。當(dāng)液位在某一位置,測(cè)量棒所受的浮力即排開沒入液體部分的體積與液體密度的乘積,經(jīng)稱重傳感器測(cè)量讀出浮力,再經(jīng)嵌入式單片機(jī)或 PLC的程序計(jì)算得到液位高度。

測(cè)量單一液體液面的公式

式中 L——測(cè)量液位;Li——測(cè)量棒長度; RLi——測(cè)量棒位于空氣中的讀數(shù),理論上為一常數(shù);Rti——測(cè)量棒半沒于液位中實(shí)時(shí)讀數(shù)(溫度補(bǔ)償);Roi——測(cè)量棒全沒于油液中實(shí)時(shí)讀數(shù),理論上為一常數(shù)。

b)測(cè)量油水界面。各個(gè)測(cè)量棒同時(shí)讀數(shù)據(jù),半沒狀態(tài)的測(cè)量棒測(cè)出液位總高,全沒的測(cè)量棒其中之一位于油水界面,其所受浮力介于其總體積的排油與排水重量之間,從而計(jì)算得到油水界面。

測(cè)量油水界面的公式

式中 Yi——測(cè)量油層液位;Rwi——該測(cè)量棒全沒于水液中的讀數(shù),理論上為一常數(shù);Xi——該測(cè)量棒水層液位高。

c)測(cè)量密度。當(dāng)測(cè)量棒沒于液體中,其所受的浮力即排開沒入液體的體積與液體密度的乘積,經(jīng)稱重傳感器測(cè)量讀出浮力,由于測(cè)量棒體積已知,經(jīng)嵌入式單片機(jī)或PLC的程序計(jì)算得到液體密度。

水位高度即油水界面在各個(gè)測(cè)量棒的水層總和高度,X=X1+X2+…Xi。油層高度即油面在各個(gè)測(cè)量棒的油層高度總和,Y=Y1+ Y2+…Yi。液位總高是油水層液位高的和,即HXY=X+Y。

3 應(yīng)用方案舉例

一高度約12 m的原油沉淀中轉(zhuǎn)儲(chǔ)罐。測(cè)量棒6根,采用直徑 32.2 mm的不銹鋼管,壁厚1.5 mm,兩端焊接封堵,長度2 m,其總質(zhì)量約2.4～2.6 kg。稱重傳感器6臺(tái),采用南京藍(lán)科自動(dòng)化生產(chǎn)的稱重傳感器,量程為0～5 kg,輸出信號(hào)4～20 mA,PLC為1個(gè)LM3104CPU模塊及2個(gè)LM3310B模塊,接受4～20 mA,0～100 mV,0～1.0 V,0～5 V等AI信號(hào)。

以上三項(xiàng)總造價(jià)約8 000 RMB,加安裝調(diào)試費(fèi)用,總成本在10 000 RMB以內(nèi)。

如果考慮提高性價(jià)比,可以采用聚四氟、聚甲醛棒材料作測(cè)量棒,傳感器采用進(jìn)口,自主開發(fā)放大電路。PLC以嵌入式代替,以適應(yīng)用戶自身要求。

4 計(jì)算流程

流程中單一測(cè)量棒油水界面的計(jì)算過程如下:

如果實(shí)時(shí)讀數(shù)不小于空氣中讀數(shù),則 Yi=0; Xi=0;

如果實(shí)時(shí)讀數(shù)大于水中讀數(shù),同時(shí)實(shí)時(shí)讀數(shù)小于油中讀數(shù),則

如果實(shí)時(shí)讀數(shù)不大于水中讀數(shù),則

計(jì)算過程中RLti為各棒實(shí)時(shí)讀數(shù)。

5 結(jié)束語

該新型油水界面測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便;校準(zhǔn)容易而且不用經(jīng)常校準(zhǔn);校準(zhǔn)時(shí)采用砝碼,簡(jiǎn)單易行,而壓力傳感器或其他傳感器測(cè)量儲(chǔ)油罐幾乎無法定期校準(zhǔn);較浮筒彈簧磁偶翻板式更為簡(jiǎn)單;安全可靠,由于系統(tǒng)沒有動(dòng)件,所以無阻尼卡死現(xiàn)象,液下部分也沒有電器元件,所以液下沒有電線電纜,沒有防漏防短路的要求。

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