油-水兩相界面測量技術綜述

馬世海 吳 珂 李曉薇

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

油-水兩相界面測量技術綜述

馬世海 吳 珂 李曉薇

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

介紹當前在油-水兩相介質界面測量方面經常采用的儀表，并通過分析儀表的原理和發展情況，總結了各類儀表的使用條件及其優缺點。

界面測量 油-水兩相 測量技術

在現代工業技術迅猛發展的大環境下，工藝設備的液位測量遍及生產的各個環節。當前，在石油、冶金、化工及核工業等領域，不但要求過程測量的精度高，而且還要求儀表能夠適應工業現場的高溫、高壓、強放射性及腐蝕性等特殊現場環境，以及測量信號的遠傳等[1～3]。

對工業過程中的液位進行測量時，根據介質不同，液位的測量類型可分為氣液、液液和液固3種[4,5]。其中液液兩相界面的測量技術主要包括浮子、電容、磁致伸縮、導波雷達、吹氣及光纖等測量方式[6～19]。筆者主要對油-水兩相界面的測量技術進行介紹和分析比較，根據測量儀表的測量方式不同，按照接觸式和非接觸式兩種方式進行說明。

1 油-水兩相界面接觸式測量①

測量用的傳感器通過與罐內存儲介質接觸進行界面測量即為接觸式測量。當前的界面測量技術中以浮子式、電容式、磁致伸縮和導波雷達為傳感器的系統較多，下面分別對它們的測量方式進行分析。

1.1浮子式液位計測量系統

1.1.1結構與原理分析

利用浮子在不同密度的液體中，能夠形成不同浮力的原理進行測量的方式即為浮子式兩相界面測量，圖1為浮子式液位計測量系統原理示意圖。浮子在整個浮子液位計的測量系統中是最關鍵的測量部件，浮子的動作要求能夠十分靈敏地反映界面位置的變化，測量的精度和浮子的密度與外形直接相關，因此，要求浮子設計有一定的截面積和一定的外形高度。另外，根據現場介質情況、測量范圍和兩相介質的密度的關系，應對浮子材料進行合理的選擇和設計。

圖1 浮子式兩相界面測量原理示意圖

1.1.2應用分析

20世紀60年代末到80年代，浮子式液位儀表在國外大型油罐的相關測量方面被廣泛應用，其中美國VAREC公司的2500型鋼帶浮子液位計是主要的代表產品[15]，但是由于這類儀表的固有缺點——機械摩擦影響計量精度，隨著計量精度要求的不斷提升，后期逐步出現了伺服液位計，在儀表中通過引入伺服馬達消除了摩擦誤差，提高了測量的靈敏度和精度。但是測量浮子在滑動桿上容易卡塞的問題依然存在，影響了該類儀表的進一步應用。

進入到20世紀80年代，我國石油儲罐的界面測量開始得到重視，于是測量儀表國產化迫在眉睫。大連第五儀表廠成功研發了我國第1臺浮子鋼帶液位計，該儀表具有測量精度高、現場指示器明顯、指示清晰、相對價格便宜及維護方便等特點。后來，隨著我國石油產業的迅速發展，對原油儲罐的測量儀表也提出了更高的要求，于是國內的多家儀表廠在市場導向下，通過技術引進、自主開發等方式改進或研制了多款儀表，如：北京自動化儀表廠引進的美國VAREC公司的液位計，大連第五儀表廠繼浮子鋼帶液位計后推出的伺服馬達式液位計等，這些國產液位計的出現，很好地滿足了國內石油工業對于油罐界面測量的需求。

浮子式液位計儀表的結構簡單，因此，在大型油罐界面測量中被廣泛使用，測量滿足要求。但是該類儀表由于浮子卡塞的原因，不適用于粘度較大的原油界面測量；并且由于測量儀表容易受到腐蝕造成鋼帶斷裂的情況，存在維修困難等問題。

1.2電容式界面儀表

1.2.1結構與原理分析

電容式傳感器的測量原理是將非電量的物理參數變化(如界面高度等的變化)轉換為電容量的變化，采用這種方式開發的電容式界面儀表根據溶液介質中介電常數的不同，通過公式推導，測量的電容值與界面呈線性變化關系，進而可以計算出界面高度。圖2為電容式傳感器測量油-水界面的原理示意圖。

圖2 電容式傳感器界面測量原理示意圖

在容器內部插入測量電極，則電極與容器內壁之間可以看作是一個電容器。界面以上部分看作是一個固定的介電常數，界面以下部分為水溶液的介電常數，兩者并聯構成了整個電容，則容器測量到的總電容C的計算式如下[16]：

(1)

式中C0——界面以上介質充滿容器時的電容，F；

C1——界面以下介質的電容，F；

C2——界面以上介質的電容，F；

D——圓柱容器內壁直徑，m；

d——插入電極直徑，m；

H——待測界面高度，m；

k——兩相介質介電常數的相對系數，F/m；

L——容器高度，m；

ξ0——真空介電常數，F/m；

ξ1——界面以上部分的介電常數，F/m；

ξ2——界面以下水相部分相對常數，F/m。

可以看出，通過傳感器測量到的總電容C與油-水界面高度H之間存在著可以計算的線性關系(即式(1))，對此電容值進行必要的公式轉換計算，就可以計算出油-水界面的位置。

但是電極掛料問題造成的測量影響對電容式界面儀來說是無法消除的，特別是在對粘性介質進行測量時，容易造成較大的測量誤差，這也在很大程度上限制了電容式界面儀表的使用和發展。

為了解決電容式界面儀表的掛料問題，后續研制出了基于射頻導納原理的兩相界面儀表，該原理主要是采用高頻電流測量探頭與容器兩個極板間的電容值來計算界面，這種方式是在傳統電容式界面儀表的基礎上進行的改進，實現了抗粘附和抗冷凝的功能。

1.2.2應用分析

在電容式界面測量這一領域的研究與應用，國外公司己經研發了比較先進的測量儀表，尤其以美國為代表的諸如Drexelbrook公司和Honeywell公司，特別是Drexelbrook公司的射頻導納電容式液位計，能夠精確測量出導納值，進而得到精確的界面。

目前國內已經有一些關于電容式液位測量的研發機構，并且基本上處于技術的前沿領域，如上海集成儀器儀表研究所等，但產品在測量性能等方面與國外同類儀表在精度、量程及分辨率等方面還有一定的差距。

當前在眾多工業界面檢測時采用了電容式界面測量技術，主要是由于該類儀表具有靈敏度好、輸出穩定、動態響應好及成本低廉等優點[13]。但是由于電容液位計存在掛料問題的影響，使得一些工況的使用受到制約，但是射頻導納技術的出現，很好地解決了電容界面儀表在測量過程中的掛料問題，使得射頻導納電容界面儀表的應用范圍得到進一步拓展。

1.3磁致伸縮液位計

1.3.1結構與原理分析

磁致伸縮液位計也是根據浮子的動作來測量界面的，它是根據法拉第電磁感應定律、磁致伸縮效應和超聲傳輸原理研制的高精度界面測量儀表。

磁致伸縮傳感器通過變送器內的脈沖發生器，將窄脈沖信號加載到波導絲上，該脈沖會沿波導絲傳播，在脈沖的影響下，其周圍會產生一個固定的環向磁場，當環向磁場與帶有固定磁鐵的浮子產生的磁場相遇，兩個磁場就會互相疊加形成螺旋磁場。該螺旋磁場浮子的當前位置產生瞬時形變，形成彈性波，檢測線圈能感應到由彈性波所引起的磁場強度的變化，進而推算出界面位置[9]。

磁致伸縮界面儀表主要由傳感器頭部、活動浮子、不銹鋼探測桿和阻尼器4部分構成。傳感器頭部是由一個容納檢測裝置的電子腔室和對應的檢測裝置構成，而且在不銹鋼探測桿內安裝有波導絲和導線，活動浮子中封裝有永久磁鐵，并且通過探測桿浮子可上下滑動，阻尼器主要由橡膠材料等減少振動和吸波的材料制成。

同浮子式界面儀表類似，界面測量的準確性取決于磁致伸縮界面儀表的浮子設計。浮子的結構設計應從以下方面考慮[9]：

a. 外形。為了保證能比其他結構液位計的質量更輕，同時浮子的高度不大于要求的測量死區要求，浮子一般設計為球體或圓柱形，否則測量會受到影響。

b. 密度。浮子介質的密度選取取決于被測界面的兩相密度，應保證浮子密度小于水相密度，大于油相密度，使浮子能夠處在界面上。

c. 材料。由于浮子需要長期浸沒在介質中，尤其是具有強腐蝕性的介質，要求浮子材料具有質量輕、耐腐蝕、密封性好及摩擦系數小等特點。

1.3.2應用分析

20世紀60年代，在美國、日本等發達國家率先研究與發展了磁致伸縮傳感器，使得工業界面測量領域又多了一種新的選擇。到了20世紀80年代，首先將磁致伸縮界面傳感器應用到油罐測量技術上的美國MTS(Mechanical Testing & Simulation)公司，也將磁致伸縮原理進一步拓寬使用范圍。進入到21世紀后，新型材料和新技術的大量出現，使得磁致伸縮界面儀表的總體性能也在不斷提高。目前，由于產品性能的區別，在磁致伸縮液位界面儀表市場中，國外的儀表廠家占據了絕大數份額，尤其是美國的MTS公司的產品。

我國磁致伸縮界面儀表的研究起步于20世紀90年代，但是由于國際上在該項技術方面對我國的技術封鎖以及國外產品的大量涌入，使得我國的技術部門在該類產品研制上遇到了很大壓力。但是，我國技術人員還是克服了重重阻力，使得磁致伸縮傳感器技術有了一定的發展。目前，國內的廣東康宇測控儀器儀表工程有限公司和北京京儀海福爾自動化儀表有限公司都在生產磁致伸縮傳感器，但是在產品的性能(如測量精度、輸出類型等)方面和國外公司的產品還存在差距。

磁致伸縮界面測量儀表的精度高，可以達到±0.5mm。近年來，其使用范圍也越來越廣泛，但對于一些比較粘稠的介質，容易發生浮子卡塞，造成測量錯誤；并且由于價格相對較高，從而限制了它在一些場合的使用。

1.4導波雷達物位計

1.4.1結構與原理分析

雷達物位計包括脈沖雷達、調頻連續波雷達和導波雷達物位計3種，前兩種物位儀表為非接觸式測量儀表，使用范圍廣泛，但對于兩相界面測量存在難度；第3種導波雷達物位計屬于接觸式測量儀表，具有較高的測量精度，對于油-水界面的測量在一定條件下也可以實現。

導波雷達的測量原理是基于時間行程，儀表測量時，探頭發出電磁波并沿導波桿或纜繩傳播，信號首先通過液面反射一次，當波傳播到界面位置時將再一次反射電磁波信號(圖3)，在接收端通過兩次反射波的接收時間差的計算，得到界面位置。

圖3 導波雷達信號傳播示意圖

從儀表結構方面劃分，可以將導波雷達分為桿式或纜式儀表，高頻電磁信號通過儀表桿或纜繩傳播，傳感器的返回信號強度是與被測介質的介電常數以及導電性能直接相關的，兩者是正比關系，也就是說，如果介電常數越大、導電性能越好，則回波信號越強。對于導波雷達液位計這類電磁波傳感器而言，回波信號的強弱是一個重要因素，它直接影響測量界面的準確性。

1.4.2應用分析

從20世紀80年代開始出現雷達物位計，并且逐步發展起來，目前在國際上生產雷達物位計的企業有很多，最早的生產企業主要有德國Vega公司、瑞典SAAB(Svenska Aeroplane Aktiebolaget)公司等。早期在對時間進行準確測量時主要采用時間拓展法，產品精度約為5～10mm[7]。經過后來的技術發展，目前測量精度可以達到±3mm。對于介電常數為1.2F/m的介質，導波雷達依然能夠進行測量，并且向著適應更惡劣環境和更智能化的方向發展。

雷達物位測量產品在國內的起步發展要晚很多，北京古達儀表有限公司是最早在國內從事雷達物位計等相關開發研制工作的公司。2003年，國內第1臺雷達物位計在北京瑞普阿司克自動化儀表有限公司研制成功，其前身就是北京古達儀表有限公司[7]。當前，由于真正擁有核心技術的公司為數不多，雖然有越來越多的廠家加入這個行列中，但更多的產品還處在國外一代產品的水平，同時國內的導波雷達產品同國外相比，在安裝和維護方面也還存在著一定的差距。

由于導波雷達在用于界面測量時不受介質常規物理參數影響(包括密度、導電率及溫度等)，因此可以適用于很多工況，但要求形成兩相界面介質的介電常數相差較大，才能準確測得界面位置(如油、水界面等)。

2 油-水兩相界面非接觸式測量

非接觸式界面測量技術的特點是，測量傳感器不直接與被測介質接觸，而采用輔助手段。當前非接觸界面測量技術和裝置主要包括吹氣儀表、光纖界面儀等。

2.1吹氣儀表

2.1.1結構與原理分析

采用吹氣原理測量界面，是利用油-水兩相介質的密度不同，將壓縮空氣連續不斷地向被測介質中吹入，利用在不同介質深度形成的壓差，通過計算得到界面高度。

吹氣儀表主要由空氣過濾減壓閥、小流量控制閥與玻璃轉子流量計構成的吹氣裝置，差壓變送器，波紋管防污隔離閥(根閥)和伸入設備的吹氣管組成。其工作原理如圖4所示。

圖4 吹氣儀表測量界面原理示意圖

當壓縮空氣從壓空管吹入，通過過濾減壓閥后，被均勻地吹入吹氣管中，當吹氣管下端液面位置的靜壓小于吹氣管內的壓力時，壓縮空氣便從吹氣管下端通過氣泡冒出，這樣在差壓變送器上指示的信號即為兩吹氣管對應位置的靜壓值。壓力p和液位h的關系如下：

p=ρgh

(2)

由式(2)可以推導出界面高度H的計算式為：

(3)

式中H0——下吹氣管口到設備底的高度，m；

Hx——界面到下吹氣管口的高度，m；

L——兩吹氣管距離，m；

pd——差壓變送器指示的壓差值，Pa；

ρ水——水相密度，kg/m3；

ρ油——油相密度，kg/m3。

吹氣儀表的工作原理屬于壓差測量方式的一種，對于界面的測量，屬于非接觸式間接測量。儀表的適用范圍廣泛，對于大多數油-水兩相界面的工況均可以滿足測量要求。

2.1.2應用分析

過去由于吹氣儀表結構相對簡單，屬于非接觸式測量方式，可以滿足對人員無法接近區域的測量，因此，國外的一些工廠開始大量使用吹氣原理的界面測量儀表，甚至國外的核工業也在大量使用，如：法國La Hague廠、英國Thorp廠等，但是當時吹氣儀表中采用的元件大部分都是分立元件，大量儀表的集中安裝有一定困難，對于儀表的管理和維護也非常不利，并且測量精度也受到一定影響。

當前，在我國的核化工廠房中已經大量使用了吹氣儀表來測量液位、界面、柱重及密度等參數[12～14]。早在20世紀60年代，我國就已經開始采用吹氣法對早期核放射性化工廠房的工藝設備界面進行測量，但由于當時的技術條件所限，也只是采用了分立元件的方式。后來通過大量的科研和試驗，這些分立元件被組裝到一個控制箱中，形成了吹氣裝置，這種裝置在對界面進行測量時，為用戶提供了極大的方便。目前，國內只有上海光華儀表廠成功研制生產了吹氣裝置，并在多個核設施成功應用，得到了比較好的評價。

吹氣儀表適用于腐蝕介質，或者是由于輻照等原因人員不宜靠近的區域，該方法簡便可靠，在核工程中應用廣泛，使用效果良好。但是，由于吹氣儀表屬于間接測量儀表，對于精度要求高的場合，要慎重使用。

2.2光纖界面儀

2.2.1結構與原理分析

基于光的折射原理，經過研究后，開發研制了光纖傳感器，實現了利用光纖傳感器對油-水兩相界面的測量。

介質a的折射率為n1，另一介質b的折射率為n2，且n1>n2。當光線從a中向b中入射時，入射角度為θ1；通過兩相介質界面時，折射角為θ2。根據上述關系，推算出的平行反射系數r平行和垂直反射系數r垂直分別為[8]：

(4)

(5)

根據式(4)、(5)得到的光的折射率R的計算式為：

(6)

光纖界面儀測量油-水兩相介質的界面就是基于上述原理研制的。油的折射率一般為1.48～1.50，而且常見的油、水兩相介質中油的折射率也在這個范圍之內；而水的折射率一般可以達到1.33[8]，兩個數值有著明顯不同，于是一般可選用折射率為1.48的光纖芯。

假設探針浸沒在油相時，可以發生光的全透射現象；當探針浸沒在水相時，光線經過界面時由于兩種介質的折射率不同會發生反射現象。由于兩種不同的透射和折射現象發生，就能使用光纖油-水界面傳感器測量出油-水兩相界面。

2.2.2應用分析

早在1983年，Spenner就提出利用光纖原理制作光纖液位傳感器，經過多年的發展，已經開發出了各種形狀的光纖探針，在液位測量領域，這些光纖探針傳感器嘗試被應用。在后續的科研實驗研究過程中發現，光纖探針的形狀在滿足一定條件時，光纖傳感器能夠檢測油-水兩相界面。而光纖探針是將兩根光纖焊接在一起制作而成的。

在20世紀70年代末，我國開始研究光纖傳感器，目前，已經有多個科研院所在光纖傳感器領域開展了深入的研究工作，如清華大學、中國工程物理研究院等，并且取得了很高的具有實用價值的科研成果，有的甚至能夠達到世界先進水平。不過，在看到所取得的成績的同時，仍然不能忘記存在的一些劣勢，目前，我國大多數的相關研究還處于實驗室階段，而未能實現工程化和批量生產。因此，目前我國在光纖傳感器方面取得的研究成果與發達國家相比還有很大差距，尤其是在研究成果的產業化和商業化方面差距更大。

光纖傳感器自身靈巧的特性，決定了它在測量過程中總是靈活地實現測量和檢測，在檢測過程中能夠適應的檢測介質類型廣泛；并且在抗電磁干擾、靈敏度等方面，光纖傳感器自身具有很強的適應性；同時，由于它對被測介質依賴小，能夠實現非接觸等測量方式，使它在現代工業的多個領域中，如航天、航海、石油、化工及核工業等，均有廣闊的應用前景。

3 總結與展望

界面測量技術的發展經歷了由人工測量到機械式測量，再由機械式發展到光機電一體化的方式，發展到現在的自動化智能化測量過程。當前界面測量方向的主要發展趨勢是智能化、非接觸方向，智能化儀表的使用越來越廣泛，包括各種總線儀表、無線儀表等；非接觸測量技術可以更好地適應多種測量工況。另外，一些新技術的應用，如：熱成像技術、靜電感應式及改進的電容式技術等，在界面測量領域都取得了較好的應用效果。

我國當前界面測量領域的研發和生產已經有了較大提高，在很多技術方面都已經達到了世界領先水平，能夠很好地滿足現場檢測要求。但是，也要清醒地認識到目前我國同世界先進水平相比，還很長的道路要走。

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ReviewsofTechnologiesforOil-WaterInterfaceMeasurement

MA Shi-hai, WU Ke, LI Xiao-wei

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China)

The instruments commonly-used in oil-water interface measurement were introduced. Through ana-

TH816

A

1000-3932(2016)12-1233-07

2016-09-05(修改稿)

國家科技重大專項——大型核燃料后處理廠關鍵工程技術方案研究(2010ZX06201-01)