數字式油水分界面高度測量傳感器設計

王洪濱 喬學工

(1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001； 2.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024)

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數字式油水分界面高度測量傳感器設計

王洪濱1喬學工2

(1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001； 2.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024)

為了隨時動態監測儲油罐的儲量，對目前常用的測量方法進行了研究，并設計了一種數字式油水分界面高度測量傳感器，經實驗證明，該傳感器具有測量精度高、抗干擾能力強和造價低的優點，解決了界面的實時在線監控問題。

儲油罐，油水分界面，測量傳感器，脈沖輸出頻率

0 引言

石油產品和食用油在加工、運輸及儲存過程中，不可避免有水分的存在，由于油品與水密度差異較大，靜態情況下極易出現油品在上水在下的分層現象，因此在儲油罐中形成了一個油與水之間的分界面。

在生產過程中需要隨時動態監測每個儲油罐中油品的實際儲存量，這樣就必須測量儲油罐的液位和油水界面高度兩個參數。精確測量油水界面的高度，對于工業生產具有重要意義。但是由于分界面自身存在著隱蔽性，對其精確測量一直是測量領域的一道技術難題。

1 國內外常用的測量方法

目前，國內外常用的測量方法有電容式界面計、超聲波式界面和射頻導納界面計[1]。電容式界面計的原理是通過電介質變化引起電容值變化來測量電容值與界面之間的關系；超聲波式界面計的原理是超聲波在不同密度介質中傳播速度不同[2]。超聲波發聲器向油水界面發射超聲波，接收器接收從油水界面反射回來的超聲波，從而根據超聲波在水中的傳播速度計算界面高度；射頻導納界面計的原理是根據被測介質表現出來的阻抗特性來體現油水界面位置。測量范圍廣、可以克服礦化度和掛油影響，因此被廣泛應用[3]。除以上幾種油水界面計之外，還有短波吸收式界面計、射線式界面計等。我國在研制界面計領域還相對薄弱，在現場主要使用射頻導納界面計和超聲波界面計等國外的產品。

隨著計算機技術的發展，如果在整個測量系統中傳感器能夠直接輸出數字信號，就不需要進行模/數轉換，因此傳感器技術數字化是必然的發展趨勢。數字傳感器輸出的是脈沖信號，不僅不需要進行模/數轉換電路，而且抗干擾能力非常強，相對而言可以提高測量精度，因為任何中間環節轉換的效率不可能是百分之百。

針對上述油水分界面測量技術中傳感部分普遍輸出是模擬信號的問題，本文設計了一種傳感部分可以直接輸出數字脈沖信號的油水分界面傳感器，具有直接可以和數字處理電路相連接、不需要模/數轉換中間環節的優點，從而使整個測量系統更為簡單合理。

2 傳感器測量機理

根據阿基米德浮力定律：

W=Veg=SHeg

(1)

式中：W——浮力；V——物體排出液體的體積；S——物體的面積；H——物體浸沒的高度；e——液體的密度； g——重力加速度。

如圖1所示，設浮筒重量為G，油品對浮筒產生的浮力為W1，水對浮筒產生的浮力為W2，則拉力彈簧所受拉力為：

F=G-W1-W2

(2)

油品對浮筒產生的浮力W1為：

W1=Se1g(D-H)

(3)

水對浮筒產生的浮力W2為：

W2=Se2gH

(4)

F=G-Se1g(D-H)-Se2gH=G-Sg(De1+HΔe)

(5)

式中：G——浮筒的重量；S——浮筒的圓面積；e1——油品的密度；e2——水的密度；D——浮筒的總長度；H——油水分界面的高度(至浮筒底部算起); Δe=e2-e1。

3 傳感器設計

4 實驗測試

浮筒參數設定：取浮筒重量14.5 kg，浮筒長度150 cm，浮筒直徑10 cm，浮筒壁厚0.4 cm，浮筒最大注水量9.9 kg，根據需要的重量通過絲孔給浮筒注入一定數量的水，注水完成后擰緊絲堵。

變送器參數設定：選用集成電路型號為SN74LS04六非門普通集成芯片(只使用兩個非門G1，G2)，選取電容C1=C2=0.1 μF,電阻R1=R2=R3=510 Ω,選取電感L起始(最小)電感量L=9.1 mH(對應傳感器測量上限150 cm)，電感L最大電感量L=21.3 mH(對應傳感器測量下限0 cm)。

校驗：浮筒注水5 kg，儲油罐注油不小于180 cm，取水的密度1 g/cm3，油品的密度0.75 g/cm3，計算浮筒同體積水的重量為11.8 kg，浮筒同體積油品的重量為8.8 kg，可看出在量程范圍內(150 cm)，拉伸彈簧承受拉力的變化范圍為3 kg，油水分界面每上升10 cm，拉伸彈簧承受的拉力減輕0.2 kg，根據上述條件選擇

儲油罐注水，注水高度為從浮筒底部10cm算起，測量變送器脈沖輸出頻率f=3.572kHz，對應拉伸彈簧所承受的拉力為19.3kg(14.5+5-0.2=19.3)。第二次給儲油罐注水，高度為10cm，測量變送器脈沖輸出頻率f=3.816kHz，對應拉伸彈簧所承受的拉力為19.1kg。第三次給儲油罐注水，高度為10cm，測量變送器脈沖輸出頻率f=3.938kHz，對應拉伸彈簧所承受的拉力為18.9kg。直到第十五次給儲油罐注水，高度為10cm，測量變送器脈沖輸出頻率f=5.284kHz，對應拉伸彈簧所承受的拉力為16.5kg。校驗過程結束。

5 結語

本文設計的數字式油水分界面高度測量傳感器優點是直接輸出脈沖數字信號；測量精度高；抗干擾能力強；造價低，可以隨時對各儲油罐的儲量進行動態監控，解決了界面的實時在線監測問題，在煉油廠、油脂廠等領域具有巨大的應用潛力。

[1] 趙 亮.射頻導納界面計在三聚甲醛萃取工藝中的應用[J].華東科技(學術版)，2014(8)：24.

[2] 馬麗云，王 飛.超聲波流量計及其應用[J].儀器儀表，2004(42)：37.

[3] 任 磊，陳祥光，劉春濤.原油儲罐測量方法的研究及應用[J].儀器儀表學報，2008(8)：171-172.

[4] 邱光源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5] 王淵朝，彭 斌，黃武林.一種LC諧振無線無源溫度傳感器的研究[J].傳感技術學報，2013(10)：1341-1344.

[6] 張寧寧.RLC串/并聯諧振電路的特性分析及應用[J].價值工程，2012，2(14)：36-37.

Design of digital oil water interface height measurement sensor

Wang Hongbin1Qiao Xuegong2

(1.ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030001,China; 2.CollegeofInformationEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

In order to dynamically monitor the storage of the storage tanks in real-time, a digital oil water interface height measurement sensor is designed through studying the common measurement method, experimental results show that the sensor has high measurement precision, strong anti-jamming capability, and the advantages of low cost, it solves the problem of the real-time online monitoring of the interface.

stock tank, oil water interface, measurement sensor, pulse output frequency

1009-6825(2016)26-0213-02

2016-07-01

王洪濱(1967- )，男，高級工程師； 喬學工(1968- )，女，博士，副教授

TU198

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