伺服在線液位計在油罐自動計量中的應用

張海　袁海寧

摘 要：詳細描述了伺服在線液位計的組成，解釋了伺服在線液位計每個部分的作用，以及伺服在線液位計的工作原理。對油罐中油水密度及界面的測量難點進行了分析，指出常規測量方法難以有效計量的原因，同時對比分析了伺服在線液位計與傳統計量工具在測量精度及重復性上的優勢。最后對伺服在線液位計的實際應用做出了解釋。

關鍵詞：伺服在線液位計；油罐；自動計量

Abstract：The composition of the servo on-line liquid level meter is described in detail， explaining the role of each part of the servo on-line liquid level meter and the working principle of the servo on-line liquid level meter. The difficulties in measuring the oil-water density and interface in the oil tank were analyzed. The reasons why the conventional measurement method was difficult to measure effectively were pointed out. At the same time， the advantages of servo on-line densitometer and traditional dose tool in measurement accuracy and repeatability were compared and analyzed. Finally， the practical application of the servo on-line liquid level meter is explained.

Keywords：Servo on-line liquid level meter；oil tank；automatic metering

在成品油開采及成品油儲運過程中，對油罐內液面監測及管內液體液位計量具有較高精度要求，又由于油罐儲量越來越大，油水易分層，傳統的測量方法如檢尺法、靜壓法和液位法均采用單獨測量油罐內液面高度的辦法，不能準確測量出油水分界面及油水密度，無法實現油罐自動計量的有效性與準確性。隨著科學技術的發展，油罐計量技術已經逐步從物理方法升級到光電一體化測量技術。在如今大規模應用的現代計量技術中，伺服液位計由于既可以測量液面高度同時還可以測量油水界面、高度、罐底等參數，具有較高精確度而被廣泛使用。下面，重點介紹伺服液位計工作原理及實際應用。

1 伺服液位計工作原理

1.1 伺服液位計組成

伺服式液位計一般由浮子、測量鋼絲、輪鼓、齒輪、伺服電機、編碼器、磁耦器、CPU等原件組成，如圖1所示。伺服式液位計浮子在油罐中受到重力及浮力兩個力的作用，在微伺服電動機的驅動下，可以精確的測出油罐中液面高度、油水分界面等參數。

當伺服式液位計正常工作時，浮子重力與浮力的差值通過測量鋼絲傳遞到外輪鼓，通過置于內部的磁鐵耦合，產生磁偶力矩，改變磁通量，再通過帶有溫度補償的電磁傳感器-霍爾原件轉換成電信號輸出。浮子處于平衡位置時，即輸出電壓與CPU參考電壓相同。當浮子失去平衡，通過測量鋼絲傳遞到輪鼓，引起磁通量變化，即輸出電壓發生變化，與CPU電壓差值會驅動伺服電機，調整浮子位置重新處于平衡狀態。伺服式液位計精度可以達到0.7±mm。

1.2 液位測量

一般伺服式液位計浮子重量為250g，直徑為50mm，體積為140mL，當浮子處于平衡狀態時體積為整個體積的1/2，即70mL。

其中M1為平衡重量，單位為g；M2為浮子重量，單位為g；V1為平衡體積，為70mL；ρ為介質密度，0.8g/mL。

1mm液位引起的重量變化為：

其中M為1mm液位引起的重量變化，單位為g；S為浮子截面積，單位為cm2，ρ為介質密度，0.8g/mL。

1.3 界面測量

伺服式液位計可以對油罐兩個界面進行測量。理想工況下，假設油水界面非常清晰，在CPU輸入“上密度”和“中密度”值，牽引浮子的測量鋼絲受力為：

其中F為牽引浮子的測量鋼絲受力，G為浮子受到的重力，V為浮子體積，ρ1為上部液體密度，ρ2為下部液體密度，Vb為浮子平衡時浸入中部被測介質的體積。

在實際工況中，由于油水分層現象不明顯，導致ρ1及ρ2不是完全選擇油水密度，必須根據油水界面實際密度來選擇ρ1及ρ2的值。

1.4 密度測量

油罐內液體液位測量采用阿基米德公式，即：

其中：G為浮子重力；F為牽引浮子的測量鋼絲受力；V為浮子體積。

2 系統安裝后可以實現以下效果

①實現監測儲罐內的油位，減少95%以上的爬罐作業，降低了安全事故風險；

②實現了多點密度、多點溫度、油水界面的自動測量，減少了因人為原因帶來的偏差；

③實現了儲罐內介質的標準密度、標準體積、質量的自動換算，幫助油庫進行日常的運營管理；

④實現了儲罐由上至下多點密度的自動測量以及定點高度的密度測量，能夠比較直觀的發現油品分層問題；

⑤液位計可設置液位安全高度，能夠實現高、低液位報警功能，保證油品不會溢出，杜絕溢油安全事故的發生，維護油庫安全；

⑥通過該系統能夠及時發現閥門沒有關閉或者關嚴，甚至儲罐滲漏等現象，降低油品損失；

⑦遠程實時查看、分析儲罐數據，有助于管理層高效制定生產經營計劃，提高綜合管理水平；

⑧實時了解儲罐狀態信息，杜絕滴、跑、冒、漏。

伺服式液位計不僅測量精度上具有絕對優勢，在測量重復性上也非常好。伺服式液位計采用浮力平衡原理，通過測量鋼絲將浮子受到的力的變化傳遞到輪鼓中，由于測量鋼絲精度高，自帶溫度補償功能，所以傳遞過程中不容易出現力的損耗及慣性，對油罐中液體浮力表現更加真實，即液體密度測量更加準確。

3 結論

在成品油儲運及成品油輸送中，尤其是成品油這類成分復雜，狀態多變的混合物進行計量，大多數依靠浮力測量油水界面及密度的方法均不能很好地進行計量。伺服液位計不僅解決了儲罐液位精準測量問題，還可測量儲罐內液體的多點密度、溫度，實時掌握儲罐密度分布情況，并實現儲罐內介質的標準密度、標準體積、質量的自動換算，幫助油庫進行日常的運營管理，減少95%以上的爬罐作業，降低安全事故的風險。

參考文獻：

[1]陳子琦.伺服式液位計的原理和應用[J].儀器儀表用戶，2013（1）：45-46.

[2]李競武.物位測量新技術及我國的物位儀表行業概況[J].中國儀器儀表，2007（9）：21-26.

[3]趙泉，王慶紅.伺服式液位計測量原理[J].油氣田地面工程，2003，22（7）：83-84.

[4]張金林.罐區自動計量技術國內外發展綜述[J].浙江化工，2004，35（6）：28-30.