浮筒式油水界面檢測儀設計與實現

于光輝，陳 燕，馬春燕，竇銀科，馮治崗，常曉敏，張 艷

(太原理工大學 a.電氣與動力工程學院，b.水利科學與工程學院，c.材料科學與工程學院，太原 030024)

在原油的存儲過程中，儲油罐中不可避免會滲入一部分水；由于油和水的比重不同，原油中的水分會沉降在油罐底部。出于對油品純度的要求和對安全的考慮，需要通過油水界面檢測，最終實現油水分離[1-2]。傳統的油水界面檢測裝置，如磁致伸縮式界面儀，具有測量精度較低、電路器件易損害等缺點。近年來，出現了采用超聲波測距等技術的新型油水界面檢測裝置，其測量結果易產生漂移，需要定期標定，限制了檢測裝置的應用[3-4]。本文介紹的浮筒式油水界面檢測儀具有精度高、結構簡單、免維護等優點。該油水界面檢測儀主要用于大型油庫的立式圓柱形油罐和城市加油站等油庫的臥式圓柱形油罐[5-6]。

1 油水界面檢測儀結構及原理

浮筒式油水界面檢測儀的結構如圖1所示，由浮筒、重力傳感器、變送電路、單片機測控裝置等4部分組成。隨著油水界面的升降，浮筒受到的浮力會發生變化，重力傳感器的輸出電壓隨之變化；通過變送電路，實現電壓—電流的轉換；最后在單片機測控裝置中實時顯示油水界面的高度，并具有超出閾值報警和控制閥門自動排水的功能。

圖1 浮筒式油水界面檢測儀結構圖Fig.1 Structure diagram of float oil-water interface detector

2 浮筒結構及檢測機理

浮筒由中空鋼管焊接而成，浸沒在油罐內，保持直立狀態。上部通過鐵鏈與重力傳感器相連。

根據阿基米德浮力定律，當一個物體完全浸沒在液體中時，該物體所受到的浮力等于該物體排出液體的重力。表達式為：

F0=ρgV=ρgSH.

(1)

式中：F0為浮力；V為物體排出液體的體積；S為物體的面積；H為物體浸沒的高度；ρ為液體的密度；g為重力加速度。

設浮筒重力為G，油對浮筒產生的浮力為F1，水對浮筒產生的浮力為F2，則重力傳感器所受到的力F為：

F=G-F1-F2.

(2)

根據式(1)浮力F0為：

(3)

故油對浮筒的浮力F1為：

(4)

水對浮筒的浮力F2為：

(5)

則式(2)可寫為：

(6)

式中：D為浮筒的直徑；ρ1為油的密度；ρ2為水的密度；L為浮筒的長度；g為重力加速度；H為油水界面的高度；Δρ=ρ2-ρ1.

從式(6)看出，除油水界面高度H外皆為常數。故重力傳感器受力F與油水界面H呈線性關系，油水界面H越高，重力傳感器受力越小，呈反比關系。

3 重力傳感器結構及原理

重力傳感器固定于油罐上方，與浮筒相連。重力傳感器是一種將所受到的重力轉換成電信號輸出的器件，主要由彈性體、電阻應變計及檢測電路等3部分組成。彈性體是將力轉換成形變；電阻應變計是將形變轉換成電阻變化；檢測電路的主要部件是惠斯登電橋，它可以解決重力傳感器的補償問題，其功能是將電阻應變計的電阻變化轉換為電壓信號。

本設計采用的傳感器為平行梁式重力傳感器，型號為B-XA-6，最大量程為6 kg，靈敏度為(2±0.02) mV/V,輸入阻抗為(410±10) Ω，輸出阻抗為(350±1) Ω，工作電壓為9～15 V，非線性度為0.05%.由于該傳感器具有良好的線性度這一靜態特征，所受的重力與輸出的電壓呈現良好的線性關系。

當傳感器受到外力的作用后，彈性體產生變形，從而引起電阻應變片電阻率的變化。傳感器的輸出電壓U0為：

(7)

4 變送電路

變送電路的功能是將重力傳感器輸出的電壓信號轉換成電流信號，包括變送器及外圍輔助電路。變送器選用XTR101芯片。XTR101可以將傳感器差分形式的毫伏級電壓轉換成標準的4～20 mA二線制電流輸出。XTR101是以電流形式傳輸信號的，因此不受遠距離傳輸線阻抗壓降的影響。它的主要特征為：最大失調電壓僅為30 V；最大電壓漂移僅為0.75 V/℃；非線性度為0.01%；供電電壓范圍為11.6～40.0 V；溫度范圍為-40～+85 ℃，采用小型14引腳雙列直插式封裝[10]。由于XTR101的非線性度非常小，所以XTR101輸入的電壓值(即傳感器輸出的電壓值)與輸出的電流值呈線性關系。

圖2 XTR101內部結構Fig.2 Inner structure of XTR101

XTR101的內部簡化電路結構如圖2所示。其中，A1和A2為單電源儀表放大器，可控制由A3，Q1，R1和R2構成的電流源。根據放大器虛短的特征，3，5引腳等電位，4，6引腳等電位，故量程調節端5，6引腳的電位差即為輸入信號。引腳3，4為信號差分輸入端的負極和正極；引腳5，6外接跨導電阻，該電阻決定信號的輸出幅值，其引線應盡量短，以減少噪聲干擾和引線電阻帶來的增益誤差；引腳7為輸出端(4～20 mA標準電流環)；引腳8接電源正極。

當EIN=0時，內部與兩路恒流電流源(分別為1 mA)共同輸出電流4 mA.當EIN不為0時，輸出電流Iout：

(8)

當EIN=0時，Iout=4 mA；當EIN最大時，Iout=20 mA[11].

5 單片機測控裝置

單片機測控裝置放置于監控室內，包括I/V轉換接口、電源模塊、鍵盤、顯示模塊、外設控制模塊、報警模塊?；贛SP430F149單片機的測控裝置結構如圖3所示。

圖3 單片機測控裝置方框圖Fig.3 Block diagram of SCM monitoring and control device

I/V轉換接口接收來自于現場XTR101輸出的4～20 mA電流信號，由于電流信號的遠距離傳輸的特點，使用截面為1.5 mm2，長度為1 000 m的屏蔽雙絞線進行傳輸。I/V轉換接口的功能是將電流轉換為電壓，與單片機內部的A/D轉換模塊連接，即與P6.0口連接。

電源模塊包括24 V，12 V，5 V，3.3 V，分別為XTR101、重力傳感器、顯示模塊、單片機供電。鍵盤、外設控制模塊的電源電壓為5 V.

鍵盤選用4個獨立式按鍵，分別為復位鍵、設置鍵、增/減鍵、開關鍵，當有鍵按下時，中斷請求會被發送到CPU，中斷服務程序會在CPU響應后執行，鍵盤才會被掃描，它與單片機的P1口連接。

顯示模塊使用4位8段共陽極動態LED數碼管，用于顯示油罐中油水界面高度，它與單片機的P4口和部分P5口連接。

外設控制模塊是控制閥門的關斷，當油水界面的高度低于或高于閾值時，及時關閉閥門，它與單片機的P1.5口連接。若油水界面高度低于或者高于閾值，則P3.1口將由0置為1，此時蜂鳴器會發出報警聲音，對工作人員起到提醒作用[12-13]。

6 實驗電路

為驗證設計方案的合理性和可行性，我們在實驗室搭建了實驗平臺。具體實驗電路如圖4所示。

在實驗中，以外徑為110 mm、長為2 000 mm的有機玻璃管代替油罐，在有機玻璃管管壁上標有刻度，可以清楚地讀出油水界面的實際高度。浮筒由外徑為48 mm、長為1 000 mm的中空鋼管焊接而成，可以通過往浮筒內注水，來調整浮筒重心，從而保證浮筒保持直立狀態。

隨著油水界面的升高，重力傳感器的輸出電壓增大。在重力傳感器的激勵電壓正極端與信號輸出正極端之間并聯電阻R1和電位器R2，大小分別為50 kΩ，51 kΩ.由式(8)可知，變送器的輸出電流隨重力傳感器輸出電壓的增大而增大。

圖4 實驗電路Fig.4 Experimental circuit

重力傳感器的輸出電壓接入變送器XTR101的3，4引腳。5，6引腳連接跨導電阻R4，取值5.0 Ω.1，2，14引腳用于放大器的輸入偏置電壓零調整，三個引腳連接電阻R5和電位器R6，分別取值330 kΩ，19.1 kΩ.從10，11兩個引腳流出的兩個1 mA恒流源匯流通過R3，大小為2.5 kΩ，產生一個+5 V提升電壓，使XTR101進入線性工作區域。穩壓電源電壓為+24 V，通過二極管D與8引腳連接，二極管用于防止電源電壓極性接錯時對器件造成的損壞。C1，C2為旁路電容，濾除電源攜帶的高頻雜波，兩者均為0.01 μF.變送器將輸入電壓變換為電流。為調試電路方便，在此串入毫安表，用來讀取此處的電流。

變送器輸出的電流信號通過I/V轉換接口與單片機測控裝置連接。若油水界面的高度超出閾值，報警電路就會發出報警聲音，此時控制模塊就會自動控制閥門的關閉。由于單片機內置A/D模塊的輸入電壓范圍為0～3.3 V，所以要將4～20 mA電流變換為電壓，需要在變送器輸出端加一個阻值為165 Ω的電阻，即R7，通過電阻的一側與單片機的P6.0口連接。

實驗電路搭好后，通過測量浮筒在不同位置下，變送電路輸出電流和單片機顯示油水界面高度，并相應讀取有機玻璃管上的刻度，從而驗證實驗電路的準確性和可靠性。浮筒頂部的調整范圍為1 010～1 800 mm，每隔10 mm測量一組數據，共80組數據。

表1為浮筒頂部高度為1 040 mm時，電流表示數和單片機顯示的油水界面高度，以及有機玻璃管管壁上的刻度讀取油水界面的實際高度。最大誤差為4.848%，最小誤差為1.418%，平均誤差為2.934%，符合油水界面檢測儀測量誤差范圍的要求[14-15]。

表1 油水界面高度顯示值與實際值的數據對比Table 1 Data comparison of displayed and actual values of oil-water interface level

由表1的數據做出曲線，如圖5所示。圖中實際值曲線為一條直線，即電流表示數與油水界面實際值呈線性變化。從圖5中可以看出，兩條曲線是非常接近的，說明兩者誤差較小。浮筒在其它位置下的數據都有良好的線性度，平均誤差均在±3%以內，符合誤差要求。

圖5 油水界面高度顯示值與實際值的曲線對比Fig.5 Curve comparison of displayed and actual values of oil-water interface level

7 結論

本文設計了一種浮筒式油水界面檢測儀，利用線性度良好的器件，使油水界面高度的變化有規律可循。通過實驗得出單片機測控裝置的顯示值；與油水界面高度的實際值相比較，平均誤差較小，能夠滿足油水界面檢測儀測量誤差范圍的要求。該油水界面檢測儀具有結構簡單、經濟且使用方便的優點，減輕了工人的勞動強度，具有廣泛的應用前景。