基于溫度補償的儲油罐液位監測系統的設計與實現

張仙偉 王何慶 張倩

摘 要：在石化行業中，液位測量具有舉足輕重的意義。基于溫度補償的儲油罐液位監測系統中，磁致伸縮液位傳感器能檢測到所需要的數據。該數據與溫度傳感器檢測到的數據一起在 GPRS通信模塊的作用下傳輸到數據中心。數據中心應用溫度補償算法來處理數據。該種測量方法可以準確地測量出油氣液位、油水液位以及儲油罐內的溫度從而測量出原油產量。本系統通過儲油罐實地試驗以及應用中發現這種測量方式安全可靠，能夠直觀地反映儲油罐液位，可以實時地監測儲油罐內液面的變化。除此之外，測量誤差可以實時校正，具有良好的推廣實用性，是一種新型的儲油罐液位監測系統。

關鍵詞： 液位測量;自動測量;溫度補償;GRPS;磁致伸縮

【Abstract】 In the petrochemical industry， liquid level measurement plays a pivotal role. In the temperature compensation based tank level monitoring system， the magnetostrictive level sensor can detect the required data. This data is transmitted to the data center under the influence of the GPRS communication module together with the data detected by the temperature sensor. The data center applies a temperature compensation algorithm to process the data. This measurement method can accurately measure the oil and gas level， the oil and water level， and the temperature inside the storage tank to measure the crude oil production. The system finds that the measurement method is safe and reliable through the field test and application of the oil storage tank， which can directly reflect the liquid level of the oil storage tank， and can monitor the change of the liquid level in the oil storage tank in real time. In addition， the measurement error can be corrected in real time， with good generalization and practicality. It is a new type of oil storage tank liquid level monitoring system.

【Key words】 ?liquid level measurement; automatic measurement; temperature compensation; GRPS; magnetostriction

1 發展趨勢

隨著科學技術的發展，越來越多的新技術將應用于儲油罐液位的測量。特別是對于新傳感技術的應用，液位測量將更加精確和經濟[1]。同時，液位測量設備也將趨于小型化和智能化。磁致伸縮液位傳感器是趨勢之一。磁致伸縮液位傳感器易于安裝，測量精度高，但液體密度和溫度變化會導致測量誤差[2]。

2 國內外研究現狀

自動測量液位對于液位監測至關重要。 目前針對液位的自動測量有很多種技術方法，諸如： 吹氣法、差壓法、HTG法等[3]。 為了提升液位監測系統的準確性，就需要對液位監控系統進行高精度測量。常見的液位計包括電容式液位計、超聲波液位計、微波液位計、雷達液位計等[4]。其中，電容式液位計價格低廉，易于安裝，適用于高溫、高壓場合，但精度低，需定期維護和重新校準，使用壽命不長。超聲波液位計使用超聲波，超聲波的傳播速度受介質密度、濃度、溫度和壓力等因素的影響，測量的精度低[5]。微波液位計受微波速度的限制，并且幾乎不受傳播介質、溫度、壓力和液體介電常數的影響。 然而，液體界面的波動，液體表面上的泡沫和液體介質的介電常數對微波反射信號的強度有很大影響。當壓力超過規定值時，將直接關系到液位測量的準確性。雷達液位計具有較高的測量可重復性，無需定期維護和重新校準，測量精度高，但價格昂貴，難以測量油水界面。

3 系統總體實現

3.1 系統研究內容

儲油罐液位監測系統改變了傳統的人工檢尺和化驗分析的方法，為了能夠給生產操作和管理模塊提送準確的測量數據，液位傳感器安裝在儲油罐上，傳感器測量的數據通過 GRPS通訊模塊發送到控制中心。 測量數據的分析和處理由控制中心來執行相應指令。 實時監測儲油罐內液面的變化，及時準確地掌握油井生產動態，為生產指揮和技術方案提供決策依據，提高油田自動化管理水平。 系統的主要功能可表述為：

（1）測量油氣液位。

（2）測量油水分界。

（3）測量儲油罐內溫度。

（4）將測量的原始數據傳輸到控制中心。

（5）控制中心根據溫度補償算法，通過測量的原始數據計算出油氣液位和油水分界線高度，從而計算出原油產量。

（6）統計分析油井產量。

3.2 系統技術難點

對于石油檢測，液位監測是必不可少的部分。在實際操作中，液位監測起著非常重要的作用。 常見的液位監測系統有：光電液位監測系統、電容式液位監測系統、雷達液位監測系統和改進的浮球監測系統[6]。 但是這些液位監測系統在測量油水、油氣分界上，只能測量油氣分界，無法準確獲得真實的石油產量。 而基于溫度補償的儲油罐液位監測系統能同時測量油水和油氣分界，能夠準確計算出石油的產量，以及油水比例。當使用溫度補償算法校正測量數據時，磁致伸縮液位傳感器會因液體密度和溫度的變化而產生測量誤差[7]。基于溫度補償的儲油罐液位監測系統通過溫度傳感器測量儲油罐內的溫度。 通過溫度補償算法，精確計算出油水液位和油氣分界，從而計算出原油產量。

基于溫度補償的儲油罐液位監測系統的重要性和創新主要體現在： 高精度和高重復性測量，同時測量油水分界和油氣分界，能夠精確計算產油量。

3.3 系統技術方案

在儲油罐安裝液位傳感器，通過GRPS通信模塊將傳感器測量的數據發送到控制中心，由控制中心實現對測量數據的分析和處理。 整個系統的結構設計如圖1所示。

在油罐液位監測系統中，所選用的傳感器主要是磁致伸縮液位傳感器。該傳感器使用Wademan效應通過現代先進的電子技術精確測量發射脈沖和扭轉波脈沖之間的時間值， 達到精確測量液體液位的目的[8]。 傳感器的主要部件包括磁致伸縮線（波導絲）、測量桿、電子隔間和放置在測量桿上的非接觸浮子（帶有永磁體），其設計機理結構如圖2所示。

當傳感器工作時，傳感器的電路部分在波導線上沿波導傳播時將激發波導線上的脈沖電流。該電流將會在波導線周圍產生電流磁場。浮子放置在傳感器桿外部，隨著液位變化，浮子沿桿向上和向下移動。 在浮子內部有一組永久磁環。當浮子產生的磁環磁場遇上脈沖電流產生的磁場時，浮子所產生的磁場發生改變，使得波導絲在浮子的位置處產生扭轉波脈沖。脈沖以固定的速度沿波導絲傳回，并由檢測機構檢測[10]。 這種扭轉波由安裝在電子隔間中的拾取機構檢測并轉換成相應的“終止脈沖”。 通過計算“起始脈沖”和相應的“終止脈沖”t1，t2之間的時間差，可以精確地測量位移，由此可以獲得精確的液位值。

對于由磁致伸縮液位傳感器的液體密度和溫度變化引起的測量誤差，溫度傳感器用于測量油罐內的溫度，溫度數據傳輸到控制中心。 控制中心根據收到的溫度數據，以及原始液位數據，通過溫度補償算法，計算出油水液位和油氣分界，從而計算出原油產量[11]。研究發現，溫度對時鐘晶體頻率和扭轉波速度這兩個因素的影響很大程度上降低了磁致伸縮傳感器測量值的精度。這里擬展開研究論述如下。

（1）溫度對時鐘晶體頻率的影響。由磁致伸縮液位傳感器原理可以獲悉，確定磁浮子位置是通過測量激勵脈沖和返回脈沖時間。 其中，測量精度與定時精度密切相關。因此，影響測量精度的主要因素是時鐘晶體振蕩器的精度和穩定性[12]。 時間偏差的主要原因是晶體振蕩器的溫度漂移， 一般晶振的溫漂系數在50～1 000 ppm之間[13]。 可以看出，對于高精度的測量設備，如果在實際現場作業中不考慮晶體溫度的漂移， 則所得到的測量結果可能產生很大的測量誤差，特別是處于環境溫差大的情況下。

而且，磁性材料對溫度特別敏感，溫度對磁性材料有很大影響。 尤其是，隨著溫度的變化，磁性敏感參數也會隨著變化。 因此，對分辨率要求不高的情況下，比例系數V可以視為恒定值。 測量出扭轉波產生的時間和扭轉波轉化為電信號的時間之差 t，利用公式（1）， 就可以計算出距離值L，但是在對分辨率要求較高的情況下，隨溫度變化的扭轉波在波導絲上傳播的速度發生變化， 同時必須修正相應的測量誤差值。

綜上論述可知，要實現高精度的測量，必須消除時鐘晶體頻率和扭轉波速度變化所帶來測量值的誤差。因此，系統將通過補償算法來消除溫度的影響[15]。

4 結束語

在該系統中，可立即反映當前油罐液位以便為管理決策提供準確的原油信息。該系統自動運行數據，降低人力，勞動者只需提供相關信息進行處理。本次研究可以進一步改進系統的自動化程度，以實現系統范圍的自動化。

基于溫度補償的儲油罐液位監測系統具有性能優越、可靠度高、投資少等優點，能廣泛適用于電力、石油化工等行業，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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