劉可滇

(北京達(dá)奇新技術(shù)研究所,北京 100009)

0 引 言

油罐液位的測量方法分為直接測量與間接測量法。直接測量法即人工測量法,是利用計(jì)量工具直接測取液位。如石油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)用的人工量油尺,浮子鋼帶式直讀液位表,磁性翻版液位儀等。間接測量法是利用傳感元件測出與液位有關(guān)的信號(hào)后,再利用電量的轉(zhuǎn)換得到所測液位值。此種測量方法較為復(fù)雜,成本高,但可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度,能有效及時(shí)地避免溢罐等安全事故的發(fā)生,容易實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐區(qū)自動(dòng)化管理。

目前油庫液位儀表種類繁雜,先進(jìn)程度不一,質(zhì)量不齊,精度較低。近年引進(jìn)了雷達(dá)液位儀,應(yīng)用于容量較大的儲(chǔ)罐液位測量,但是價(jià)格昂貴,并且測量油水界面比較困難。采用壓力傳感器差壓式測量,精度低,油水界面測量精度更低,而且傳感器校準(zhǔn)很困難。

為了克服現(xiàn)有的問題,新型油水界面測量系統(tǒng)采用如下技術(shù)方案:利用阿基米德浮力定律,設(shè)計(jì)浮力液位測量棒,其所受浮力與浸液深度及液體的密度成正比。如果正好沒入兩種液體的界面之間(如油水界面),則為排開各自比例兩種液體質(zhì)量之和。通過實(shí)時(shí)檢測測量棒所受的浮力計(jì)算出液位、油水界面及液體密度。

1 系統(tǒng)組成

油水雙液體、單一液體儲(chǔ)罐液位測量如圖1,圖2所示。

1.1 浮力測量傳感器(測量棒)

如果測量液體界面(如油水界面),則由若干支長度及截面相等的測量棒依次接力懸掛(見圖1)。如果儲(chǔ)罐是單一液體則可以使用一支長測量棒(見圖2)。

圖1 油水雙液體儲(chǔ)罐示意

圖2 單一液體儲(chǔ)罐示意

測量棒材料可以是聚四氟,聚甲醛棒,或兩端封閉的不銹鋼管,其自重略大于排水質(zhì)量即可。例如聚甲醛材料,密度約為 1.45 g/ml,選用直徑30 mm材料作測量棒,如長度為2.0 m,總質(zhì)量為2 049 g,其排水質(zhì)量為1 413 g。兩者質(zhì)量很接近,因此可以有很高的靈敏度和分辨率。

1.2 稱重傳感器

稱重傳感器量程一般是0～2.5 kg或0～5 kg。由測量棒的質(zhì)量決定,如1.1中舉例的聚甲醛材料,則宜選用量程為2.5 kg的稱重傳感器。

傳感器將信號(hào)(一般為2 mV/V)轉(zhuǎn)換成嵌入式或PLC所接受的信號(hào),如4～20 mA,0～5 V, 0～10 V等。部分傳感器廠家可以直接提供4～20 mA信號(hào)變送器,使用者也可以自己設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn)換電路,以適應(yīng)特殊要求。有些PLC廠家的AI輸入量程可選為100 mV,從而放大電路僅用一級(jí)儀器運(yùn)放即可完成轉(zhuǎn)換。

1.3 嵌入式單片機(jī)或PLC

開發(fā)嵌入式單片機(jī)可以選用多通道模擬輸入型,其A/D轉(zhuǎn)換分辨能力到12 bit比較好,如分辨能力到10 bit也可以滿足一些單一液體的測量,測量油水界面則分辨能力不會(huì)高過10 cm。

系統(tǒng)可以采用PLC作數(shù)據(jù)采集計(jì)算及結(jié)果遠(yuǎn)傳,很多PLC的A/D轉(zhuǎn)換分辨能力達(dá)到16 bit,接受4～20 mA,0～5 V,0～10 V等信號(hào)形式,且可以作比較復(fù)雜的控制計(jì)算,PLC多采用Modbus通信標(biāo)準(zhǔn),從而結(jié)果通過PLC內(nèi)置串行口遠(yuǎn)傳至控制室的SCADA系統(tǒng)。

2 測量方法

a)測量液面。當(dāng)液位在某一位置,測量棒所受的浮力即排開沒入液體部分的體積與液體密度的乘積,經(jīng)稱重傳感器測量讀出浮力,再經(jīng)嵌入式單片機(jī)或 PLC的程序計(jì)算得到液位高度。

測量單一液體液面的公式

式中 L——測量液位;Li——測量棒長度; RLi——測量棒位于空氣中的讀數(shù),理論上為一常數(shù);Rti——測量棒半沒于液位中實(shí)時(shí)讀數(shù)(溫度補(bǔ)償);Roi——測量棒全沒于油液中實(shí)時(shí)讀數(shù),理論上為一常數(shù)。

b)測量油水界面。各個(gè)測量棒同時(shí)讀數(shù)據(jù),半沒狀態(tài)的測量棒測出液位總高,全沒的測量棒其中之一位于油水界面,其所受浮力介于其總體積的排油與排水重量之間,從而計(jì)算得到油水界面。

測量油水界面的公式

式中 Yi——測量油層液位;Rwi——該測量棒全沒于水液中的讀數(shù),理論上為一常數(shù);Xi——該測量棒水層液位高。

c)測量密度。當(dāng)測量棒沒于液體中,其所受的浮力即排開沒入液體的體積與液體密度的乘積,經(jīng)稱重傳感器測量讀出浮力,由于測量棒體積已知,經(jīng)嵌入式單片機(jī)或PLC的程序計(jì)算得到液體密度。

水位高度即油水界面在各個(gè)測量棒的水層總和高度,X=X1+X2+…Xi。油層高度即油面在各個(gè)測量棒的油層高度總和,Y=Y1+ Y2+…Yi。液位總高是油水層液位高的和,即HXY=X+Y。

3 應(yīng)用方案舉例

一高度約12 m的原油沉淀中轉(zhuǎn)儲(chǔ)罐。測量棒6根,采用直徑 32.2 mm的不銹鋼管,壁厚1.5 mm,兩端焊接封堵,長度2 m,其總質(zhì)量約2.4～2.6 kg。稱重傳感器6臺(tái),采用南京藍(lán)科自動(dòng)化生產(chǎn)的稱重傳感器,量程為0～5 kg,輸出信號(hào)4～20 mA,PLC為1個(gè)LM3104CPU模塊及2個(gè)LM3310B模塊,接受4～20 mA,0～100 mV,0～1.0 V,0～5 V等AI信號(hào)。

以上三項(xiàng)總造價(jià)約8 000 RMB,加安裝調(diào)試費(fèi)用,總成本在10 000 RMB以內(nèi)。

如果考慮提高性價(jià)比,可以采用聚四氟、聚甲醛棒材料作測量棒,傳感器采用進(jìn)口,自主開發(fā)放大電路。PLC以嵌入式代替,以適應(yīng)用戶自身要求。

4 計(jì)算流程

流程中單一測量棒油水界面的計(jì)算過程如下:

如果實(shí)時(shí)讀數(shù)不小于空氣中讀數(shù),則 Yi=0; Xi=0;

如果實(shí)時(shí)讀數(shù)大于水中讀數(shù),同時(shí)實(shí)時(shí)讀數(shù)小于油中讀數(shù),則

如果實(shí)時(shí)讀數(shù)不大于水中讀數(shù),則

計(jì)算過程中RLti為各棒實(shí)時(shí)讀數(shù)。

5 結(jié)束語

該新型油水界面測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便;校準(zhǔn)容易而且不用經(jīng)常校準(zhǔn);校準(zhǔn)時(shí)采用砝碼,簡單易行,而壓力傳感器或其他傳感器測量儲(chǔ)油罐幾乎無法定期校準(zhǔn);較浮筒彈簧磁偶翻板式更為簡單;安全可靠,由于系統(tǒng)沒有動(dòng)件,所以無阻尼卡死現(xiàn)象,液下部分也沒有電器元件,所以液下沒有電線電纜,沒有防漏防短路的要求。

[1] 李 學(xué),孫 旭,王梓旭.新型成品油庫計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)[J].石油化工自動(dòng)化,2010,46(1):47-49.

[2] 張修申,王愛軍,高志國,等.PLC系統(tǒng)抗干擾分析及應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2010,46(1):80-82.

[3] 董宗祥,張 洋,石紅瑞.Modbus通信協(xié)議在海上采油平臺(tái)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2009,45(5):60-63.

[4] 韋繼明.遠(yuǎn)程自動(dòng)量油系統(tǒng)在油田的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2009,45(4):71-73.

[5] 周根來,王 磊,郭正宏.兩種測量漿液密度方法對比[J].石油化工自動(dòng)化,2009,45(3):60-61.

[6] 王 云,劉 強(qiáng).電子秤示值誤差不確定度分析[J].工業(yè)計(jì)量,2010,19(4):43-44.

[7] 李慎安.電子天平稱重不確定度[J].工業(yè)計(jì)量2009,19(1): 47-48.

[8] 李長武.液位計(jì)示值誤差測量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].工業(yè)計(jì)量,2008,18(5):45.

[9] JONES B E.Instrumentation Measurement,and Feedback [M].UK:Department of Electrical Engineering University ofManchesterMcGRAW-HILL Book Company(U K) Limited,1977.

[10] 李長林.Visual Basic串口通信技術(shù)與典型實(shí)例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.