CN101509800B - 一种同时检测油水双液位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时检测油水双液位的方法，先用一个平行板电容器，将其中的一块电极从对角线以1毫米的缝隙分成两个电极，分别构成两个电容式传感器；再将分层的油和水处于两个电容式传感器电极之间，从而引起两个电容式传感器之间介电常数的改变；介电常数的改变使两个电容式传感器电容量增加，最后将测得的两个电容量代入两个反映油水双液位和电容量函数关系的理论公式计算获得油和水的液位，由于不同液体介电常数的改变引起的两个电容式传感器电极间电容量的变化与液体液位存在函数关系，从而分层的两种不同介质的液体液位信息被检测，数据处理方便且性价比高。

Description

一种同时检测油水双液位的方法

技术领域

本发明涉及平行板电容式传感技术，尤其涉及一种采用平行板电容器同时检测油水双液位的方法。

背景技术

目前，油水双液位检测方法在工业领域普遍使用。油水界面液位和油液位检测方法有两种，一是分别用两个浮球式传感器来检测，二是用分段电容式传感器来检测，这两种检测方法的缺陷是：结构复杂、数据处理不方便和性价比低。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的缺陷而提出一种同时检测油水双液位的方法，该方法能同时准确测量同一工作储罐内分层的两种不同介质的两个液位，即油水界面液位和油液位。

本发明采用的技术方案是：先用一个平行板电容器，将其中的一块电极从对角线以1毫米的缝隙分成两个电极，分别构成两个电容式传感器；再将分层的油和水处于两个电容式传感器电极之间，引起两个电容式传感器之间介电常数的改变；介电常数的改变使两个电容式传感器电容量增加，最后将测得的两个电容量代入两个反映油水双液位和电容量函数关系的理论公式计算获得油和水的液位。

本发明中当同一工作储罐内分层的两种不同介质的液体即油和水处于两个电容式传感器电极之间时，由于不同液体介电常数的改变引起了两个电容式传感器电极间电容量的变化，这种电容量的变化与液体液位存在函数关系，从而分层的两种不同介质的液体即油和水的液位信息被检测。本发明具有传感器结构简单、数据处理方便、多功能、性价比高等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的传感器结构示意图。

图2是当油和水处于两个电容式传感器电极之间时，油水界面和油位在本发明的传感器电极2上的分布情况示意图。

图中：1.电极；2.电极；3.电极；4.空气层；5.油层；6.水层；h₁.油层高度；h₂.水层高度；L.电极高度；W.电极宽度；W₁.油层的上底宽；W₂.油层的下底宽。

具体实施方式

如图1，采用一个平行板电容式传感器，将其中的一块电极从对角线以1毫米的缝隙分成电极2与电极3这两个电极，这样电极2加电极3与另外一块电极1之间、电极2与电极1之间便分别构成两个电容式传感器。电极2加电极3与电极1之间的电容为C₁，电极2与电极1之间的电容为C₂。图2中所示储罐内传感器中油、水两种液体的高度分别为h₁、h₂，将储罐内分层的油和水处于两个电容式传感器电极之间，从而引起电极2加电极3与电极1之间、电极2与电极1之间介电常数的改变。介电常数的改变使两个电容式传感器电极2加电极3与电极1之间的电容量C₁、电极2与电极1之间电容量C₂都规律性地增加，同时分别测量该两个电容式传感器的电容量C₁和C₂，将测得的电容量C₁和C₂代入两个反映油层高度h₁和水层高度h₂与电容量C₁、C₂函数关系的理论公式计算即可获得油水界面液位和油液位。

上述函数关系的理论公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=f_1(h_1,h_2)\\ C_2=f_2(h_1,h_2)\end{array}\right.\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

解方程组得：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_1=F_1(C_1,C_2)\\ h_2=F_2(C_1,C_2)\end{array}\right.\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

方程组(2)显示，若C₁和C₂，被测量，则(2)可直接用于评价同一容器中分层的油水双液位高度。从方程组(1)到(2)的详细推导过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_w-{\mathrm{\ϵ}}_a){\mathrm{Wh}}_2+({\mathrm{\ϵ}}_o-{\mathrm{\ϵ}}_a){\mathrm{Wh}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_a\mathrm{WL}}{d}............\left(3\right)\\ C_2=\frac{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{w}W}{2L}({2\mathrm{Lh}}_2-h_2^2)}{d}+\frac{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{o}W}{2L}({2\mathrm{Lh}}_1-{2h}_1{h}_2-h_1^2)}{d}\\ +\frac{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{a}W}{2L}(L^2+h_1^2+h_2^2+{2h}_1{h}_2-2L{h}_1-{2\mathrm{Lh}}_2)}{d}..........\left(4\right)\end{array}\right.$

方程组中，d为极板间的距离，L和W分别为传感器极板的高度和宽度，ε_w、ε_o、ε_a分别为水、油、空气的介电常数。

令(3)式中dC₁-ε_aWL＝a  (ε_w-ε_a)W＝b  (ε_o-ε_a)W＝c，

则(3)式变为a＝b*h₂+c*h₂，

求出h₂＝(a-ch₂)/b。.....................(5)

令(4)式中dC₂＝g， $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{w}W}{2L}=g_1,$ $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{o}W}{2L}=g_2,$ $\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{a}W}{2L}=g_3,$

则(4)式变为： $g=g_1({2\mathrm{Lh}}_2-h_2^2)+g_2({2\mathrm{Lh}}_1-{2h}_1{h}_2-h_1^2)$

$+g_3(L^2+h_1^2+h_2^2+{2h}_1{h}_2-{2\mathrm{Lh}}_1-{2\mathrm{Lh}}_2).........\left(6\right)$

(5)代入(6)并整理得：

$g-g_3{L}^2+a^2(g_1-g_3)/b^2+2\mathrm{aL}(g_3-g_1)=$

$[2\mathrm{cL}(g_3-g_1)/b+2\mathrm{ac}(g_1-g_3)/b^2+2a(g_3-g_2)/b+2L(g_2-g_3)]h_1$

$+[c^2(g_3-g_1)/b^2+2c(g_2-g_3)/b+g_3-g_2]h_1^2...........................\left(7\right)$

令(7)式中

g-g₃L²+a²(g₁-g₃)/b²+2aL(g₃-g₁)＝w₁，

2cL(g₃-g₁)/b+2ac(g₁-g₃)/b²+2a(g₃-g₂)/b+2L(g₂-g₃)＝w₂

c²(g₃-g₁)/b²+2c(g₂-g₃)/b+g₃-g₂＝w₃，

则(7)式变为： $w_1=w_2{h}_1+w_3{h}_1^2,$

解此方程得：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_1=\frac{-w_2\±\sqrt{w_2^2+{4w}_1{w}_3}}{{2w}_3}=F_2(C_1,C_2)\\ h_2=\frac{a-{\mathrm{ch}}_1}{b}{=F}_1(C_1,C_2)\end{array}\right...........\left(8\right)$

C₁，C₂取决于油水双液位的分布情况，其值可由检测电路获取，故方程组(8)可用于同一工作储罐内油水双液位的检测，从而同一工作储罐内分层的油水双液位得到检测。

Claims (1)

1.一种同时检测油水双液位的方法，其特征是采用如下步骤：

1)用一个平行板电容器，将其中的一块电极从对角线以1毫米的缝隙分成第二电极(2)和第三电极(3)；使该第二和第三电极(2、3)与另外一块第一电极(1)之间、第二电极(2)与第一电极(1)之间分别构成两个电容式传感器；

2)将分层的油和水处于两个电容式传感器电极之间，引起第二和第三电极(2、3)与第一电极(1)之间、第二电极(2)与第一电极(1)之间介电常数的改变；

3)介电常数的改变使第二和第三电极(2、3)与第一电极(1)之间的电容量C₁、以及第二电极(2)与第一电极(1)之间的电容量C₂增加，分别测量这两个电容量C₁、C₂；

4)将测得的两个电容量C₁、C₂代入两个反映油层高度h₁和水层高度h₂与两个电容量C₁、C₂函数关系的理论公式计算获得油水界面液位和油液位，油层高度h₁和水层高度h₂的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_1=\frac{-w_2\±\sqrt{w_2^2+4w_1{w}_3}}{2w_3}\\ h_2=\frac{a-c{h}_1}{b}\end{array}\right.$

式中：d为电极板间的距离；L和W分别为电容式传感器电极板的高度和宽度，ε_w、ε_o、ε_a分别为水、油、空气的介电常数；其中，a＝dC₁-ε_aWL，b＝(ε_w-ε_a)W，c＝(ε_o-ε_a)W；g＝dC₂， $g_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{w}W}{2L},$ $g_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{o}W}{2L},$ $g_3=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{a}W}{2L};$

w₁＝g-g₃L²+a²(g₁-g₃)/b²+2aL(g₃-g₁)，

w₂＝2cL(g₃-g₁)/b+2ac(g₁-g₃)/b²+2a(g₃-g₂)/b+2L(g₂-g₃)，

w₃＝c²(g₃-g₁)/b²+2c(g₂-g₃)/b+g₃-g₂。

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