CN103034200A - 液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置 - Google Patents

Abstract

液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置是一种质量在线自动计量装置，其特征在于包括ARM微处理器、电源/复位电路、UI电路、SDRAM、NORFLASH、RJ45网口、HDMI接口、RS485接口。本发明通过软硬件的结合，实现了储罐内液体的质量在线计算，实现了采集数据的实时性以及真实性；采用多项修正措施，提高液体质量的计算精度；同时具有远程传输数据的功能。本发明适用于固定顶油罐、浮顶油罐、卧式油罐中液体产品质量的计算。

Description

液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置

技术领域

本发明涉及一种计量装置，主要涉及油气液体化工品的数据采集以及质量计算。

背景技术

我国石油、化工企业对外油品贸易采用质量交接方式，而非体积。目前对于储罐内看不见、摸不着的油气液体化工品质量计量存在两种方式：人工计量和自动计量。

人工计量一般直接采用检尺测量储罐中油品的高度或读取相关压力仪表，然后根据查罐容表等方法计算出体积进而计算出质量。该方法工作量大、实时性差，难以满足海关等监管机构的要求。

自动计量目前普遍采用计算机(PC机)测量和计算，克服了人工计量的不足，但该方法采用的是DCS采集数据，往往已经过滤波、限幅等数据处理，影响了数据精度及数据原始性和真实性。此外，采集的数据往往采用简单计算，未对影响质量计算精度的因素（如温度、静压力等）进行修正，难以满足海关等监管部门对质量精度的严格要求。

发明内容

本发明针对当前计量方法中的工作量大、精度及实时性差等不足，采用基于嵌入式的计算装置及质量修正措施，实现了固定顶油罐、浮顶油罐、卧式油罐中液体化工品质量的在线高精度自动计算，本发明

是通过以下技术方案实现的：液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置，包括ARM微处理器、电源/复位电路、UI电路、SDRAM、NORFLASH、RJ45网口、HDMI接口、RS485接口、两个液位传感器和一个多点温度传感器；

电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，为计算装置提供电源与复位逻辑，其中复位电路在装置出现系统崩溃时实现外部复位功能；

ARM微处理器还与SDRAM、NORFLASH、RJ45网口、HDMI接口和两个RS485接口相连，ARM微处理器主要负责油气液体化工品的质量计算及处理各采集数据；

UI电路为用户提供人机接口，用于参数配置和工作状态显示；

SDRAM主要为系统运行提供内存空间；

NORFLASH为系统固定代码、掉电保存数据提供存储空间；

RJ45网口，TCP/IP接口与通信服务器相连，实现远程的网络传输；

HDMI接口，为显示器接口，本装置通过RS485(81)接口采集的数据以及自动计算的质量数据可实时的在显示器上显示；

RS485接口，作为输入输出口与传感器相连接；

液位传感器安装在储罐的内壁上，用于测量储罐内油品的液位高度h(mm)和起浮高度h₂(mm)；

多点温度传感器用于测量并计算出油品的平均温度t(°C)。

液位法计算储罐液体化工品质量的在线计算方法，包括以下步骤：

(1)设备上电后，电源/复位电路提供设备工作所需各路电源，并复位整个系统，运行NORFLASH中所固化软件代码，复位并运行系统；

(2)系统正常运行后，通过人机接口配置表格及通讯等基本参数，其中表格包括罐容表、石油计量标准密度表(GB/T1885-199859A、59B和59D)和进出口商品重量鉴定规程(SN/T 0993-2001的表3)；RS485总线的通讯基本参数包括波特率、数据位、校验位及停止位；配置成功后，UI电路通过指示灯通知用户配置成功；

(3)ARM微处理器下发Modbus读命令，读取温度传感器，液位传感器的现场数据，记为温度t(°C)，液位高度h(mm)和起浮高度h₂(mm)；

(4)根据如下公式计算视密度ρ_t

ρ_t=ρ₂₀-α×(t-20)

上式中：a为物质的密度温度系数；

ρ₂₀为20°C下油品的标准密度，通过查石油计量标准密度表所得；

(5)根据物质的标准密度ρ₂₀，查表(SN/T 0993-2001表3)得到空气浮力因子ACF；

(6)根据实际情况对实际体积V进行多方位修正；

（6.1）根据不同的液体，计算体积修正系数VCF，其计算公式如下：

VCF=ρ_t/ρ₂₀=e ^{-bΔt(1+0.8bΔt+0.8b)}

上式中：b为石油的体积膨胀系数(°C^-1)；

Δt=t-20(°C)；

ρ₁₅为油品在15°C下的密度；

K₀和K₁为常数，与石油标准密度有关，由查表得到；

K₂和K₃为常数，为特殊油品对应的系数，由查表得到；

（6.2）根据液位查表获得理想体积后，根据如下公式计算出静压力修正体积V_p：

V_p=Pct(h)·ρ_t/1000

上式中：Pct为罐容压力修正表；

（6.3）根据不同环境温度引起的储罐热膨胀，计算储罐的热膨胀修正系数HCF；

对于保温柱罐：HCF=1+3×1.25×0.00001×(t-20)；

对于非保温柱罐：HCF=1+2×1.25×0.00001×((t+t_e)/2-20)，其中t_e为环境温度；

对于球罐：HCF=1+24×0.00001×(t-20)；

（6.4）根据不同的储罐结构，计算储罐内液体的实际体积；

若是固定顶罐实际体积V=V_h，实际体积计算公式如下：

V_h=[V_c(h)+V_p-V_water]·HCF

上式中：V_c(h)为液位h下查表所得的理想体积；

V_p为静压力修正体积；

V_water为罐内底水体积，一般可根据企业的经验获得；

HCF为储罐热膨胀修正系数；

若是浮顶型储罐则需要对实际体积V进行修正，体积计算公式如下：

$V=\left\{\begin{array}{cc}& \\ V_h& h<h_1\\ V_1+\frac{(V_2-V_1)\&CenterDot;\left({h-h}_1\right)}{h_2-h_1}& h_1<h<h_2\\ V_h-\frac{m_c}{\mathrm{VCF}\&CenterDot;({\mathrm{\&rho;}}_{20}-\mathrm{ACF})}\&times;1000& h>h_2\end{array}\right.$

上式中：h₁指支撑高度；

h₂指起浮高度；

V₁=V(h₁)，V₂=V(h₂)，由罐容表查得；

(7)计算液体标准体积V₂₀，计算公式如下：

V₂₀=V·VCF×0.001

(8)通过公式M=V₂₀·(ρ₂₀-ACF)计算罐内液体质量M。

所述的ARM微处理器包含数据点组模块、数据计算模块、数据采集模块、配置文件模块和数据发送模块；所述的数据采集模块与RS485接口相连，数据采集模块采集的数据存储在数据点组模块中，数据计算模块根据数据点组模块中所存储的数据进行计算，并把计算结果存储在数据点组模块中，数据发送模块将数据点组模块中的数据发送到企业或监管单位的服务器。

所述的ARM微处理器采用的是AT91RM9200芯片。

本发明具有以下有益效果：

1、采用液位法实现了储罐油气液体化工品的质量在线计算，解决了人工计算的繁琐、实时性差的缺陷；

2、采用嵌入式技术，直接从现场仪表采集数据代替了DCS采集数据，保证了数据的原始性、真实性；

3、采用多项修正方法，提高质量的计算精度，达到了人工计算和自动计算都不能达到的精度要求；

4、实现了数据远程传输，便于监管部门(如海关)的实时监管。

附图说明

图1为本发明液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置的硬件结构示意图。

图2为本发明液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置的软件结构示意图。

图3为本发明液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算方法的流程图。

图4为本发明的实例实施结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施和附图，对本发明进行详细说明。本实例实施中使用的常压立式圆筒形拱顶罐，罐中存储的是环保芳烃油VIVA。根据液位质量测量法，本实例实施需要一个液位传感器，一个温度传感器，液位传感器采用雷达液位计安装在罐顶部，温度传感器安装在罐内侧壁中部。

如图1-4所示，液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置，其特征在于，它包括ARM微处理器、电源/复位电路、UI电路、SDRAM、NORFLASH、RJ45网口、HDMI接口以及两个RS485接口。所述的电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，ARM微处理器还与SDRAM、NORFLASH、RJ45、HDMI、和RS485接口相连，其中RS485与现场仪表相连。所述的ARM微处理器包含：包含数据点组模块、数据计算模块、数据采集模块、配置文件模块和数据发送模块。所述的数据采集模块与RS485接口相连，数据采集模块采集的数据存储在数据点组模块中，数据计算模块根据数组点组模块中所存储的数据进行计算，并把计算结果存储在数据点组模块中，数据发送模块将数据点组模块中的数据发送到服务器。

设备上电后，电源/复位电路提供设备工作所需各路电源，并复位整个系统，运行NORFLASH中所固化软件代码，运行系统；系统正常运行后，通过人机接口配置表格、通讯等基本参数，其中表格包括罐容表、石油计量标准密度表(GB/T1885-199859A、59B和59D)和进出口商品重量鉴定规程(SN/T 0993-2001的表3)；RS485总线的通讯基本参数包括波特率、数据位、校验位和停止位；配置成功后，UI电路通过指示灯通知用户配置成功。

配置成功后，质量在线计算装置下发Modbus读命令，数据采集模块采集温度传感器、液位传感器的现场数据，假设分别为温度t＝15.652°C、液位h=2232mm。数据采集模块把读取的温度值发送到数据点组模块，计算出视密度ρ_t=1004.348Kg/m³。调用配置文件中的GB/T1885-1998表59A，查表得出标准密度ρ₂₀=1000.000Kg/m³。根据配置文件中的体积修正系数表，由数据计算模块计算得出体积修正系数VCF=1.004348；根据物质的标准密度ρ₂₀=1000.000Kg/m³，调用配置文件中的SN/T 0993-2001的表3得到空气浮力因子ACF=1.1。调用配置文件中的罐容表，根据液位高度查表获得理想体积V_c(h)=1401.549m³；由温度引起的体积变化，需要对体积进行修正，由数据计算模块计算出热膨胀修正系数HCF=1.00000815，计算得出实际体积则为V=1394.619m³。由已计算得出的实际体积进而求得标准体积V₂₀=1400.683m³，由数据计算模块调用软件算法计算液体质量M=1399.142kg。

Claims (4)

1.液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置，包括ARM微处理器、电源/复位电路、UI电路、SDRAM、NORFLASH、RJ45网口、HDMI接口、RS485接口、两个液位传感器和一个多点温度传感器；

电源/复位电路的信号输出端与ARM微处理器的信号输入端相连，为计算装置提供电源与复位逻辑，其中复位电路在装置出现系统崩溃时实现外部复位功能；

ARM微处理器还与SDRAM、NORFLASH、RJ45网口、HDMI接口和两个RS485接口相连，ARM微处理器主要负责油气液体化工品的质量计算及处理各采集数据；

UI电路为用户提供人机接口，用于参数配置和工作状态显示；

SDRAM主要为系统运行提供内存空间；

NORFLASH为系统固定代码、掉电保存数据提供存储空间；

RJ45网口，TCP/IP接口与通信服务器相连，实现远程的网络传输；

HDMI接口，为显示器接口，本装置通过RS485(81)接口采集的数据以及自动计算的质量数据可实时的在显示器上显示；

RS485接口，作为输入输出口与传感器相连接；

液位传感器安装在储罐的内壁上，用于测量储罐内油品的液位高度h(mm)和起浮高度h₂(mm)；多点温度传感器用于测量并计算出油品的平均温度t(°C)。

2.液位法计算储罐液体化工品质量的在线计算方法，其特征在于：该计算方法包括以下步骤：

(1)设备上电后，电源/复位电路提供设备工作所需各路电源，并复位整个系统，运行NORFLASH中所固化软件代码，复位并运行系统；

(2)系统正常运行后，通过人机接口配置表格及通讯等基本参数，其中表格包括罐容表、石油计量标准密度表(GB/T1885-199859A、59B和59D)和进出口商品重量鉴定规程(SN/T 0993-2001的表3)；RS485总线的通讯基本参数包括波特率、数据位、校验位及停止位；配置成功后，UI电路通过指示灯通知用户配置成功；

(3)ARM微处理器下发Modbus读命令，读取温度传感器，液位传感器的现场数据，记为温度t(°C)，液位高度h(mm)和起浮高度h₂(mm)；

(4)根据如下公式计算视密度ρ_t

ρ_t=ρ₂₀-a×(t-20)

上式中：a为物质的密度温度系数；

ρ₂₀为20°C下油品的标准密度，通过查石油计量标准密度表所得；

(5)根据物质的标准密度ρ₂₀，查表(SN/T 0993-2001表3)得到空气浮力因子ACF；

(6)根据实际情况对实际体积V进行多方位修正；

（6.1）根据不同的液体，计算体积修正系数VCF，其计算公式如下：

VCF=ρ_t/ρ₂₀=e ^{-bΔt(1+0.8bΔt+0.8b)}

上式中：b为石油的体积膨胀系数(°C^-1)；

Δt=t-20(°C)；

ρ₁₅为油品在15°C下的密度；

K₀和K₁为常数，与石油标准密度有关，由查表得到；

K₂和K₃为常数，为特殊油品对应的系数，由查表得到；

（6.2）根据液位查表获得理想体积后，根据如下公式计算出静压力修正体积V_p：

V_p=Pct(h)·ρ_t/1000

上式中：Pct为罐容压力修正表；

（6.3）根据不同环境温度引起的储罐热膨胀，计算储罐的热膨胀修正系数HCF；

对于保温柱罐：HCF=1+3×1.25×0.00001×(t-20)；

对于非保温柱罐：HCF=1+2×1.25×0.00001×((t+t_e)/2-20)，其中t_e为环境温度；

对于球罐：HCF=1+24×0.00001×(t-20)；

（6.4）根据不同的储罐结构，计算储罐内液体的实际体积；

若是固定顶罐实际体积V=V_h，实际体积计算公式如下：

V_h=[V_c(h)+V_p-V_water]·HCF

上式中：V_c(h)为液位h下查表所得的理想体积；

V_p为静压力修正体积；

V_water为罐内底水体积，一般可根据企业的经验获得；

HCF为储罐热膨胀修正系数；

若是浮顶型储罐则需要对实际体积V进行修正，体积计算公式如下：

$V=\left\{\begin{array}{cc}& \\ V_h& h<h_1\\ V_1+\frac{(V_2-V_1)\&CenterDot;\left({h-h}_1\right)}{h_2-h_1}& h_1<h<h_2\\ V_h-\frac{m_c}{\mathrm{VCF}\&CenterDot;({\mathrm{\&rho;}}_{20}-\mathrm{ACF})}\&times;1000& h>h_2\end{array}\right.$

上式中：h₁指支撑高度；

h₂指起浮高度；

V₁=V(h₁)，V₂=V(h₂)，由罐容表查得；

(7)计算液体标准体积V₂₀，计算公式如下：

V₂₀=V·VCF×0.001

(8)通过公式M=V₂₀·(ρ₂₀-ACF)计算罐内液体质量M。

3.根据权利要求1所述的液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置，其特征在于：所述的ARM微处理器包含数据点组模块、数据计算模块、数据采集模块、配置文件模块和数据发送模块；所述的数据采集模块与RS485接口相连，数据采集模块采集的数据存储在数据点组模块中，数据计算模块根据数据点组模块中所存储的数据进行计算，并把计算结果存储在数据点组模块中，数据发送模块将数据点组模块中的数据发送到企业或监管单位的服务器。

4.根据权利要求1所述的液位法计算储罐油气液体化工品质量的在线计算装置，其特征在于：所述的ARM微处理器采用的是AT91RM9200芯片。

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