CN103487116A - 一种数字式油水分界面高度测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种数字式油水分界面高度测量传感器，属于测量技术领域，其特征在于是测量储油罐中油品与水位分界面高度的一种专用传感器，整套传感器由牵引机构、位移传感单元、浮筒和变送器8四部分组成，主要应用在炼油厂、油脂厂及储油库的储油罐上。量程范围为浮筒筒体的长度L。量程上限不能高于浮筒筒体1的顶部，量程下限不能低于浮筒筒体1的底部。浮筒筒体1的顶部必须低于上层轻质油品的液位高度，使浮筒始终处于淹没状态。优点在于直接输出数字脉冲信号、测量精度高、抗干扰能力强和造价低。

Description

一种数字式油水分界面高度测量传感器

技术领域

本发明一种数字式油水分界面高度测量传感器，属于测量技术领域，尤其涉及测量储油罐中油品与水位分界面高度的一种专用传感器，主要应用在炼油厂、油脂厂及储油库的储油罐上。

背景技术

石油产品和食用油在加工、运输及储存过程中，不可避免会出现水分，由于油品与水存在不溶性，且密度差异较大，在静态的情况下很容易出现分层现象，轻质的油品在上，重质的水在下，在储油罐中油与水之间形成一个分界面。

在生产过程中需要了解每个储油罐中油品的实际储存数量，就必须测量储油罐的液位和油水界面高度两个参数。精确测量油水界面的高度，对于工业生产具有重要意义。同时这一类型企业自动化水平要求相对较高，需要随时对各储油罐的储量进行动态监控，解决界面的实时在线监控问题。

随着国民经济的高速发展，对生产过程的自动化水平要求越来越高，生产过程的自动控制是保持生产稳定的正常进行，降低成本消耗，提高产品质量，保证生产安全和提高劳动生产率的主要手段，是二十世纪科学与技术发展的具体体现，是工业现代化的标志之一。由于分界面自身的隐蔽性，对其精确测量，一直是测量领域的一道技术难题。

国内外常用的测量方法有：

1）.电容式界面计

传统的电容式界面计主要依据电介质变化引起电容值变化的原理来测量电容值与界面之间的关系。

2）.超声波式界面计

超声波式界面计主要依据超声波在不同密度介质中传播速度不同的原理工作。使用时将超声波发生器和接收器安装在储油罐的底部，超声波发生器向油水界面发射超声波，接收器接收油水界面反射回来的超声波，根据超声波在水中的传播速度计算界面高度。

3）.射频导纳界面计

以射频阻抗理论为基础，通过被测介质呈现的阻抗特性反映油水界面位置的仪表。由于其具有测量范围大，可以克服矿化度和挂油影响等优点而应用广泛。

除以上几种油水界面计之外，还有短波吸收式界面计、射线式界面计等。目前界面计的研制在我国较落后，现场主要使用国外的产品，其中射频导纳和超声波界面计的应用较为广泛。

计算机技术和单片机技术是近年来发展起来的数字处理新技术，以独特的优势得到迅速发展并且日趋完善。在整个测量系统中如果传感器能够直接输出数字信号，就不需要模/数转换这个中间环节，所以传感器技术数字化是必然的发展趋势，数字传感器输出的是脉冲信号，不仅不需要中间转换电路，而且抗干扰能力非常强，相对而言对测量精度的提高很有好处，因为任何中间环节转换的效率不可能达到100﹪。

综合所述现有的界面计，传感部分输出普遍都是模拟信号，需经模/数转换电路转换成数字信号，再通过单片机或数字电路处理后由数码管显示界面高度。

发明内容

本发明一种数字式油水分界面高度测量传感器，主要针对上述油水分界面测量技术中传感部分普遍输出模拟信号的弊端，从而公开一种传感部分可以直接输出数字脉冲信号的油水分界面传感器技术方案，可以直接与后续数字处理电路相连接，不需要模/数转换中间环节，使得整个测量系统更为简单合理。

本发明一种数字式油水分界面高度测量传感器，其特征在于整套传感器由牵引机构、位移传感单元、浮筒和变送器8四部分组成（见附图1），所述牵引机构采用一拉伸弹簧3,拉伸弹簧3上端固定在支架7上，拉伸弹簧3下端通过导杆2与安装在筒体1上的丝堵6的吊环作吊装连接，所述位移传感单元由电感5和磁芯4组成，其中电感5为空心电感固定在支架7上，磁芯4由高导磁材料制成，固定在导杆2上，随导杆2一起上下移动，所述浮筒由筒体1和丝堵6组成，筒体1由金属钢管焊接成一中空密闭圆柱体，在筒体1上端中心位置开一螺孔，方便与丝堵6连接，丝堵6无螺纹端焊接一吊环，浮筒的重量大于同体积水的重量，浮筒的重心低于其几何中心，所述变送器8（见附图2）由非门G1、G2、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2和电感L组成三点式振荡电路，所述电感L由传感单元的磁芯4和线圈5组成，变送器8输入端与线圈5作电气连接，线圈5一端经电容C1与地极连接，同时经电阻R1和非门G1的输出端连接，线圈5另一端经电容C2与地极连接，同时经电阻R2和非门G1的输入端连接，非门G1的输出端经电阻R3和非门G2的输入端连接，非门G2的输出端为变送器8的输出端，由于磁芯4在线圈5内上下移动会引起电感L的电感量发生变化，从而使变送器8输出的脉冲频率随之发生变化，变化的频率经后续电路运算转换成油水分界面的变化，由于三点式振荡电路中取电容C和电阻R为常数，则输出脉冲的频率只与电感L的电感量呈反比关系，计算脉冲输出频率公式为

电感L的电感量由水对浮筒的浮力决定，浮筒的浮力是由油水分界面的高低决定，所以根据变送器8输出的脉冲频率计算出油水分界面的高度，量程范围为浮筒筒体的长度L，量程上限不能高于浮筒筒体1的顶部，量程下限不能低于浮筒筒体1的底部，浮筒筒体1的顶部必须低于上层轻质油品的液位高度，使浮筒始终处于淹没状态。

上述一种数字式油水分界面高度测量传感器，其特征在于浮筒设计成空心圆柱体。

本发明一种数字式油水分界面高度测量传感器的测量机理：

根据阿基米德浮力定律：当一个物体浸没在液体中时，该物体所受到的浮力，就等于该物体排出液体的重力，换句话说，浮力就等于该物体浸没在液体中同物物体体积相同的液体的重力。

W=Veg=SHeg

式中W浮力，V物体排出液体的体积，S物体的底面积，H物体浸没的高度，e液体的密度，g重力加速度。

参考附图1设浮筒重量为G，油品对浮筒产生的浮力为W₁，水对浮筒产生的浮力为W₂，则拉力弹簧3所受拉力为：

F=G-W₁-W₂

油品对浮筒产生的浮力W₁为：

W₁=Se₁g(L-H)

水对浮筒产生的浮力W₂为：

W₂=Se₂gH

F=G-Se₁g(L-H)-Se₂gH

=G-Sg(Le₁-He₁+He₂)

=G-Sg[Le₁+H(e₂-e₁)]

=G-Sg(Le₁+HΔe)

式中：

G浮筒的重量

S浮筒的底面积

g重力加速度

e₁油品的密度

e₂水的密度

L浮筒的总长度

H油水分界面的高度（至浮筒底部算起）

其中Δe=e₂-e₁

从式中看出，浮筒制作完成后式中除H外皆为常数，故拉力弹簧3所受拉力F与油水分界面高度H呈线性关系。

油水分界面发生变化时，浮筒所受到浮力也在变化，当油水分界面上升时浮筒所受到浮力增大，拉力弹簧3所受拉力在减少，浮筒在拉伸弹簧3的牵引下向上移动，同时磁芯4也向上移动，线圈5的电感量在减少，变送器8输出脉冲频率在增加。

本发明一种数字式油水分界面高度测量传感器优点在于：

1.直接输出数字脉冲信号；

2.测量精度高；

3.抗干扰能力强；

4.造价低。

附图说明

图1装置结构示意图

1.筒体 2.导杆 3.拉伸弹簧 4.磁芯 5.线圈 6.丝堵 7.支架 8.变送器

图2变送器8原理图

具体实施方案

实施方式1：

本发明一种数字式油水分界面高度测量传感器在储油罐上的应用：

浮筒参数设定：

浮筒采用钢管焊接成中空圆柱体，其目的为了调整浮筒的重量使拉伸弹簧3工作在其弹性系数的线性区，调整浮筒的重量时拧开丝堵6，根据需要的重量通过丝孔给浮筒注入一定数量的水，注水完成后拧紧丝堵6，取浮筒重量14.5kg，浮筒长度150cm，浮筒直径10cm，浮筒壁厚0.4cm，浮筒最大注水量9.9kg。

变送器参数设定：

（见附图2）选用集成电路型号为SN74LS04六非门普通集成芯片（只使用两个非门G1、G2），选取电容C1＝C2=0.1μF,电阻R1=R2=R3=510Ω,选取电感L起始（最小）电感量L=9.1mH（对应传感器测量上限150cm），电感L最大电感量L=21.3mH（对应传感器测量下限0cm）。

校验：

浮筒注水5kg，储油罐注油≥180cm，整套装置参照附图1安装在储油罐顶部，须保证浮筒保持自由垂直直立状态，磁芯4在线圈5内上下移动自如。

取水的密度1g/cm³,油品的密度0.75g/cm³,计算浮筒同体积水的重量为11.8kg，浮筒同体积油品的重量为8.8kg，可看出在量程范围内（150cm），拉伸弹簧3承受拉力的变化范围为3kg，油水分界面每上升10cm，拉伸弹簧3承受的的拉力减轻0.2kg，根据上述条件选择拉伸弹簧3的弹性系数，计算拉伸弹簧3的直径、节距及卷数等结构参数。根据公式

计算变送器8脉冲输出频率，取电感L起始电感量L=9.1mH（对应传感器测量上限150cm），计算变送器8最大脉冲输出频率f_m=5.28kHZ，取电感L最大电感量L=21.3mH（对应传感器测量下限0cm），计算变送器8最小脉冲输出频率f₀=3.45kHZ，计算出油水分界面每上升10cm，变送器8输出频率减少122HZ；油水分界面每下降10cm，变送器8输出频率增加122HZ。

储油罐注水，注水高度为从浮筒底部算起10cm，测量变送器8脉冲输出频率f=3.572kHZ，对应拉伸弹簧3所承受的拉力为19.3kg（14.5＋5-0.2＝19.3）。第二次给储油罐注水，高度为10cm，测量变送器8脉冲输出频率f=3.816kHZ，对应拉伸弹簧3所承受的拉力为19.1kg。第三次给储油罐注水，高度为10cm，测量变送器8脉冲输出频率f=3.938kHZ，对应拉伸弹簧3所承受的拉力为18.9kg。直到第十五次给储油罐注水，高度为10cm，测量变送器8脉冲输出频率f=5.284kHZ，对应拉伸弹簧3所承受的拉力为16.5kg。校验过程结束。

如果校验过程中，当油水分界面处在浮筒的最下端时，油水分界面每上升10cm变送器8脉冲输出频率增加值小于122HZ时，证明浮筒太重，拉伸弹簧3所承受的拉力超出了线性区，此时将浮筒取下，拧开丝堵6去除一定重量的水，重新上述过程直到达到要求为止。

下面结合附图1和附图2进一步说明本发明油水分界面的测量过程：

测量原理：

当油水分界面上升时，由于下层水的密度大于上层油品的密度导致浮筒的浮力在增加，在拉伸弹簧3的拉力牵引作用下，浮筒、导杆2和磁芯4一起向上移动，造成传感单元线圈5的电感量在减少，引起变送器8（见附图2）输出脉冲的频率在增加，油水分界面每上升10cm，变送器8输出脉冲频率增加122HZ。油水分界面下降时，由于下层水的密度大于上层油品的密度导致浮筒的浮力在减少，在重力作用下，克服拉伸弹簧3的拉力的牵引，浮筒、导杆2和磁芯4一起向下移动，造成传感单元线圈5的电感量在增加，引起变送器8输出脉冲的频率在减少，油水分界面每下降10cm，变送器8输出频率减少122HZ。

Claims (2)

1. 一种数字式油水分界面高度测量传感器，其特征在于整套传感器由牵引机构、位移传感单元、浮筒和变送器(8)四部分组成，所述牵引机构采用一拉伸弹簧(3), 拉伸弹簧(3)上端固定在支架(7)上，拉伸弹簧(3)下端通过导杆(2)与安装在筒体(1)上的丝堵(6)的吊环作吊装连接，所述位移传感单元由电感(5)和磁芯(4)组成，其中电感(5)为空心电感固定在支架(7)上，磁芯(4)由高导磁材料制成，固定在导杆(2)上，随导杆(2)一起上下移动，所述浮筒由筒体(1)和丝堵(6)组成，筒体(1)由金属钢管焊接成一中空密闭圆柱体，在筒体(1)上端中心位置开一螺孔，方便与丝堵(6)连接，丝堵(6)无螺纹端焊接一吊环，浮筒的重量大于同体积水的重量，浮筒的重心低于其几何中心，所述变送器(8)由非门G1、G2、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2和电感L组成三点式振荡电路，所述电感L由传感单元的磁芯(4)和线圈(5)组成，变送器(8)输入端与线圈(5)作电气连接，线圈(5)一端经电容C1与地极连接，同时经电阻R1和非门G1的输出端连接，线圈(5)另一端经电容C2与地极连接，同时经电阻R2和非门G1的输入端连接，非门G1的输出端经电阻R3和非门G2的输入端连接，非门G2的输出端为变送器(8)的输出端，由于磁芯(4)在线圈(5)内上下移动会引起电感L的电感量发生变化，从而使变送器(8)输出的脉冲频率随之发生变化，变化的频率经后续电路运算转换成油水分界面的变化，由于三点式振荡电路中取电容C和电阻R为常数，则输出脉冲的频率只与电感L的电感量呈反比关系，计算脉冲输出频率公式为                                               ，电感L的电感量由水对浮筒的浮力决定，浮筒的浮力由油水分界面的高低决定，所以根据变送器(8)输出的脉冲频率计算出油水分界面的高度，量程范围为浮筒筒体的长度L，量程上限不能高于浮筒筒体(1)的顶部，量程下限不能低于浮筒筒体(1)的底部，浮筒筒体(1)的顶部必须低于上层轻质油品的液位高度，使浮筒始终处于淹没状态。

2.按照权利要求1所述一种数字式油水分界面高度测量传感器，其特征在于浮筒设计成空心圆柱体。

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