CN103674186A - 油水分界面检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量油罐内油水组成的测量装置，包括：用于检测油水分界面液位高度的第一液位检测器，用于检测上层油液位高度的第二液位检测器，和控制器，其中所述控制器将第一和第二液位检测器所得到的油水分界面液位测量信号和油液位测量信号相减，由此得到油罐内油水组成。

Description

油水分界面检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量大型油罐中的油水各自的组成的测量装置和方法。

背景技术

大型油罐通常在炼油厂、油田、油库以及其他工业中用来储存原油或其他石油产品，容量通常为100立方米以上，由罐壁、罐顶、罐底及其他附件组成。

目前还存在一种情况就是，油罐中存有液态其他杂质，通常为水。因此，需要测得油罐中油水各自的组成数量，这样就可以更准确地得到油罐中实际原油产品的数量，避免使用过程中，水掺入到原油产品中。但是，现有技术中，尚没有一种有效的测得油水各自组成的方法。

由于原油产品的易燃易爆性，需要采用无电测量装置来测量油罐中存储液体的液位，克服电测带来的火灾隐患。

综上所述，需要一种测量精确且安全的油水组成测量装置和方法。

发明内容

本发明提供一种测量精确且安全的油水组成测量装置，一种用于测量油罐内油水组成的测量装置，包括：用于检测油水分界面液位高度的第一液位检测器，用于检测上层油液位高度的第二液位检测器，和控制器，

其中所述第一液位检测器包括：第一浮子、第一对链轮、第一法兰、第一光纤传感器、第一光码盘、第一输入光纤、第一输出光纤、第一牵引链、第一平衡锤和第一光电检测器件，

所述第二液位检测器包括：第二浮子、第二对链轮、第二法兰、第二光纤传感器、第二光码盘、第二输入光纤、第二输出光纤、第二牵引链、第二平衡锤和第二光电检测器件，

其中，测量过程中，

所述第一牵引链的一端伸入油罐内部，一端位于油罐外部，并且由内到外依次连接油罐内部的第一浮子和第一对链轮中的一个链轮、以及位于油罐外部的第一对链轮中的另一个链轮和第一平衡锤，位于油罐外部的另一个链轮与第一光纤传感器的主轴连接，通过第一牵引链的传动，第一浮子的上下运动被传递到第一光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，当光学编码器内的第一光码盘因被测液位变化而转动时，它对第一输入光纤探头内的红外光分别进行调制，使之成为交变光，调制后的光信号沿第一输出光纤传输至第一光电检测器件，由此获得油水分界面液位测量信号，

所述第二牵引链的一端伸入油罐内部，一端位于油罐外部，并且由内到外依次连接油罐内部的第二浮子和第二对链轮中的一个链轮、以及位于油罐外部的第二对链轮中的另一个链轮和第二平衡锤，位于油罐外部的另一个链轮与第二光纤传感器的主轴连接，通过第二牵引链的传动，第二浮子的上下运动被传递到第二光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，当光学编码器内的第二光码盘因被测液位变化而转动时，它对第二输入光纤探头内的红外光分别进行调制，使之成为交变光，调制后的光信号沿第二输出光纤传输至第二光电检测器件，由此获得油液位测量信号，

所述控制器将所得到的油水分界面液位测量信号和油液位测量信号相减，并根据油罐内部尺寸计算得到油罐内油水组成，

其中，第一和第二浮子均为空心圆柱状，直径2r，高度h，壁厚δ，材料密度γ，浮子浸入油中高h_o，油密度γ_o，浮子浸入水中高h_w，水密度γ_w，γ_o＜γ_w，平衡锤的牵引力F，h=h_w+h_o，

则第一浮子满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_wγ_w+πr²h_oγ_o+F     （1），

πr²hγ_o<rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))<πr²hγ_w         （2），

则第二浮子满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_oγ_o+F               （3）。

优选的，第一和第二光码盘是沿圆周刻出与液位变化相对应的至少1000个齿孔的薄盘。

优选的，所述第一和第二浮子壁部厚度由上向下递增，或所述第一和第二浮子下部做出薄肋支撑，或在第一和第二浮子空心中随机分布填充球形内容物。

本发明提供一种用于测量油罐内油水组成的测量方法，其中包括如下步骤：

第一步，测量上层油液位高度：

将第一浮子放入油罐，第一浮子在油水混合液中上下浮动，并且最终稳定于油面上，

通过第一牵引链的传动，第一浮子的上下运动被传递到第一光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，并将调制成的光脉冲传送出去，经调制的光脉冲信号由第一输出光纤到达第一光电检测器，经过分析处理判断，得到最终液位数值，以及

第二步，测量油水分界面液位高度：

将第二浮子放入油罐，第二浮子在油水混合液中上下浮动，并且最终稳定于油水分界面，

通过第二牵引链的传动，第二浮子的上下运动被传递到光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，并将调制成的光脉冲传送出去，经调制的光脉冲信号由2路输出光纤到达第二光电检测器，经过分析处理判断，得到最终液位数值，

第一和第二浮子均为空心圆柱状，直径2r，高度h，壁厚δ，材料密度γ，浮子浸入油中高h_o，油密度γ_o，浮子浸入水中高h_w，水密度γ_w，γ_o＜γ_w，平衡锤的牵引力F，h=h_w+h_o，

则第一浮子满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_wγ_w+πr²h_oγ_o+F     （1），

πr²hγ_o<rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))<πr²hγ_w         （2），

则第二浮子满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_oγ_o+F               （3）。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1是根据本发明的具体实施方式的油水组成测量装置的示意图。

图2是根据本发明的具体实施方式的油水组成测量装置的浮子内部结构示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

下面参考附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明中，为了测量油水各自的组成，采取如下技术方式：

由于油水本身两者是互不相溶的物质，因此油罐中油水会分离，油浮于水上，形成油水分界面，因此只要分别测出上层原油产品的上层油液位，和下层油水分界面的液位高度，两者相减，即可得到油罐中油水各自的组成。

另外，由于在测量油罐液位时，测量精度是个十分关键的指标。由于油罐直径较大，液位测量结果如果与实际液位差出1mm，那么差出的原油数量就可能在几十甚至上百吨。因此本发明在多方面采取了提高测量精度的办法。

在本发明中，采用光纤传感器液位检测装置，该装置基于相位激光测距原理，将激光光学系统与地面光纤传感控制系统相结合，采用对称补偿结构，便于对油罐的液位实现全光无电一次性高精度在线传感检测。

下面结合附图对本发明的油水组成测量装置和方法进行说明。

如图1所示，本发明的油水组成检测装置包括：用于检测油水分界面液位高度的第一液位检测器P1，和用于检测上层油液位高度的第二液位检测器P2。第一液位检测器P1包括：浮子1、一对链轮2、法兰3、光纤传感器4、光码盘5、输入光纤6、输出光纤7、牵引链8、平衡锤9和光电检测器件。第二液位检测器P2包括：浮子1′、一对链轮2′、法兰3′、光纤传感器4′、光码盘5′、输入光纤6′、输出光纤7′、牵引链8′、平衡锤9′和光电检测器件。

第一液位检测器P1在工作中，所述牵引链8的一端伸入油罐内部，一端位于油罐外部，并且所述牵引链8由内到外依次连接油罐内部的浮子1和油罐内部的一个链轮2、以及位于油罐外部的另一个链轮2和平衡锤9，其中位于油罐外部的另一个链轮2与光纤传感器4的主轴连接，通过2个相同链轮2的传动，浮子1的上下运动被传递到传感器4中的光学编码器，转换为光学编码器的转动。光学编码器设置于法兰3中，由光码盘5和轴组成。光码盘是一个沿圆周刻出与液位变化相对应的1000个齿孔的薄盘。当光码盘因被测液位变化而转动时，它对两个光纤探头内的红外光分别进行调制即遮挡或通过，使之成为交变光。调制后的2组光信号返回各自的光纤中，沿光缆传输至光电转换器件，从而产生一连串的电脉冲。采用2路光纤探头是因为不仅要记录液位变化的大小，而且要判断液位变化的方向。

浮子1浮在油水混合液中。如果要得到油水分界面的液位，就需要浮子正好处于油水分界面的分界线上，也就是说，需要设计浮子1，使得浮子的一部分处于油中，一部分处于水中。

常温下，原油的比重在0.75至1.00之间，水的比重为1.00。油比水略轻，因此浮在水面上，形成油水分界面。当然，原油比重和它的组成物质的分子量以及溶解气体多少有关。通常比重比较大的原油含高分子，颜色深，比重比较小的原油颜色较浅，含油质比较多。这里以一般情况下水比油密度大为例，油罐内上层为油，下层为水。若由于温度、杂质等原因，水比油密度小，或者油罐内部液体为其他种类的液体，可进行类似设计分析。

在上述条件下，当浮子全部浸在水中时所受到的浮力较大，浮子全部浸在油中时所受到的浮力较小。

因此，在本发明中，设计浮子，使得浮子重量同时满足小于其全部浸在水中时所受的浮力，并且大于其全部浸在油中所受的浮力时，那么浮子就可以浮在油水的分界面处，这时通过测量浮子的位置即可得到油水分界面的液位高度。

本实施例中，浮子为空心扁圆柱状，直径2r，高度h，壁厚δ，材料密度γ；浮子浸入油中高h_o，油密度γ_o；浮子浸入水中高h_w，水密度γ_w，γ_o＜γ_w，平衡锤牵引力F，且h=h_w+h_o

浮子重量为γπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))               （1），

水产生的浮力为πr²hγ_w                           （2），

油产生的浮力为πr²hγ_o                           （3），

则浮子浮在油水分界面中的条件为

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_wγ_w+πr²h_oγ_o+F      （4），以及

πr²hγ_o<rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))<πr²hγ_w          （5）。

在实际设计中，可得到各种满足上面公式的结构设计。例如设定浮子的壁部厚度由上向下递增，或在浮子下部做出薄肋（图2的21）支撑并平衡浮子重量，或在浮子空心中随机分布填充球形内容物（图2的22）来调节测量时因液位波动引起的浮子位置变动等等。

在工作中，测量过程如下：

当开始测量，浮子1在油水混合液中上下浮动，并且由于上述设计而最终稳定于油水分界面，浮子1的运动通过牵引链8传到传感器主轴，主轴的转动再带动光码盘5转动，并将调制成的光脉冲传送出去。经调制的光脉冲信号由2路输出光纤到达各自的光电转换器，经过分析处理判断，得到最终油水分界面的液位数值。

选用光码盘是一个沿圆周刻出与液位变化相对应的1000个齿孔的薄盘，具有比一般液位测量仪更好的测量精度。在本实施例中，设计的液位系统的浮子升降高度为1000mm，光码盘转过1000个齿孔。设若每个脉冲的宽度为1mm，即计数器每计一个脉冲，液面变化1mm。测量精度提高，可以满足实际需要。

第一和第二液位检测器的部件的工作方式是相同的，因此对第二液位检测器的部件的工作方式不再赘述。仅提出第二液位检测器中浮子的设计。

本实施例中，浮子1′为空心扁圆柱状，直径2r，高度h，壁厚δ，材料密度γ；浮子浸入油中高h_o，油密度γ_o；平衡锤牵引力F

浮子重量为γπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))        （6），

油产生的浮力为πr²h_oγ_o                   （7），

则浮子浮在油上的条件为

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_oγ_o+F        （8）。

具体测量中，分别用第一液位检测器检测到油水分界面液位高度H2，以及用第一液位检测器检测到上层油液位高度H1，用H1与H2相减，由此得到油水混合油罐中的原油产品的实际存量。

因此本发明提供了一种精确且安全的测量技术，实现油水分界面的液位测量。

虽然已经参照本发明的示例性实施方式具体描述和显示了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种用于测量油罐内油水组成的测量装置，包括

用于检测油水分界面液位高度的第一液位检测器，用于检测上层油液位高度的第二液位检测器，和控制器，

其中所述第一液位检测器包括：第一浮子、第一对链轮、第一法兰、第一光纤传感器、第一光码盘、第一输入光纤、第一输出光纤、第一牵引链、第一平衡锤和第一光电检测器件，

所述第二液位检测器包括：第二浮子、第二对链轮、第二法兰、第二光纤传感器、第二光码盘、第二输入光纤、第二输出光纤、第二牵引链、第二平衡锤和第二光电检测器件，

其中，测量过程中，

所述第一牵引链的一端伸入油罐内部，一端位于油罐外部，并且由内到外依次连接油罐内部的第一浮子和第一对链轮中的一个链轮、以及位于油罐外部的第一对链轮中的另一个链轮和第一平衡锤，位于油罐外部的另一个链轮与第一光纤传感器的主轴连接，通过第一牵引链的传动，第一浮子的上下运动被传递到第一光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，当光学编码器内的第一光码盘因被测液位变化而转动时，它对第一输入光纤探头内的红外光分别进行调制，使之成为交变光，调制后的光信号沿第一输出光纤传输至第一光电检测器件，由此获得油水分界面液位测量信号，

所述第二牵引链的一端伸入油罐内部，一端位于油罐外部，并且由内到外依次连接油罐内部的第二浮子和第二对链轮中的一个链轮、以及位于油罐外部的第二对链轮中的另一个链轮和第二平衡锤，位于油罐外部的另一个链轮与第二光纤传感器的主轴连接，通过第二牵引链的传动，第二浮子的上下运动被传递到第二光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，当光学编码器内的第二光码盘因被测液位变化而转动时，它对第二输入光纤探头内的红外光分别进行调制，使之成为交变光，调制后的光信号沿第二输出光纤传输至第二光电检测器件，由此获得油液位测量信号，

所述控制器将所得到的油水分界面液位测量信号和油液位测量信号相减，并根据油罐内部尺寸计算得到油罐内油水组成，

其中，

第一和第二浮子均为空心圆柱状，直径2r，高度h，壁厚δ，材料密度γ，浮子浸入油中高h_o，油密度γ_o，浮子浸入水中高h_w，水密度γ_w，γ_o＜γ_w，平衡锤的牵引力F，h=h_w+h_o，

则第一浮子设计成满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_wγ_w+πr²h_oγ_o+F    （1），

πr²hγ_o<rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))<πr²hγ_w        （2），

则第二浮子设计成满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_oγ_o+F              （3）。

2.如权利要求1所述的油水分界面的测量装置，其中第一和第二光码盘是沿圆周刻出与液位变化相对应的至少1000个齿孔的薄盘。

3.如权利要求1所述的油水分界面的测量装置，其中所述第一和第二浮子的壁部厚度由上向下递增，或所述第一和第二浮子的下部做出薄肋支撑，或在第一和第二浮子空心中随机分布填充球形内容物。

4.一种用于测量油罐内油水组成的测量方法，其中包括如下步骤：

第一步，测量上层油液位高度：

将第一浮子放入油罐，第一浮子在油水混合液中上下浮动，并且最终稳定于油面上，

通过第一牵引链的传动，第一浮子的上下运动被传递到第一光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，并将调制成的光脉冲传送出去，经调制的光脉冲信号由第一输出光纤到达第一光电检测器，经过分析处理判断，得到最终液位数值，以及

第二步，测量油水分界面液位高度：

将第二浮子放入油罐，第二浮子在油水混合液中上下浮动，并且最终稳定于油水分界面，

通过第二牵引链的传动，第二浮子的上下运动被传递到光纤传感器中的光学编码器，转换为光学编码器的转动，并将调制成的光脉冲传送出去，经调制的光脉冲信号由2路输出光纤到达第二光电检测器，经过分析处理判断，得到最终液位数值，

第一和第二浮子均为空心圆柱状，直径2r，高度h，壁厚δ，材料密度γ，浮子浸入油中高h_o，油密度γ_o，浮子浸入水中高h_w，水密度γ_w，γ_o＜γ_w，平衡锤的牵引力F，h=h_w+h_o，

则第一浮子设计成满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_wγ_w+πr²h_oγ_o+F      （1），

πr²hγ_o<rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))<πr²hγ_w          （2），

则第二浮子设计成满足下式：

rπ(r²h-(r-δ)²(h-2δ))=πr²h_oγ_o+F                （3）。

5.如权利要求4所述的油水分界面的测量方法，其中第一和第二光码盘是沿圆周刻出与液位变化相对应的至少1000个齿孔的薄盘。

6.如权利要求4所述的油水分界面的测量方法，其中所述第一和第二浮子壁部厚度由上向下递增，或第一和第二浮子的下部做出薄肋支撑，或在第一和第二浮子空心中随机分布填充球形内容物。

Images