CN110646061A - 一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计及其测量方法，其双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计，包括变送器板、同心金属套管、第一金属圆棒、第二金属圆棒、传感器1和传感器2，第一金属圆棒、第二金属圆棒通过绝缘体同轴连接固定且分别与同心金属套管同心装配；第一金属圆棒、第二金属圆棒分别作为传感器1的第一电极棒、传感器2的第二电极棒；传感器1和传感器2分别将检测到的电压、电流信号输入变送器板，通过变送器板将此信号换算为液位信号。本发明测量的液位高度与介质的介电常数已经无关，因此与“无介电常数补偿的情况下液位高度的计算方法”相比，其液位测量不受介质的介电常数影响，可靠性及精度更高。

Description

一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计及其测量方法

技术领域

本发明涉及液位测量技术，特别是涉及一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计及其测量方法。

背景技术

现有的射频导纳液位测量设备都是单路检测方式，检测杆采用射频导纳的检测原理检测液位变化，该产品在石油化工生产过程中被广泛的使用，但是将该产品应用到石化仓储企业时，单路检测不能满足高可靠性的要求，容易发生溢出事故，形成仓储企业生产的重大安全隐患。

石化仓储企业的罐区或者装车区的物料经常变化，而射频导纳的检测原理是与物料的介电常数紧密关联的，物料介电常数的变化会影响测量设备的检测结果，导致产生错误的信号输出，容易诱发溢出事故

解决液位检测可靠性的问题、解决因为物料介电常数的变化影响检测结果的问题是本发明的关键及研发初衷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计及其测量方法，其液位高度的测量精度与介质的介电常数无关。

为实现上述目的，本发明提供了一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计，包括变送器板、同心金属套管、第一金属圆棒、第二金属圆棒、每个金属圆棒上设置传感器1和传感器2两个传感器，传感器1用于液位测量，传感器2 用于介电常数自动检测。其特征在于，第一金属圆棒、第二金属圆棒通过绝缘体同轴连接固定且分别与同心金属套管同心装配；第一金属圆棒、第二金属圆棒分别作为独立的液位测量设备，实现冗余检测。利用传感器1的第一电极棒、传感器2的第二电极棒；传感器1和传感器2分别将检测到的电压、电流信号输入到变送器板，通过变送器板将此信号换算为液位信号。

优选地，变送器板包括V/I变换器，V/I变换器的信号输出端与液位显示表的信号输入端电连接，从而根据V/I变换器输出的电压变化即可判断液位变化；

变送器板还包括CPU、分频移相器、振幅变换带通滤波器、电压跟随器、电子开关、相敏检波器；外部电源为V/I变换器供电，V/I变换器的信号输入端由CPU内的D/A转换器的输出信号控制，V/I变换器的信号输出端与液位显示表的信号输入端连接，可根据V/I变换器输出电流的变化显示出液位变化。

优选地，外部电源通过电压调整模块调整后再通过DC-DC模块转换为能够接入V/I变换器工作的基准电压，电压调整模块用于稳压，DC-DC模块用于将此直流电压转换为能够被V/I变换器使用的基准电压。

本发明还公开了一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计的测量方法，包括如下步骤：

S1、第一电极棒长H₀，第二电极棒长H₁，只要油品没有浸没整个第二电极棒，则不测量第一电极棒的阻抗，只测量第二电极棒的阻抗；

S2、一旦油品浸没第二电极棒，第二电极棒的阻抗不再变化，此时开始测量第一电极棒的阻抗。

优选地，第二电极棒浸没在油品中的电容为：

可得油品的介电常数：

把(7)式代入(5)式，整理后得到油品液位的测量公式如下：

(8)式中H₀、H₁是第一电极棒、第二电极棒的长度，ε₁是空气介电常数，只要测量出C_y和C_x，就可求得液位高度；C_y是长度为H1的第二电极棒全部浸没在油中的电容，C_x是长度为H0的第一电极棒浸没在油中的电容。

本发明的有益效果是：

与普通射频导纳防溢液位计用于防溢液位检测相比，由于采用双路冗余检测技术，设备的可靠性增加了一倍；由于采用物料介电常数自动检测技术，物料的适应性大大提高，不仅能克服物料本身介电常数变化对液位测量的影响同时能解决不同物料介电常数不一致导致的液位测量不准确的问题。

而且本发明测量的液位高度与介质的介电常数已经无关，因此与“无介电常数补偿的情况下液位高度的计算方法”相比，背景技术中测量结果受到介电常数影响因素已经得到了克服。

附图说明

图1是现有射频导纳防溢液位计的传感器接线原理示意图。

图2是本发明的传感器接线原理示意图。

图3是现有射频导纳防溢液位计的使用状态示意图。

图4是本发明的使用状态示意图。

图5是本发明的变送器板电气原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

现有技术例

参见图1，其为现有的射频导纳防溢液位计常用结构，无介电常数补偿。无介电常数补偿的情况下检测回路中仅仅设计有传感器1(如图1)，传感器的结构为圆柱同轴式，在同心金属套管100中间安装一根第一金属圆棒210。设第一金属圆棒210的外径为d，同心金属套管100的内径为D。第一金属圆棒210和与同心金属套管100构成电容的两个电极，检测回路中设计有传感器1。变送器板300的第一电压接入口V01、第一副电压接入口V’₀₁分别通过导线与同心金属套管100导电连接，变送器板300的第一电流接入口I₀₁与第一金属圆棒210 导电连接，优选为与第一金属圆棒210顶端导电连接。本实施例中的变送器板 300为液位显示表。

参见图3，传感器1垂直安装在设备410上(油罐等)，其中，第一金属圆棒上端离油罐顶部的距离为h₀，设第一金属圆棒电极总长H₀，油品420上部的空气的介电常数为ε₁，油品的介电常数为ε₂，油面离第一金属圆棒上端的距离为h₁，则浸没在油品中的电极长度为H₀-h₁，则根据同心圆筒状电容的公式可得出空气部分的电容为：

浸没在油品中的电容为

忽略杂散电容及端部边界效应以后，两电极间总电容为：

整理，得：

液位高度(油品离油罐顶部的距离)计算公式为：

由上述公式可看出，只要测量出C_x，则可以求得油品离油罐顶部的距离，实现液位测量及报警等功能。但是在现场使用过程中存在几个问题：

1)同种油品的介电常数可能不一样，批次不一样，差异很大；

2)介电常数受温度的影响；

3)介质不是固定单一品种，如：有时是汽油，也可能有时是柴油，汽油的介电常数是1.9，柴油的介电常数是2.1，对液位测量值的影响很大甚至会发生冒油事故。

4)更新介质后必须进行设备校验。

实施例一

参见图2，本实施例将现有技术中的第一金属圆棒210分别设置为两段独立的第一金属圆棒210、第二金属圆棒220，形成两个独立的电极。检测回路中设计有传感器1和传感器2。第一金属圆棒210、第二金属圆棒220之间通过绝缘体230连接固定，且绝缘体230采用绝缘材料制作。第一金属圆棒210、第二金属圆棒220分别作为传感器1和传感器2的探头(电极)，以下分别将第一金属圆棒210、第二金属圆棒220称为第一电极棒、第二电极棒。

参见图5，变送器板包括CPU、分频移相器、振幅变换带通滤波器、电压跟随器、电子开关、相敏检波器、V/I变换器。

外部电源为V/I变换器供电，V/I变换器的信号输入端由CPU内的D/A转换器的输出信号控制，V/I变换器的信号输出端与液位显示表的信号输入端连接，可根据V/I变换器输出电流的变化显示出液位变化。

CPU采用AduC834单片机，在2MHz晶振频率下工作，通过CPU内部驱动得到2MHz的方波信号，经过10分频后得到200KHz的方波信号；

200KHz的方波信号再经过移相、分频器，输出两路频率为100KHz、占空比为1:1的方波信号，其中高电平相位超前的一路方波定义为0度方波，另一路方波的高电平相位滞后于0度方波90度的，定义为90度方波。

0度方波经过振幅变换，再通过一个100KHz的带通滤波器，产生一个周期为100KHz的正弦波，将该正弦波经过一个驱动器(电压跟随器)后作为激励信号 Vx加到传感电极上；

加到传感电极上的Vx激励信号，在传感电极上会产生响应电流Ix，Ix经电流/电压变换器输出响应电压VO，将激励电压Vx、响应电压VO，0度方波、90 度方波加在一个受CPU控制的相敏检波器上，相敏检波器的输出经低通滤波器进入A/D(模拟/数字)转换器，转换结果被读入CPU进行计算、分析、处理。

当电子开关处于1#位时，CPU采集传感器1的相关信号，如：0度方波、 90度方波、Vx、V01、VS1’、进行计算、分析、处理。得出未经过智能补偿的液位值H0；

当电子开关处于2#位时，CPU采集传感器2的相关信号，如：0度方波、 90度方波、Vx、V02、VS2’、进行计算、分析、处理，得出液位值的智能补偿值 H1；

CPU进行智能补偿计算后，输出信号，经过D/A(数字/模拟)转换器输出控制信号给V/I变换器，经V/I变换器进行电压/电流变换调理后输出电流信号，该电流输出信号与实际液位值的一一对应。以上计算循环往复，不断得到实际液位值。

主要器件作用说明：

分频移相器作用：产生两个坐标轴准确正交(相差90度)的交变信号，用于识别传感器检测信号与本信号的相角差，产生的方法是自由轴法方案。自由轴法方案是RLC参数智能检测的优选方案。

振幅变换带通滤波器的作用：得到正弦波信号作为激励信号加在传感电极上，进行参数检测。

电子开关的作用：根据需要切换检测通道，用于不同传感器信号的检测。

相敏检波器作用：传感电极上施加激励电压后，流过传感器电极的电流与电压的相位发生变化，检测这个相位变化用于后续的液位计算。

参见图4，第一电极棒长H₀，第二电极棒长H₁，这两部分之间用绝缘体230 隔离。在工作中油品420慢慢上升，只要油品没有浸没整个第二电极棒，则不测量第一电极棒的阻抗，只测量第二电极棒的阻抗；

一旦油品浸没第二电极棒，第二电极棒的阻抗不再变化，此时开始测量第一电极棒的阻抗；第二电极棒浸没在油品中的电容为：

可得油品的介电常数：

把(7)式代入(5)式，整理后得到油品液位的测量公式如下：

(8)式中H₀、H₁是第一电极棒、第二电极棒的长度，ε₁是空气介电常数，只要测量出C_y和C_x，就可求得液位高度。C_y是长度为H1的第二电极棒全部浸没在油中的电容，C_x是长度为H0的第一电极棒浸没在油中的电容。

(8)式中液位高度与介质的介电常数已经无关，因此与“无介电常数补偿的情况下液位高度的计算方法”相比，影响因素已经得到了克服。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计，包括变送器板、同心金属套管、第一金属圆棒、第二金属圆棒、每个金属圆棒上设置传感器1和传感器2两个传感器，传感器1用于液位测量，传感器2用于介电常数自动检测。其特征在于，第一金属圆棒、第二金属圆棒通过绝缘体同轴连接固定且分别与同心金属套管同心装配；第一金属圆棒、第二金属圆棒分别作为独立的液位测量设备，实现冗余检测。利用传感器1的第一电极棒、传感器2的第二电极棒将检测到的电压、电流信号输入到变送器板，通过变送器板将此信号换算为液位信号。

2.如权利要求1所述的双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计，其特征在于，绝缘体采用绝缘材料制作。

3.如权利要求2所述的双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计，其特征在于，变送器板包括V/I变换器，V/I变换器的信号输出端与液位显示表的信号输入端电连接，从而根据V/I变换器输出的电压变化即可判断液位变化；

变送器板还包括CPU、分频移相器、振幅变换带通滤波器、电压跟随器、电子开关、相敏检波器；外部电源为V/I变换器供电，V/I变换器的信号输入端由CPU内的D/A转换器的输出信号控制，V/I变换器的信号输出端与液位显示表的信号输入端连接，可根据V/I变换器输出电流的变化显示出液位变化。

4.如权利要求3所述的双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计，其特征在于，外部电源通过电压调整模块调整后再通过DC-DC模块转换为V/I变换器工作的基准电压。

5.一种双路冗余智能校准射频导纳防溢液位计的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、第一电极棒长H₀，第二电极棒长H₁，只要油品没有浸没整个第二电极棒，则不测量第一电极棒的阻抗，只测量第二电极棒的阻抗；

S2、一旦油品浸没第二电极棒，第二电极棒的阻抗不再变化，此时开始测量第一电极棒的阻抗。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，第二电极棒浸没在油品中的电容为：

可得油品的介电常数：

把(7)式代入(5)式，整理后得到油品液位的测量公式如下：

(8)式中H₀、H₁是第一电极棒、第二电极棒的长度，ε₁是空气介电常数，只要测量出C_y和C_x，就可求得液位高度；C_y是长度为H1的第二电极棒全部浸没在油中的电容，C_x是长度为H0的第一电极棒浸没在油中的电容。

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