CN112665683A - 海洋环境下容器液位测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋环境下容器液位测量系统，其包括：液位测量装置，用于测量被测容器液位，输出液位测量信号；液位测量误差修正装置，用于以差压变送器预先测量出修正用液体在静止状态下的压力，并在液位测量装置测量被测容器液位时，以差压变送器同步测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；信号采集装置；以及处理计算单元，用于以修正用液体在静止状态下的压力与实时压力的比值作为液位修正系数，利用液位修正系数对液位测量信号进行修正，计算得出被测容器内液体的真实液位值。本发明可以消除船体倾斜角和重力加速度变化造成的测量误差，能实现船舶、海洋平台等设施上各种规则形状容器液位的可靠测量。

Description

海洋环境下容器液位测量系统

技术领域

本发明属于海洋环境下液位测量领域，更具体地说，本发明涉及一种海洋环境下容器液位测量系统。

背景技术

在海洋环境下，船舶或海上平台存在倾斜、摇摆，导致船舶或海上平台内液位测量长期存在困难，给液位监测和工艺控制带来非常大的问题。

现有海洋环境液位测量方法主要有双参考管法和导波雷达液位计测量法。

双参考管法是在被测容器内设计2个平衡容器，虽然测量精度高，但是2个平衡容器必须安装在容器中心处，安装复杂且平衡存在很大困难，需要设置补水装置，否则会引入新的误差；这种测量方式比较适用于“瘦高”型容器，不太适合液位较小的“大脸盆”型容器。

导波雷达液位计虽然有着较高精度，但是敞口式容器无法安装导波雷达液位计，而且导波雷达液位计必须安装在容器的正中心才能消除倾斜状态下的误差，但这种安装方式反而导致导波雷达液位计出现反射误差，同时安装在容器中心处的导波雷达液位计不便于检修，一旦故障维护困难。

可见，上述产品的应用都存在一定条件和局限性，并不能解决海洋环境下敞口式容器的液位测量。

有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述问题的海洋环境下容器液位测量系统。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种简单、可靠、精度高的海洋环境下容器液位测量系统，以解决海洋环境倾斜摇摆对液位测量带来的困难。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种海洋环境下容器液位测量系统，其包括：

液位测量装置，用于测量被测容器液位，输出液位测量信号；

液位测量误差修正装置，用于以差压变送器预先测量出修正用液体在静止状态下的压力，并在液位测量装置测量被测容器液位时，以差压变送器同步测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；

信号采集装置，与液位测量装置和液位测量误差修正装置连接，用于采集液位测量装置的液位测量信号和液位测量误差修正装置的液位修正信号；以及

处理计算单元，与信号采集装置连接，用于以修正用液体在静止状态下的压力与实时压力的比值作为船体倾角和重力加速度变化的液位修正系数，利用液位修正系数对液位测量信号进行修正，计算得出被测容器内液体的真实液位值。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述海洋环境下容器液位测量系统还包括：

信号输出单元，与处理计算单元连接，用于将处理计算单元计算出的被测容器内液体的真实液位值向外输出。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述液位测量装置包括压力变送器、仪表管和被测容器；所述被测容器为敞口式容器，压力变送器位于被测容器正中心下方，仪表管的一端与压力变送器连接，另一端连接至被测容器内的底部正中心处取压；压力变送器与信号采集装置连接，将液位测量信号传输给信号采集装置。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述液位测量误差修正装置包括集液容器、导压管和差压变送器；所述导压管与集液容器连接；差压变送器位于集液容器正下方，保证集液容器的中心点与差压变送器的中心点在一条垂直线上；差压变送器的高压侧与导压管连接，低压侧与大气连接，差压变送器与信号采集装置连接，将液位修正信号传输给信号采集装置。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述处理计算单元计算被测容器内液体的真实液位值h的公式为：

公式中，h为被测容器内液体的真实液位值，ΔP为液位测量装置的液位测量信号对应的压力值，P₁₀为预先存储的液位测量误差修正装置的差压变送器在静止状态下的压力测量值，ρ为被测容器内液体的密度，g为重力加速度，P′为液位测量误差修正装置的差压变送器输出的液位修正信号对应的压力测量值。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述信号采集装置采用同一块板卡实现液位测量装置的液位测量信号和液位测量误差修正装置的液位修正信号的采集，有效保证两个信号的同步性。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述集液容器的横截面积与导压管的横截面积相同。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述液位测量误差修正装置内的液体与液位测量装置仪表管内的液体保持一致。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述集液容器的顶部设置有带堵头的补液口；集液容器内部为未满状态，预留有用于吸收导压管和集液容器内的液体热胀冷缩的自由空间。

作为本发明海洋环境下容器液位测量系统的一种改进，所述集液容器内部设置有多层用于抑制液体晃动的滤网。

与现有技术相比，本发明海洋环境下容器液位测量系统利用液位测量误差修正装置的液位修正信号对液位测量装置的液位测量信号进行修正，可以消除船体倾斜角和重力加速度变化造成的测量误差，能够实现船舶、海洋平台等设施上各种规则形状容器液位的可靠测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明海洋环境下容器液位测量系统进行详细说明。

图1为本发明海洋环境下容器液位测量系统的结构示意图。

图2为图1中液位测量装置的结构示意图。

图3为图1中液位测量误差修正装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

请参阅图1，本发明海洋环境下容器液位测量系统包括：

液位测量装置20，用于测量被测容器液位，输出液位测量信号；

液位测量误差修正装置10，用于以差压变送器预先测量出修正用液体在静止状态下的压力，并在液位测量装置20测量被测容器液位时，以差压变送器同步测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；

信号采集装置30，与液位测量装置20和液位测量误差修正装置10连接，用于采集液位测量装置20的液位测量信号和液位测量误差修正装置10的液位修正信号；以及

处理计算单元40，与信号采集装置30连接，用于以修正用液体在静止状态下的压力与实时压力的比值作为船体倾角和重力加速度变化的液位修正系数，利用液位修正系数对液位测量信号进行修正，计算得出被测容器内液体的真实液位值。

本发明海洋环境下容器液位测量系统还包括信号输出单元50，信号输出单元50与处理计算单元40连接，用于将处理计算单元40计算出的被测容器内液体的真实液位值向外输出。

请参阅图2，液位测量装置20包括压力变送器21、仪表管22和被测容器23。其中，被测容器23为敞口式容器，压力变送器21位于被测容器23正中心下方，仪表管22的一端与压力变送器21连接，另一端连接至被测容器23内的底部正中心处取压。压力变送器21与信号采集装置30连接，将液位测量信号传输给信号采集装置30。

从液位测量装置20的结构可知，压力变送器21输出的液位测量信号对应的压力值ΔP＝ρgg′h cos α，其中，ρ为被测容器23内液体的密度，g为重力加速度，g′为船体摇晃导致的重力加速度变量(数值未知)，h为被测容器23内液体的真实液位值，α为船体倾角(数值未知)。若以公式(1)中的k作为液位修正系数，则可以推导出被测容器内液体的真实液位值h为：

请参阅图3，液位测量误差修正装置10包括集液容器12、导压管11和差压变送器13。其中，导压管11与集液容器12连接；差压变送器13位于集液容器12正下方，保证集液容器12的中心点与差压变送器13的中心点在一条垂直线上。差压变送器13的高压侧与导压管11连接，低压侧与大气连接。差压变送器13与信号采集装置30连接，将液位修正信号传输给信号采集装置30。

集液容器12的顶部设置有带堵头的补液口。导压管11内充满水，确保导压管11与差压变送器13之间没有气泡。差压变送器13的低压侧与大气连接的方式为通过一个向下的导管130与大气连接。

从液位测量误差修正装置10的结构可知：

在静止状态下，差压变送器13的测量信号对应的压力测量值P₁₀为：P₁₀＝ρ₁₀gh₁₀，ρ₁₀为集液容器12和导压管11内水的密度，g为重力加速度，h₁₀为集液容器12和导压管11内水的总高度；

当船体发生倾斜摇摆或晃荡时，差压变送器13的液位修正信号对应的压力测量值P′为：P′＝ρ₁₀gg′h₁₀cos α，α为船体倾角，g′为船体摇晃导致的重力加速度变量；

由此可得，液位修正系数k为：

只要在处理计算单元40中存储静止状态下的压力测量值P₁₀，即可在将差压变送器13的液位修正信号转化为压力测量值P′后，利用公式(3)计算出液位修正系数k。

本发明选用差压变送器13测量P₁₀、P′的原因是由于船舶在海上航行，不同位置大气压力不同，差压变送器可以防止大气压力的变化导致测量误差。

信号采集装置30采用同一块板卡实现液位测量装置20的液位测量信号和液位测量误差修正装置10的液位修正信号的采集，可以有效保证两个信号的同步性。

处理计算单元40中存储有差压变送器13在静止状态下的压力测量值P₁₀，结合公式(2)、(3)，可以推导出计算被测容器真实液位值h的公式为：

公式(4)中，ΔP为压力变送器21输出的液位测量信号对应的压力值，P₁₀为差压变送器13在静止状态下的压力测量值，ρ为被测容器23内液体的密度，g为重力加速度，P′为差压变送器13输出的液位修正信号对应的压力测量值。

通过以上描述可知，本发明海洋环境下容器液位测量系统利用液位测量误差修正装置10的液位修正信号对液位测量装置20的液位测量信号进行修正，可以消除船体倾斜角和重力加速度变化造成的测量误差，能够实现船舶、海洋平台等设施上各种规则形状容器液位的可靠测量，尤其是常温、常压、敞口式无顶盖或顶盖无法安装仪表管线的容器的液位测量。

由于本发明海洋环境下容器液位测量系统所处的环境温度存在变化，根据本发明的测量原理，环境温度的变化会引起水的密度变化，因此温度变化后液位测量误差修正装置10的差压变送器13的压力测量值也会出现变化，压力测量值变化量ΔP₁₀的计算公式为：

公式(5)中，S1为导压管11的横截面积，h11为导压管11的高度，S2为集液容器12的横截面积，ρ11为初始时刻水的密度，ρ12为温度变化后水的密度。

由公式(5)可知，当温度升高时，压力会减小，而且导压管11的横截面积S1与集液容器12的横截面积S2相差越大，压力测量值变化量ΔP₁₀就越大，只有当S1＝S2时，ΔP₁₀为0。

因此，为了避免因集液容器12横截面积与导压管11的横截面积不同而引起测量误差，本发明的集液容器12的横截面积S2与导压管11的横截面积S1优选为相同(如果二者横截面积不同，也可以根据公式(5)给出一个密度变化修正系数，只是因为需要确定的参数比较多，过程相对繁琐)，例如，当二者横截面均为圆形时，要求二者的直径相同。为便于导压管11安装，同时防止导压管11内的水蒸发，导压管11和集液容器12的尺寸建议在DN20到DN50范围内选择，比较合理。

易于理解的是，由于本发明海洋环境下容器液位测量系统所处的环境温度存在变化，集液容器12内需要预留一定空间，用于吸收导压管11和集液容器12内水的热胀冷缩引起的体积变化。考虑环境温度从0℃到99℃的变化范围，集液容器12的水不应溢出，经计算密度变化导致集液容器12内液位高度的变化Δh₁₂为：

其中，ρ11＝0.999，ρ12＝0.959，h₁₀为集液容器12和导压管11内水的总高度，可计算出集液容器12需要预留占集液容器12和导压管11内水的总高度5％左右的自由空间。

由于集液容器12为未满状态，虽然集液容器12内液体随船晃荡幅度很小，但作为液位修正信号的标准装置，本发明在集液容器12内设置多层用于抑制液体晃动的滤网，用以尽可能提高液位修正信号的测量精度和可靠性。

易于理解的是，标准倾斜装置10只是用于确定液位修正系数k，因为液位修正系数k的最终计算公式中仅仅涉及两个压力值P₁₀、P′，并不涉及液体的密度，所以以上虽然是以最常用的水为例说明液位修正系数k的推导过程，但实际上集液容器12和导压管11内的水也可以替换为其他液体。实际使用中，为了保证液位测量误差修正装置10的液位修正信号和液位测量装置20的液位测量信号具有相同的动态特性，液位测量误差修正装置10内的液体应该与液位测量装置20的仪表管22内的液体保持一致。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

1)适用于船舶、海洋平台等设施上各种容器的液位测量，尤其适用于常温、常压、敞口、任意尺寸的规则型容器的液位测量；

2)原理易懂，安装和调试简单；

3)采用同一块板卡实现液位测量装置20的液位测量信号和液位测量误差修正装置10的液位修正信号的采集，可以有效保证两个信号的同步性，整个装置性能稳定可靠，故障率低；

4)同时修正倾角和重力加速度变化带来的测量误差；

5)在无需进行测量信号滤波处理前提下，能达到非常高的测量精度，同时提高液位测量信号的实时性。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，包括：

液位测量装置，用于测量被测容器液位，输出液位测量信号；

液位测量误差修正装置，用于以差压变送器预先测量出修正用液体在静止状态下的压力，并在液位测量装置测量被测容器液位时，以差压变送器同步测量修正用液体的实时压力，输出液位修正信号；

信号采集装置，与液位测量装置和液位测量误差修正装置连接，用于采集液位测量装置的液位测量信号和液位测量误差修正装置的液位修正信号；以及

处理计算单元，与信号采集装置连接，用于以修正用液体在静止状态下的压力与实时压力的比值作为船体倾角和重力加速度变化的液位修正系数，利用液位修正系数对液位测量信号进行修正，计算得出被测容器内液体的真实液位值。

2.根据权利要求1所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述海洋环境下容器液位测量系统还包括：

信号输出单元，与处理计算单元连接，用于将处理计算单元计算出的被测容器内液体的真实液位值向外输出。

3.根据权利要求1所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述液位测量装置包括压力变送器、仪表管和被测容器；所述被测容器为敞口式容器，压力变送器位于被测容器正中心下方，仪表管的一端与压力变送器连接，另一端连接至被测容器内的底部正中心处取压；压力变送器与信号采集装置连接，将液位测量信号传输给信号采集装置。

4.根据权利要求1所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述液位测量误差修正装置包括集液容器、导压管和差压变送器；所述导压管与集液容器连接；差压变送器位于集液容器正下方，保证集液容器的中心点与差压变送器的中心点在一条垂直线上；差压变送器的高压侧与导压管连接，低压侧与大气连接，差压变送器与信号采集装置连接，将液位修正信号传输给信号采集装置。

5.根据权利要求1所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述处理计算单元计算被测容器内液体的真实液位值h的公式为：

公式中，h为被测容器内液体的真实液位值，ΔP为液位测量装置的液位测量信号对应的压力值，P₁₀为预先存储的液位测量误差修正装置的差压变送器在静止状态下的压力测量值，ρ为被测容器内液体的密度，g为重力加速度，P′为液位测量误差修正装置的差压变送器输出的液位修正信号对应的压力测量值。

6.根据权利要求1所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述信号采集装置采用同一块板卡实现液位测量装置的液位测量信号和液位测量误差修正装置的液位修正信号的采集，有效保证两个信号的同步性。

7.根据权利要求4所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述集液容器的横截面积与导压管的横截面积相同。

8.根据权利要求4所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述液位测量误差修正装置内的液体与液位测量装置仪表管内的液体保持一致。

9.根据权利要求4所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述集液容器的顶部设置有带堵头的补液口；集液容器内部为未满状态，预留有用于吸收导压管和集液容器内的液体热胀冷缩的自由空间。

10.根据权利要求9所述的海洋环境下容器液位测量系统，其特征在于，所述集液容器内部设置有多层用于抑制液体晃动的滤网。

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