浮筒式油水界面檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于光輝，陳 燕，馬春燕，竇銀科，馮治崗，常曉敏，張 艷

(太原理工大學(xué) a.電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，b.水利科學(xué)與工程學(xué)院，c.材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

在原油的存儲(chǔ)過(guò)程中，儲(chǔ)油罐中不可避免會(huì)滲入一部分水；由于油和水的比重不同，原油中的水分會(huì)沉降在油罐底部。出于對(duì)油品純度的要求和對(duì)安全的考慮，需要通過(guò)油水界面檢測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)油水分離[1-2]。傳統(tǒng)的油水界面檢測(cè)裝置，如磁致伸縮式界面儀，具有測(cè)量精度較低、電路器件易損害等缺點(diǎn)。近年來(lái)，出現(xiàn)了采用超聲波測(cè)距等技術(shù)的新型油水界面檢測(cè)裝置，其測(cè)量結(jié)果易產(chǎn)生漂移，需要定期標(biāo)定，限制了檢測(cè)裝置的應(yīng)用[3-4]。本文介紹的浮筒式油水界面檢測(cè)儀具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該油水界面檢測(cè)儀主要用于大型油庫(kù)的立式圓柱形油罐和城市加油站等油庫(kù)的臥式圓柱形油罐[5-6]。

1 油水界面檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)及原理

浮筒式油水界面檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由浮筒、重力傳感器、變送電路、單片機(jī)測(cè)控裝置等4部分組成。隨著油水界面的升降，浮筒受到的浮力會(huì)發(fā)生變化，重力傳感器的輸出電壓隨之變化；通過(guò)變送電路，實(shí)現(xiàn)電壓—電流的轉(zhuǎn)換；最后在單片機(jī)測(cè)控裝置中實(shí)時(shí)顯示油水界面的高度，并具有超出閾值報(bào)警和控制閥門自動(dòng)排水的功能。

圖1 浮筒式油水界面檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of float oil-water interface detector

2 浮筒結(jié)構(gòu)及檢測(cè)機(jī)理

浮筒由中空鋼管焊接而成，浸沒(méi)在油罐內(nèi)，保持直立狀態(tài)。上部通過(guò)鐵鏈與重力傳感器相連。

根據(jù)阿基米德浮力定律，當(dāng)一個(gè)物體完全浸沒(méi)在液體中時(shí)，該物體所受到的浮力等于該物體排出液體的重力。表達(dá)式為：

F0=ρgV=ρgSH.

(1)

式中：F0為浮力；V為物體排出液體的體積；S為物體的面積；H為物體浸沒(méi)的高度；ρ為液體的密度；g為重力加速度。

設(shè)浮筒重力為G，油對(duì)浮筒產(chǎn)生的浮力為F1，水對(duì)浮筒產(chǎn)生的浮力為F2，則重力傳感器所受到的力F為：

F=G-F1-F2.

(2)

根據(jù)式(1)浮力F0為：

(3)

故油對(duì)浮筒的浮力F1為：

(4)

水對(duì)浮筒的浮力F2為：

(5)

則式(2)可寫為：

(6)

式中：D為浮筒的直徑；ρ1為油的密度；ρ2為水的密度；L為浮筒的長(zhǎng)度；g為重力加速度；H為油水界面的高度；Δρ=ρ2-ρ1.

從式(6)看出，除油水界面高度H外皆為常數(shù)。故重力傳感器受力F與油水界面H呈線性關(guān)系，油水界面H越高，重力傳感器受力越小，呈反比關(guān)系。

3 重力傳感器結(jié)構(gòu)及原理

重力傳感器固定于油罐上方，與浮筒相連。重力傳感器是一種將所受到的重力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件，主要由彈性體、電阻應(yīng)變計(jì)及檢測(cè)電路等3部分組成。彈性體是將力轉(zhuǎn)換成形變；電阻應(yīng)變計(jì)是將形變轉(zhuǎn)換成電阻變化；檢測(cè)電路的主要部件是惠斯登電橋，它可以解決重力傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題，其功能是將電阻應(yīng)變計(jì)的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

本設(shè)計(jì)采用的傳感器為平行梁式重力傳感器，型號(hào)為B-XA-6，最大量程為6 kg，靈敏度為(2±0.02) mV/V,輸入阻抗為(410±10) Ω，輸出阻抗為(350±1) Ω，工作電壓為9～15 V，非線性度為0.05%.由于該傳感器具有良好的線性度這一靜態(tài)特征，所受的重力與輸出的電壓呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

當(dāng)傳感器受到外力的作用后，彈性體產(chǎn)生變形，從而引起電阻應(yīng)變片電阻率的變化。傳感器的輸出電壓U0為：

(7)

4 變送電路

變送電路的功能是將重力傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，包括變送器及外圍輔助電路。變送器選用XTR101芯片。XTR101可以將傳感器差分形式的毫伏級(jí)電壓轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA二線制電流輸出。XTR101是以電流形式傳輸信號(hào)的，因此不受遠(yuǎn)距離傳輸線阻抗壓降的影響。它的主要特征為：最大失調(diào)電壓僅為30 V；最大電壓漂移僅為0.75 V/℃；非線性度為0.01%；供電電壓范圍為11.6～40.0 V；溫度范圍為-40～+85 ℃，采用小型14引腳雙列直插式封裝[10]。由于XTR101的非線性度非常小，所以XTR101輸入的電壓值(即傳感器輸出的電壓值)與輸出的電流值呈線性關(guān)系。

圖2 XTR101內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Inner structure of XTR101

XTR101的內(nèi)部簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，A1和A2為單電源儀表放大器，可控制由A3，Q1，R1和R2構(gòu)成的電流源。根據(jù)放大器虛短的特征，3，5引腳等電位，4，6引腳等電位，故量程調(diào)節(jié)端5，6引腳的電位差即為輸入信號(hào)。引腳3，4為信號(hào)差分輸入端的負(fù)極和正極；引腳5，6外接跨導(dǎo)電阻，該電阻決定信號(hào)的輸出幅值，其引線應(yīng)盡量短，以減少噪聲干擾和引線電阻帶來(lái)的增益誤差；引腳7為輸出端(4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán))；引腳8接電源正極。

當(dāng)EIN=0時(shí)，內(nèi)部與兩路恒流電流源(分別為1 mA)共同輸出電流4 mA.當(dāng)EIN不為0時(shí)，輸出電流Iout：

(8)

當(dāng)EIN=0時(shí)，Iout=4 mA；當(dāng)EIN最大時(shí)，Iout=20 mA[11].

5 單片機(jī)測(cè)控裝置

單片機(jī)測(cè)控裝置放置于監(jiān)控室內(nèi)，包括I/V轉(zhuǎn)換接口、電源模塊、鍵盤、顯示模塊、外設(shè)控制模塊、報(bào)警模塊?；贛SP430F149單片機(jī)的測(cè)控裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)測(cè)控裝置方框圖Fig.3 Block diagram of SCM monitoring and control device

I/V轉(zhuǎn)換接口接收來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)XTR101輸出的4～20 mA電流信號(hào)，由于電流信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，使用截面為1.5 mm2，長(zhǎng)度為1 000 m的屏蔽雙絞線進(jìn)行傳輸。I/V轉(zhuǎn)換接口的功能是將電流轉(zhuǎn)換為電壓，與單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，即與P6.0口連接。

電源模塊包括24 V，12 V，5 V，3.3 V，分別為XTR101、重力傳感器、顯示模塊、單片機(jī)供電。鍵盤、外設(shè)控制模塊的電源電壓為5 V.

鍵盤選用4個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別為復(fù)位鍵、設(shè)置鍵、增/減鍵、開關(guān)鍵，當(dāng)有鍵按下時(shí)，中斷請(qǐng)求會(huì)被發(fā)送到CPU，中斷服務(wù)程序會(huì)在CPU響應(yīng)后執(zhí)行，鍵盤才會(huì)被掃描，它與單片機(jī)的P1口連接。

顯示模塊使用4位8段共陽(yáng)極動(dòng)態(tài)LED數(shù)碼管，用于顯示油罐中油水界面高度，它與單片機(jī)的P4口和部分P5口連接。

外設(shè)控制模塊是控制閥門的關(guān)斷，當(dāng)油水界面的高度低于或高于閾值時(shí)，及時(shí)關(guān)閉閥門，它與單片機(jī)的P1.5口連接。若油水界面高度低于或者高于閾值，則P3.1口將由0置為1，此時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，對(duì)工作人員起到提醒作用[12-13]。

6 實(shí)驗(yàn)電路

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。具體實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。

在實(shí)驗(yàn)中，以外徑為110 mm、長(zhǎng)為2 000 mm的有機(jī)玻璃管代替油罐，在有機(jī)玻璃管管壁上標(biāo)有刻度，可以清楚地讀出油水界面的實(shí)際高度。浮筒由外徑為48 mm、長(zhǎng)為1 000 mm的中空鋼管焊接而成，可以通過(guò)往浮筒內(nèi)注水，來(lái)調(diào)整浮筒重心，從而保證浮筒保持直立狀態(tài)。

隨著油水界面的升高，重力傳感器的輸出電壓增大。在重力傳感器的激勵(lì)電壓正極端與信號(hào)輸出正極端之間并聯(lián)電阻R1和電位器R2，大小分別為50 kΩ，51 kΩ.由式(8)可知，變送器的輸出電流隨重力傳感器輸出電壓的增大而增大。

圖4 實(shí)驗(yàn)電路Fig.4 Experimental circuit

重力傳感器的輸出電壓接入變送器XTR101的3，4引腳。5，6引腳連接跨導(dǎo)電阻R4，取值5.0 Ω.1，2，14引腳用于放大器的輸入偏置電壓零調(diào)整，三個(gè)引腳連接電阻R5和電位器R6，分別取值330 kΩ，19.1 kΩ.從10，11兩個(gè)引腳流出的兩個(gè)1 mA恒流源匯流通過(guò)R3，大小為2.5 kΩ，產(chǎn)生一個(gè)+5 V提升電壓，使XTR101進(jìn)入線性工作區(qū)域。穩(wěn)壓電源電壓為+24 V，通過(guò)二極管D與8引腳連接，二極管用于防止電源電壓極性接錯(cuò)時(shí)對(duì)器件造成的損壞。C1，C2為旁路電容，濾除電源攜帶的高頻雜波，兩者均為0.01 μF.變送器將輸入電壓變換為電流。為調(diào)試電路方便，在此串入毫安表，用來(lái)讀取此處的電流。

變送器輸出的電流信號(hào)通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換接口與單片機(jī)測(cè)控裝置連接。若油水界面的高度超出閾值，報(bào)警電路就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，此時(shí)控制模塊就會(huì)自動(dòng)控制閥門的關(guān)閉。由于單片機(jī)內(nèi)置A/D模塊的輸入電壓范圍為0～3.3 V，所以要將4～20 mA電流變換為電壓，需要在變送器輸出端加一個(gè)阻值為165 Ω的電阻，即R7，通過(guò)電阻的一側(cè)與單片機(jī)的P6.0口連接。

實(shí)驗(yàn)電路搭好后，通過(guò)測(cè)量浮筒在不同位置下，變送電路輸出電流和單片機(jī)顯示油水界面高度，并相應(yīng)讀取有機(jī)玻璃管上的刻度，從而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)電路的準(zhǔn)確性和可靠性。浮筒頂部的調(diào)整范圍為1 010～1 800 mm，每隔10 mm測(cè)量一組數(shù)據(jù)，共80組數(shù)據(jù)。

表1為浮筒頂部高度為1 040 mm時(shí)，電流表示數(shù)和單片機(jī)顯示的油水界面高度，以及有機(jī)玻璃管管壁上的刻度讀取油水界面的實(shí)際高度。最大誤差為4.848%，最小誤差為1.418%，平均誤差為2.934%，符合油水界面檢測(cè)儀測(cè)量誤差范圍的要求[14-15]。

表1 油水界面高度顯示值與實(shí)際值的數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Data comparison of displayed and actual values of oil-water interface level

由表1的數(shù)據(jù)做出曲線，如圖5所示。圖中實(shí)際值曲線為一條直線，即電流表示數(shù)與油水界面實(shí)際值呈線性變化。從圖5中可以看出，兩條曲線是非常接近的，說(shuō)明兩者誤差較小。浮筒在其它位置下的數(shù)據(jù)都有良好的線性度，平均誤差均在±3%以內(nèi)，符合誤差要求。

圖5 油水界面高度顯示值與實(shí)際值的曲線對(duì)比Fig.5 Curve comparison of displayed and actual values of oil-water interface level

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種浮筒式油水界面檢測(cè)儀，利用線性度良好的器件，使油水界面高度的變化有規(guī)律可循。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出單片機(jī)測(cè)控裝置的顯示值；與油水界面高度的實(shí)際值相比較，平均誤差較小，能夠滿足油水界面檢測(cè)儀測(cè)量誤差范圍的要求。該油水界面檢測(cè)儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且使用方便的優(yōu)點(diǎn)，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有廣泛的應(yīng)用前景。