干簧電阻鏈液位傳感器在海上石油平臺的應(yīng)用研究

劉橋林

(中海石油有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

海洋石油開發(fā)對國民經(jīng)濟發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，隨著中國海洋石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提高，國內(nèi)至今已建立上百座海洋石油開采平臺。由于海洋石油開采平臺建設(shè)投資巨大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，是一個存在較多危險的狹窄場所，因此對于設(shè)備設(shè)施的安全性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高。

目前海上石油平臺的液位測量多數(shù)采用基于磁致伸縮原理的液位傳感器，但該傳感器易受海上平臺振動及周邊電磁的干擾而導(dǎo)致信號跳變，引起控制系統(tǒng)工作不正常，影響了平臺的正常生產(chǎn)運行。

本文介紹了一種新型的液位傳感器——干簧電阻鏈傳感器，利用磁性浮球原理，通過浮球磁場的變化使液位傳感器中的干簧管元件吸合，在不同的液位高度輸出對應(yīng)的電阻值信號，再通過變送器將電阻值信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號。由于電阻值信號是一種非常穩(wěn)定的信號源，不易受到現(xiàn)場溫度、振動和電磁不穩(wěn)定因素的影響，不會產(chǎn)生信號跳變現(xiàn)象。干簧電阻鏈傳感器針對海上石油平臺高溫、高濕、高鹽的應(yīng)用環(huán)境進行了防護改進和參數(shù)匹配，經(jīng)過現(xiàn)役海上平臺液位測量系統(tǒng)改造案例中的實際應(yīng)用，驗證了干簧電阻鏈傳感器的穩(wěn)定性，顯示數(shù)值與實際液位高度偏差小，重復(fù)性好、反應(yīng)速率快，在應(yīng)用期間未出現(xiàn)任何故障。

1 新型傳感器的環(huán)境適用性要求

液位測量系統(tǒng)作為海上石油平臺重要的計量設(shè)備，為保證能持續(xù)正常工作，液位傳感器也需適用于海上惡劣的環(huán)境。

1)抗高低溫、高鹽霧措施。海上石油平臺冬天時表面溫度低至-25 ℃，夏天溫度高至60 ℃，晝夜溫差較大，又是高濕、高鹽霧環(huán)境，因此液位傳感器應(yīng)用于海上石油平臺必須采取相應(yīng)的防護措施。在設(shè)計電路時，選用的電子元器件需完全覆蓋海上平臺的溫度工況范圍，保證在高溫或低溫工況下能長期穩(wěn)定運行。液位傳感器外殼采用不銹鋼316 L材質(zhì)，以保證在海上平臺高鹽霧環(huán)境下能長期使用。

2)抗振動措施。由于海上石油平臺有大量的旋轉(zhuǎn)設(shè)備在運行，同時也存在大量的吊裝作業(yè)，不可避免地使得液位傳感器工作在強振動環(huán)境下。為了提高抗振動性能，電路板安裝時采用了抗振動結(jié)構(gòu)，并有效地加固了顯示器。這樣即使有較大的機械振動，液位測量系統(tǒng)也能正常、穩(wěn)定地工作。

3)抗電磁干擾措施。由于海上石油平臺有大量的電機、壓縮機等大功率設(shè)備，且空間狹小，設(shè)備間距非常近，不可避免地會出現(xiàn)較強的電磁干擾，對液位傳感器的工作產(chǎn)生影響，造成輸出信號的跳變。因此，液位傳感器需要進行系統(tǒng)的EMC測試，使其具備在強電磁干擾環(huán)境下工作的能力，確保在海上平臺的惡劣工況條件下能長期穩(wěn)定地運行。

2 海上石油平臺液位傳感器受溫度和磁場的影響分析

2.1 液位傳感器工作原理

2.1.1 干簧電阻鏈傳感器

干簧管也稱舌簧管或磁簧開關(guān)，是一種磁敏的特殊開關(guān)，是干簧電阻鏈傳感器的主要部件。干簧管由2片磁性簧片構(gòu)成，無磁場時2片磁性簧片金屬觸點斷開，有磁場時2片磁性簧片金屬觸點導(dǎo)通?；善|點被封裝在充有惰性氣體(如氮、氦等)的玻璃管里，玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端部重疊。磁場接近干簧管，干簧管2個節(jié)點就會吸合在一起，使電路導(dǎo)通；磁場遠離干簧管，2個節(jié)點就會釋放，使電路斷開；為保證傳感器可靠性，干簧管的動作壽命次數(shù)需達到107。

根據(jù)浮力原理，干簧電阻鏈傳感器采用三線分壓器原理對液位進行測量及信號變送。

浮球內(nèi)磁鋼的磁力線穿過導(dǎo)管，感應(yīng)導(dǎo)管內(nèi)干簧管動作，由此產(chǎn)生的電壓與液位成正比例關(guān)系；干簧管與電阻鏈排列非常緊密，從而傳感器電壓近似連續(xù)變化，等效電路如圖1所示。

在傳感器的總電阻兩端(端子1與端子3)加載1個額定基準電壓Ue，根據(jù)串聯(lián)電阻的分壓原理，則傳感器端子2與端子3之間的取樣電壓由式(1)得到：

(1)

式中：R13——端子1與端子3之間的電阻，為傳感器總電阻；R23——端子2與端子3之間的電阻，為傳感器取樣電阻。

圖1 三線分壓傳感器等效電路示意

2.1.2 磁致伸縮傳感器

脈沖驅(qū)動器在磁致伸縮線兩端施加1個查詢脈沖信號，該脈沖信號在磁致伸縮線周圍形成環(huán)形磁場；該環(huán)形磁場與浮球磁環(huán)的偏置磁場發(fā)生耦合作用，在磁致伸縮線的表面形成扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波由產(chǎn)生點向磁致伸縮線的兩端傳播；傳向激勵端的信號被壓電晶體接收，電氣盒中的變送模塊計算出查詢脈沖與接收信號間的時間差，再乘以扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波在波導(dǎo)材料中的傳播速度，即可計算出扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波發(fā)生位置與測量基準點間的距離。

2.2 溫度對液位傳感器的影響對比

2.2.1 干簧電阻鏈傳感器

由于每個電阻值隨溫度的變化值可以看作近似一致，當溫度變化時使得每個電阻值增加a%，則取樣電壓為

(2)

由式(2)可知，在電阻發(fā)生溫漂的情況下，U23始終保持基本不變。

因此，只要電阻滿足耐溫要求，不論是什么溫度的三線分壓電路都會自動平衡溫度因素帶來的測量誤差。

2.2.2 磁致伸縮傳感器

傳感器量程計算公式：

L=vT

(3)

式中：L——傳感器量程；v——扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波在波導(dǎo)材料中的傳播速度，約2.83 km/s；T——發(fā)送脈沖與接收信號間的時間差。

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波在波導(dǎo)材料中的傳播速度會隨溫度的變化而變化，當溫度變化Δt℃時，使得扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波的傳播速度變化Δv。由于液位計的量程L值是固定不變的，在同樣的距離情況下，若速度值降低了，傳播的時間將會延長，因此將影響到測量精度；而且傳感器的導(dǎo)管里不便于安裝溫度補償元器件，所以傳感器帶來的溫漂很難通過硬件或軟件來避免。把Δv代入式(3)得到式(4)：

L=(v+Δv)T

(4)

綜上所述，兩種測量方案由于工作原理的特性，干簧電阻鏈傳感器測量精度受溫度的影響小于磁致伸縮傳感器的影響。

2.3 電磁對液位傳感器的影響對比

2.3.1 電磁干擾的傳輸方式

任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑(或傳輸通道)。通常認為電磁干擾傳輸有兩種方式： 一種是傳導(dǎo)傳輸方式；另一種是輻射傳輸方式。

1)傳導(dǎo)傳輸方式必須在干擾源和傳感器之間有完整的電路連接，干擾信號沿著該連接電路傳遞到傳感器，發(fā)生干擾現(xiàn)象。傳輸電路包括導(dǎo)線、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電感、電容和互感元件等。

2)輻射傳輸方式通過介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見的輻射耦合有三種：

a)甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接收，稱為天線對天線耦合。

b)空間電磁場經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場對線的耦合。

c)2根平行導(dǎo)線之間的高頻信號感應(yīng)，稱為線對線的感應(yīng)耦合。

2.3.2 對 比

在實際工程中，2臺設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著許多種途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在，反復(fù)交叉耦合，共同產(chǎn)生干擾，才使電磁干擾變得難以控制。

1)干簧電阻鏈傳感器核心元器件單一、測量原理簡單，傳感器的主要元器件是干簧管和電阻，不含儲能元器件，大幅度地降低了傳導(dǎo)耦合方式的電磁干擾，基本不存在受輻射耦合電磁干擾的途徑。

2)磁致伸縮傳感器內(nèi)部電路含有電磁波發(fā)射器、扭力波接受器等儲能原件，并且傳感器的電源組件電路中包含有電容、線圈、半導(dǎo)體器件等，這些元器件均容易受外部磁場的傳導(dǎo)耦合和輻射耦合干擾。磁致伸縮傳感器電磁波的傳播線(鎳合金導(dǎo)線)平行于導(dǎo)向管，在外部高頻輻射信號感應(yīng)下，導(dǎo)管表面存在大量高頻雜波，使返回的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波信號波形失真，信噪比明顯降低，最終導(dǎo)致輸出信號與實際液位產(chǎn)生誤差。磁致伸縮傳感器對電源、磁場的穩(wěn)定性要求特別高，而海洋石油平臺上惡劣的電磁環(huán)境、強烈的振動及溫度變化綜合在一起引起的干擾使得磁致伸縮易產(chǎn)生錯誤信號。

綜上所述，在兩種測量方案中，干簧電阻鏈傳感器的抗干擾能力更強，更適合在海洋平臺惡劣的電磁環(huán)境中穩(wěn)定使用。

3 干簧電阻鏈傳感器測量系統(tǒng)方案設(shè)計

干簧電阻鏈傳感器在海上平臺液位測量中，較為普遍的是干簧電阻鏈傳感器與磁翻柱液位計相結(jié)合的方案。

該方案磁翻柱液位計采用連通器原理使液體等高引入測量筒內(nèi)，測量筒內(nèi)飄浮1只帶永久磁性的浮子，浮子的磁性可無阻隔地傳出測量筒，浮子始終定位在液體的表面，現(xiàn)場用液位計測量液面時利用附靠在測量筒外同樣帶磁性體的2只不同色的翻柱來實現(xiàn)： 當液面上升時，翻柱被測量筒內(nèi)液面處的磁場推動180°，由白色變?yōu)榧t色或藍色；當液面下降時，翻柱又被測量筒內(nèi)液面處的磁場推回180°，由紅色或藍色又變?yōu)榘咨?，從而達到液面檢測的目的。

液位傳感器緊貼著磁翻柱液位計的測量筒外側(cè)固定，使其處于液位計磁耦合系統(tǒng)中。當磁性浮子隨液位上、下移動時，對應(yīng)液位位置的干簧管受浮子內(nèi)磁場的作用吸合，干簧電阻鏈的阻值隨之發(fā)生變化，智能液位變送模塊將變化的電阻信號轉(zhuǎn)換成二線制4～20 mA的HART協(xié)議信號輸出。海洋石油平臺現(xiàn)場可以根據(jù)實際生產(chǎn)工藝的需要，采用HART手操器設(shè)置好量程0和100%的液位數(shù)值，表頭LCD則可顯示液位相對應(yīng)的數(shù)值；傳感器輸出信號可方便地與二次儀表、控制系統(tǒng)儀器配套使用。

該方案在現(xiàn)場可以直觀地看到液位的位置；液位傳感器表頭帶有LCD顯示，可以顯示液位高度或液位百分比或電流值。

4 干簧電阻鏈傳感器在海上石油平臺的應(yīng)用案例

在南海西部海域多個海洋石油工程項目工程階段采購了磁致伸縮傳感器用于測量液位，投產(chǎn)后經(jīng)常發(fā)生信號跳變情況，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由于現(xiàn)場電磁干擾和振動信號導(dǎo)致。為保證生產(chǎn)安全更換為干簧電阻鏈傳感器，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)干簧電阻鏈傳感器能承受3個互相垂直的空間方向上位移幅值為±1 mm、變化頻率為2.0～13.2 Hz的振動，也能承受頻率為13.2～100.0 Hz的加速度以及幅值為±6.86 m/s2的正弦振動；同時發(fā)現(xiàn)干簧電阻鏈傳感器對電磁干擾、溫度變化也有較強的抗干擾能力。

5 結(jié)束語

干簧電阻鏈傳感器具有測量準確、重復(fù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強、溫度范圍寬、響應(yīng)速度快、維護成本低、生命周期長等特點，從原理上解決了海洋石油平臺現(xiàn)場因振動和電磁干擾造成的信號跳變現(xiàn)象。該干簧電阻鏈傳感器經(jīng)過了海上石油平臺環(huán)境要求下的性能測試，較適合于海上石油平臺液位測量使用。