基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張仙偉 王何慶 張倩

摘 要：在石化行業(yè)中，液位測(cè)量具有舉足輕重的意義?；跍囟妊a(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，磁致伸縮液位傳感器能檢測(cè)到所需要的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)與溫度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)一起在 GPRS通信模塊的作用下傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心應(yīng)用溫度補(bǔ)償算法來(lái)處理數(shù)據(jù)。該種測(cè)量方法可以準(zhǔn)確地測(cè)量出油氣液位、油水液位以及儲(chǔ)油罐內(nèi)的溫度從而測(cè)量出原油產(chǎn)量。本系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)油罐實(shí)地試驗(yàn)以及應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種測(cè)量方式安全可靠，能夠直觀地反映儲(chǔ)油罐液位，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油罐內(nèi)液面的變化。除此之外，測(cè)量誤差可以實(shí)時(shí)校正，具有良好的推廣實(shí)用性，是一種新型的儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 液位測(cè)量;自動(dòng)測(cè)量;溫度補(bǔ)償;GRPS;磁致伸縮

【Abstract】 In the petrochemical industry， liquid level measurement plays a pivotal role. In the temperature compensation based tank level monitoring system， the magnetostrictive level sensor can detect the required data. This data is transmitted to the data center under the influence of the GPRS communication module together with the data detected by the temperature sensor. The data center applies a temperature compensation algorithm to process the data. This measurement method can accurately measure the oil and gas level， the oil and water level， and the temperature inside the storage tank to measure the crude oil production. The system finds that the measurement method is safe and reliable through the field test and application of the oil storage tank， which can directly reflect the liquid level of the oil storage tank， and can monitor the change of the liquid level in the oil storage tank in real time. In addition， the measurement error can be corrected in real time， with good generalization and practicality. It is a new type of oil storage tank liquid level monitoring system.

【Key words】 ?liquid level measurement; automatic measurement; temperature compensation; GRPS; magnetostriction

1 發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)將應(yīng)用于儲(chǔ)油罐液位的測(cè)量。特別是對(duì)于新傳感技術(shù)的應(yīng)用，液位測(cè)量將更加精確和經(jīng)濟(jì)[1]。同時(shí)，液位測(cè)量設(shè)備也將趨于小型化和智能化。磁致伸縮液位傳感器是趨勢(shì)之一。磁致伸縮液位傳感器易于安裝，測(cè)量精度高，但液體密度和溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差[2]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自動(dòng)測(cè)量液位對(duì)于液位監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。 目前針對(duì)液位的自動(dòng)測(cè)量有很多種技術(shù)方法，諸如： 吹氣法、差壓法、HTG法等[3]。 為了提升液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，就需要對(duì)液位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行高精度測(cè)量。常見的液位計(jì)包括電容式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、微波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等[4]。其中，電容式液位計(jì)價(jià)格低廉，易于安裝，適用于高溫、高壓場(chǎng)合，但精度低，需定期維護(hù)和重新校準(zhǔn)，使用壽命不長(zhǎng)。超聲波液位計(jì)使用超聲波，超聲波的傳播速度受介質(zhì)密度、濃度、溫度和壓力等因素的影響，測(cè)量的精度低[5]。微波液位計(jì)受微波速度的限制，并且?guī)缀醪皇軅鞑ソ橘|(zhì)、溫度、壓力和液體介電常數(shù)的影響。 然而，液體界面的波動(dòng)，液體表面上的泡沫和液體介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)微波反射信號(hào)的強(qiáng)度有很大影響。當(dāng)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，將直接關(guān)系到液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。雷達(dá)液位計(jì)具有較高的測(cè)量可重復(fù)性，無(wú)需定期維護(hù)和重新校準(zhǔn)，測(cè)量精度高，但價(jià)格昂貴，難以測(cè)量油水界面。

3 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的人工檢尺和化驗(yàn)分析的方法，為了能夠給生產(chǎn)操作和管理模塊提送準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，液位傳感器安裝在儲(chǔ)油罐上，傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò) GRPS通訊模塊發(fā)送到控制中心。 測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和處理由控制中心來(lái)執(zhí)行相應(yīng)指令。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油罐內(nèi)液面的變化，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，為生產(chǎn)指揮和技術(shù)方案提供決策依據(jù)，提高油田自動(dòng)化管理水平。 系統(tǒng)的主要功能可表述為：

（1）測(cè)量油氣液位。

（2）測(cè)量油水分界。

（3）測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)溫度。

（4）將測(cè)量的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

（5）控制中心根據(jù)溫度補(bǔ)償算法，通過(guò)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)計(jì)算出油氣液位和油水分界線高度，從而計(jì)算出原油產(chǎn)量。

（6）統(tǒng)計(jì)分析油井產(chǎn)量。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

對(duì)于石油檢測(cè)，液位監(jiān)測(cè)是必不可少的部分。在實(shí)際操作中，液位監(jiān)測(cè)起著非常重要的作用。 常見的液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有：光電液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電容式液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雷達(dá)液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和改進(jìn)的浮球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。 但是這些液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量油水、油氣分界上，只能測(cè)量油氣分界，無(wú)法準(zhǔn)確獲得真實(shí)的石油產(chǎn)量。 而基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)量油水和油氣分界，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出石油的產(chǎn)量，以及油水比例。當(dāng)使用溫度補(bǔ)償算法校正測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，磁致伸縮液位傳感器會(huì)因液體密度和溫度的變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差[7]?；跍囟妊a(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)的溫度。 通過(guò)溫度補(bǔ)償算法，精確計(jì)算出油水液位和油氣分界，從而計(jì)算出原油產(chǎn)量。

基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要性和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在： 高精度和高重復(fù)性測(cè)量，同時(shí)測(cè)量油水分界和油氣分界，能夠精確計(jì)算產(chǎn)油量。

3.3 系統(tǒng)技術(shù)方案

在儲(chǔ)油罐安裝液位傳感器，通過(guò)GRPS通信模塊將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，由控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和處理。 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

在油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所選用的傳感器主要是磁致伸縮液位傳感器。該傳感器使用Wademan效應(yīng)通過(guò)現(xiàn)代先進(jìn)的電子技術(shù)精確測(cè)量發(fā)射脈沖和扭轉(zhuǎn)波脈沖之間的時(shí)間值， 達(dá)到精確測(cè)量液體液位的目的[8]。 傳感器的主要部件包括磁致伸縮線（波導(dǎo)絲）、測(cè)量桿、電子隔間和放置在測(cè)量桿上的非接觸浮子（帶有永磁體），其設(shè)計(jì)機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)傳感器工作時(shí)，傳感器的電路部分在波導(dǎo)線上沿波導(dǎo)傳播時(shí)將激發(fā)波導(dǎo)線上的脈沖電流。該電流將會(huì)在波導(dǎo)線周圍產(chǎn)生電流磁場(chǎng)。浮子放置在傳感器桿外部，隨著液位變化，浮子沿桿向上和向下移動(dòng)。 在浮子內(nèi)部有一組永久磁環(huán)。當(dāng)浮子產(chǎn)生的磁環(huán)磁場(chǎng)遇上脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，浮子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生改變，使得波導(dǎo)絲在浮子的位置處產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波脈沖。脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回，并由檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)[10]。 這種扭轉(zhuǎn)波由安裝在電子隔間中的拾取機(jī)構(gòu)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的“終止脈沖”。 通過(guò)計(jì)算“起始脈沖”和相應(yīng)的“終止脈沖”t1，t2之間的時(shí)間差，可以精確地測(cè)量位移，由此可以獲得精確的液位值。

對(duì)于由磁致伸縮液位傳感器的液體密度和溫度變化引起的測(cè)量誤差，溫度傳感器用于測(cè)量油罐內(nèi)的溫度，溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?控制中心根據(jù)收到的溫度數(shù)據(jù)，以及原始液位數(shù)據(jù)，通過(guò)溫度補(bǔ)償算法，計(jì)算出油水液位和油氣分界，從而計(jì)算出原油產(chǎn)量[11]。研究發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)時(shí)鐘晶體頻率和扭轉(zhuǎn)波速度這兩個(gè)因素的影響很大程度上降低了磁致伸縮傳感器測(cè)量值的精度。這里擬展開研究論述如下。

（1）溫度對(duì)時(shí)鐘晶體頻率的影響。由磁致伸縮液位傳感器原理可以獲悉，確定磁浮子位置是通過(guò)測(cè)量激勵(lì)脈沖和返回脈沖時(shí)間。 其中，測(cè)量精度與定時(shí)精度密切相關(guān)。因此，影響測(cè)量精度的主要因素是時(shí)鐘晶體振蕩器的精度和穩(wěn)定性[12]。 時(shí)間偏差的主要原因是晶體振蕩器的溫度漂移， 一般晶振的溫漂系數(shù)在50～1 000 ppm之間[13]。 可以看出，對(duì)于高精度的測(cè)量設(shè)備，如果在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中不考慮晶體溫度的漂移， 則所得到的測(cè)量結(jié)果可能產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，特別是處于環(huán)境溫差大的情況下。

而且，磁性材料對(duì)溫度特別敏感，溫度對(duì)磁性材料有很大影響。 尤其是，隨著溫度的變化，磁性敏感參數(shù)也會(huì)隨著變化。 因此，對(duì)分辨率要求不高的情況下，比例系數(shù)V可以視為恒定值。 測(cè)量出扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生的時(shí)間和扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的時(shí)間之差 t，利用公式（1）， 就可以計(jì)算出距離值L，但是在對(duì)分辨率要求較高的情況下，隨溫度變化的扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲上傳播的速度發(fā)生變化， 同時(shí)必須修正相應(yīng)的測(cè)量誤差值。

綜上論述可知，要實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，必須消除時(shí)鐘晶體頻率和扭轉(zhuǎn)波速度變化所帶來(lái)測(cè)量值的誤差。因此，系統(tǒng)將通過(guò)補(bǔ)償算法來(lái)消除溫度的影響[15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在該系統(tǒng)中，可立即反映當(dāng)前油罐液位以便為管理決策提供準(zhǔn)確的原油信息。該系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，降低人力，勞動(dòng)者只需提供相關(guān)信息進(jìn)行處理。本次研究可以進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)范圍的自動(dòng)化。

基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、可靠度高、投資少等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛適用于電力、石油化工等行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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