淺談海洋平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)

馮相閣

摘 ? ?要：液位遙測(cè)系統(tǒng)是海洋平臺(tái)重要的監(jiān)控系統(tǒng)之一。本文就海洋平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行了闡述，包括液位遙測(cè)系統(tǒng)的組成、液位信號(hào)采集單元的種類(lèi)以及液位遙測(cè)系統(tǒng)各類(lèi)傳感器選擇和安裝建議等。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái);液位遙測(cè)系統(tǒng);傳感器;液位采集單元種類(lèi)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM938.6;P752?? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The tank gauging system is one of the important monitoring systems on the offshore platform. This paper describes the tank gauging system of the offshore platform， including the composition of the system， the types of liquid level signal acquisition units and the selection and installation suggestions of various sensors in the tank gauging system.

Key words： Offshore platform; Tank gauging system; Sensor; ?Type of Liquid level Acquisition unit

1 ? ? 前言

海上移動(dòng)平臺(tái)（自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)等）通常設(shè)置有壓載水艙、淡水艙、燃油艙、滑油艙、污水艙、污油艙等多個(gè)不同類(lèi)型的液體艙室?？紤]平臺(tái)壓載、調(diào)平、補(bǔ)給等多種作業(yè)的需求，平臺(tái)作業(yè)人員需要實(shí)時(shí)了解每個(gè)液體艙室的液位，設(shè)置液位遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)液體艙室的液位進(jìn)行檢測(cè);對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算后，將結(jié)果在液位顯示單元進(jìn)行顯示;然后平臺(tái)作業(yè)人員根據(jù)各艙室的液位信息及平臺(tái)的作業(yè)需要，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的閥門(mén)及泵組進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的管理、調(diào)平以及配載等作業(yè)，保證海洋平臺(tái)的安全及提高管理效率。本文主要闡述了海洋平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)的種類(lèi)、選型以及安裝方面的建議，為后期項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和安裝提供參考。

2 ? ?液位遙測(cè)系統(tǒng)的組成

液位遙測(cè)系統(tǒng)是海洋平臺(tái)上監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分，它既能大大提高平臺(tái)作業(yè)人員的便利性，又直接關(guān)系到海洋平臺(tái)在漂浮、壓載及作業(yè)期間的安全。

海洋平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)，主要包括液位信息采集單元、數(shù)據(jù)處理單元以及液位顯示及操作單元：液位信息采集單元，監(jiān)測(cè)海洋平臺(tái)的液體艙室的液位信息，將信息轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的信號(hào)上傳給數(shù)據(jù)處理單元;數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)一步對(duì)液位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算處理;然后將各艙室正確的液位信息數(shù)值，送至顯示單元進(jìn)行顯示。液位遙測(cè)系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2.1 ? 液位信息采集單元

液位信息采集單元的傳感器分布在每個(gè)需要液位監(jiān)測(cè)的液體艙室，傳感器對(duì)采集的液位信息進(jìn)行分析處理后轉(zhuǎn)換為4～20 mA的模擬量信號(hào)。

液位信息采集單元根據(jù)液位信息采集原理的不同，可分為以下幾類(lèi)：氣泡式;壓電式;浮子式;雷達(dá)式;超聲波式等。

2.1.1 吹泡式采集單元

氣泡式采集單元是以壓縮空氣作為測(cè)量介質(zhì)，通過(guò)氣壓調(diào)節(jié)裝置經(jīng)測(cè)深管將一定壓力和流量的壓縮空氣送至被測(cè)液體艙室內(nèi)接近艙底的位置;當(dāng)壓縮空氣的氣壓與測(cè)深管出氣位置液體介質(zhì)的靜壓力相平衡后，多余的氣壓從測(cè)深管的底端以氣泡的形式溢出，測(cè)深管內(nèi)的平衡氣壓即為液體介質(zhì)在測(cè)深管底端的靜壓力。該壓力與液體艙室內(nèi)液位的深度成正比，可通過(guò)設(shè)置在氣體閥箱內(nèi)的壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量。按公式H=P/（ρg），根據(jù)傳感器測(cè)得的壓力參數(shù)即可獲得液位深度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

這種測(cè)量方式的好處是壓力傳感器的感壓膜片不與被測(cè)液體直接接觸，減少了被測(cè)液體或海生物對(duì)傳感器的影響，同時(shí)不受液體艙室內(nèi)不同結(jié)構(gòu)形式及附件的干擾。氣泡式液位遙測(cè)系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。

2.1.2 壓電式采集單元

壓電式采集單元不同于氣泡式采集單元，它是將壓力傳感器直接設(shè)置在液體艙室的底部，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量出液體艙室底部液體的靜壓力。同樣，該壓力與液體艙室內(nèi)液位的深度成正比，按公式H=P/（ρg），根據(jù)傳感器測(cè)得的壓力參數(shù)即可獲得液位深度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

這種測(cè)量方式相比于氣泡式采集單元，減少了壓縮空氣系統(tǒng)相關(guān)配件，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，也避免了氣體對(duì)液體艙室內(nèi)液體造成污染的可能，測(cè)量方式也不受液體艙室內(nèi)不同結(jié)構(gòu)形式及附件的干擾。壓電式液位遙測(cè)系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

2.1.3 浮子式采集單元

浮子式采集單元，根據(jù)浮子所帶觸發(fā)器件的不同可分為兩種類(lèi)型：一種是在浮子端部和微動(dòng)組件上安裝一對(duì)極性相斥的磁鋼，浮子安裝在與液體艙室連通的腔體內(nèi)，當(dāng)浮子在動(dòng)作界限內(nèi)隨液位變化上下升降時(shí)，其所帶磁鋼也隨之上下浮動(dòng)，并帶動(dòng)微動(dòng)組件上的磁鋼運(yùn)動(dòng)，微動(dòng)組件位置的變化作為液位高度的判斷條件并能在顯示單元上進(jìn)行顯示。浮子式（磁鋼）液位遙測(cè)系統(tǒng)原理圖，如圖4所示;另一種是在浮子端部安裝光敏器件，在動(dòng)作界限內(nèi)裝有光柵單元和微動(dòng)開(kāi)關(guān)組件，當(dāng)浮子在動(dòng)作界限內(nèi)隨液位變化上下升降時(shí)，浮子端部的光敏器件也隨之上下擺動(dòng)，當(dāng)光敏器件通過(guò)光柵單元時(shí)，光柵單元產(chǎn)生信號(hào)，通過(guò)光柵單元信號(hào)的變化可判定液位的高度。浮子式（光敏元件）液位遙測(cè)系統(tǒng)原理圖，如圖5所示。

2.1.4 雷達(dá)式采集單元

雷達(dá)式采集單元，按照電磁波傳播方式不同可分為接觸式和非接觸式兩種。兩者的區(qū)別主要是非接觸式的電磁波沿空氣傳播，而接觸式的電磁波是沿著一根導(dǎo)波管傳播以消除雷達(dá)波束角。

雷達(dá)式采集單元的工作原理，是在液面上方（通常安裝在液體艙室的頂板上）安裝電磁波探頭（包括發(fā)射和接收兩個(gè)部分），發(fā)射模塊向液面方向發(fā)出電磁波，由于液體的介電常數(shù)與空氣的節(jié)點(diǎn)常數(shù)不同，當(dāng)電磁波到達(dá)液面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，被反射回去的部分電磁波被接收模塊接收，通過(guò)測(cè)出電磁波發(fā)出和接收的時(shí)間差計(jì)算出液面到探頭的距離，進(jìn)而推算出液體艙室內(nèi)液體的深度;雷達(dá)式采集單元的優(yōu)點(diǎn)，主要是安裝簡(jiǎn)單、精確度高、測(cè)量范圍大、測(cè)量結(jié)果不受液體溫度、密度、表面泡沫等參數(shù)影響、適用于大型船舶。導(dǎo)波雷達(dá)式液位遙測(cè)系統(tǒng)原理圖，如圖6所示。

2.1.5 超聲波式采集單元

超聲波采集單元的原理與雷達(dá)式采集單元的原理類(lèi)似，也是由安裝在液面上方（通常安裝在液體艙室的頂板上）的超聲波探頭（包括發(fā)射和接收兩個(gè)部分）向液面方向發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波到達(dá)不同介電常數(shù)的液面時(shí)發(fā)生部分反射并被接收模塊接收，通過(guò)測(cè)量的超聲波從發(fā)出到接收的時(shí)間差可計(jì)算出液面到探頭的距離，然后再根據(jù)探頭到艙室底部的高度即可推算出液體艙室內(nèi)液體的深度;超聲波采集單元兼具雷達(dá)式采集單元的優(yōu)勢(shì)，但由于超聲波的傳輸需要借助于傳輸媒介（多為空氣），所以不適用于真空環(huán)境。超聲波式液位遙測(cè)系統(tǒng)原理圖，如圖7所示。

2.2 ? 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元控制柜通常布置在控制室內(nèi)，主要包括電源模塊、控制器、輸入輸出模塊、通訊模塊等。數(shù)據(jù)處理單元的作用，主要是根據(jù)顯示及操作單元的指令對(duì)各個(gè)液體艙室的傳感器信號(hào)進(jìn)行掃描，然后對(duì)信號(hào)采集單元輸送過(guò)來(lái)的4～20 mA信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算處理后返回給顯示及處理單元;數(shù)據(jù)處理單元也可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)傳感器進(jìn)行自檢，判斷送入顯示及操作單元的信號(hào)是否有效，如發(fā)現(xiàn)信號(hào)存在異常及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確保系統(tǒng)運(yùn)行正常及海洋平臺(tái)的安全。

2.3 ? 液位顯示及操作單元

液位顯示及操作單元通常布置在控制室內(nèi)，方便值班人員及操作人員實(shí)時(shí)查看各個(gè)液體艙室的液位。液位顯示及操作單元可以簡(jiǎn)單的理解為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，包括電腦主機(jī)、顯示器（觸摸屏）、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等，作為液位遙測(cè)系統(tǒng)的顯示終端，在顯示屏上可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)液體艙室的液位、重量、體積等參數(shù)。當(dāng)任一個(gè)液體艙室的液位參數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)也可以通過(guò)鍵盤(pán)及鼠標(biāo)等對(duì)液位采集單元的傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定等。

3 ? ?液位遙測(cè)系統(tǒng)傳感器選擇和安裝

海洋平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)根據(jù)采集原理，存在多個(gè)不同的采集方式。每種方式的傳感器都具有自身的特點(diǎn)和與之相適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)所。為了盡量準(zhǔn)確的測(cè)量液位信息，傳感器在安裝過(guò)程中需要注意下面一些問(wèn)題：

（1）傳感器應(yīng)能在特定的環(huán)境下穩(wěn)定地工作，其量程范圍、靈敏度、精確度應(yīng)與被測(cè)量液位參數(shù)的變化范圍及使用要求相適應(yīng);

（2）傳感器應(yīng)與安裝位置的環(huán)境參數(shù)相適應(yīng)，傳感器本身應(yīng)具有良好的機(jī)械保護(hù)、可靠的電氣連接和良好的絕緣性能，特殊位置可考慮單獨(dú)設(shè)置機(jī)械保護(hù);

（3）液位遙測(cè)系統(tǒng)的傳感器或吹氣管出口的位置，應(yīng)盡量接近于液體艙室的艙底和中心位置，以便正確反映出被測(cè)液體艙室的液位;傳感器的安裝應(yīng)易于接近、測(cè)試和維護(hù);傳感器或吹氣管的位置，也應(yīng)盡量靠近手動(dòng)測(cè)深管，避免在傳感器校準(zhǔn)時(shí)由于兩者位置偏差造成誤導(dǎo);

（4）淡水艙內(nèi)為生活用水，如采用氣泡式液位遙測(cè)系統(tǒng)在吹入壓縮空氣過(guò)程中可能會(huì)對(duì)生活用水造成污染，所以建議采用壓電式等其它類(lèi)型的傳感器;

（5）對(duì)于氣泡式液位遙測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)某些深艙的最高液位可能高于吹氣管進(jìn)入液體艙室的穿艙件高度時(shí)，應(yīng)在吹氣管上設(shè)置單向閥，避免由于壓力差使得液體艙室內(nèi)液體倒流造成氣源裝置損壞;

（6）壓電式傳感器應(yīng)設(shè)置在液體艙室的底部，傳感器電纜處于液體艙室內(nèi)的部分應(yīng)穿管或其它機(jī)械保護(hù)，電纜管內(nèi)壁須光滑并且耐腐蝕;如果傳感器布置在液體艙室的中心，通常將電纜保護(hù)管固定在艙壁上延伸到艙室底部后再通過(guò)水平電纜保護(hù)管延伸到艙室中心;

（7）如果使用過(guò)程中需要實(shí)際測(cè)得液體的密度，則應(yīng)在液體艙室內(nèi)設(shè)置高低兩個(gè)傳感器，底部傳感器用來(lái)測(cè)量液位高度，當(dāng)艙內(nèi)液位達(dá)到上部傳感器后通過(guò)上部和底部傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)可計(jì)算出液體實(shí)際的密度;

（8）雷達(dá)式液位傳感器的安裝位置，應(yīng)避免探頭所發(fā)出雷達(dá)波的扇形面被艙內(nèi)結(jié)構(gòu)附件遮擋后造成干擾;對(duì)于一些艙內(nèi)設(shè)置有加熱盤(pán)管、攪拌器等設(shè)備的液體艙室，為了在液位測(cè)量過(guò)程不受加熱盤(pán)管、攪拌器等設(shè)備的影響，建議采用導(dǎo)波雷達(dá)的形式，導(dǎo)波管的位置盡量布置在艙室的中心;

（9）雷達(dá)式液位傳感器和超聲波液位傳感器，通常是布置在甲板面上，要求在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中傳感器的防護(hù)防爆等級(jí)與安裝處所相適應(yīng);傳感器的位置應(yīng)盡量躲開(kāi)逃生路線、活動(dòng)設(shè)備等區(qū)域;

（10）海洋平臺(tái)作業(yè)及航行期間，由于多種原因使得船體不能時(shí)刻處于水平狀態(tài)，而且很多艙室由于結(jié)構(gòu)支撐、管線等其它結(jié)構(gòu)物的影響使得液位傳感器也很難布置在液體艙室的中心，導(dǎo)致在平臺(tái)傾斜狀態(tài)下液位傳感器測(cè)得的液位并不能真實(shí)反應(yīng)出液體艙室的液位，所以需要在平臺(tái)上設(shè)置四角或三角吃水測(cè)量系統(tǒng)，可測(cè)得平臺(tái)的傾斜角度，通過(guò)平臺(tái)的傾斜角度等參數(shù)對(duì)液位信息進(jìn)行修正后，可獲得液體艙室的準(zhǔn)確液位高度。

4 ? ?總結(jié)

本文介紹了海洋平臺(tái)上的液位遙測(cè)系統(tǒng)，對(duì)海洋平臺(tái)上液位遙測(cè)系統(tǒng)的種類(lèi)、選型以及安裝過(guò)程，提出了幾點(diǎn)建議。希望本文中能對(duì)海洋平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝提供參考，以便設(shè)計(jì)人員選擇適合的傳感器對(duì)液體艙室的液位進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，保證海洋平臺(tái)安全可靠的運(yùn)行。

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