GPRS 無(wú)線遠(yuǎn)程油罐液位液溫一體化測(cè)量系統(tǒng)

黃繼東，劉 榮

（湖南中冠電子有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006）

在食用油儲(chǔ)備過(guò)程中，為了及時(shí)保證儲(chǔ)備油的庫(kù)存數(shù)量和在儲(chǔ)備過(guò)程中的質(zhì)量安全，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油罐的庫(kù)存量和油溫等數(shù)據(jù)。如何及時(shí)了解儲(chǔ)備油的庫(kù)存量及儲(chǔ)存油罐的相關(guān)參數(shù)，保證油品質(zhì)量，一直是管理人員的關(guān)注焦點(diǎn)。一般情況下油罐監(jiān)控主要是靠值班人員定期巡檢，人工成本高且誤差大，也有采用紅外熱像儀[1]、導(dǎo)波管[2]、雷達(dá)[3]、超聲波[4]、浮標(biāo)[5]等方式測(cè)量液位高度的報(bào)道，但未解決油溫測(cè)量與控制，遠(yuǎn)程傳輸?shù)葐?wèn)題。本研究基于GPRS無(wú)線遠(yuǎn)程技術(shù)設(shè)計(jì)液位液溫一體化測(cè)量系統(tǒng)，在線測(cè)量油罐的液位、分層溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的油溫超出儲(chǔ)存溫度時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的降溫應(yīng)急設(shè)施，以期通過(guò)該系統(tǒng)解決油品的庫(kù)存量和油品儲(chǔ)存溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，為管理者科學(xué)儲(chǔ)油提供有效的管理手段。

1 材料與方法

1.1 測(cè)試地點(diǎn)和材料

2020 年12 月，在湖南省糧食集團(tuán)信息中心的指導(dǎo)下，湖南中冠電子有限公司在長(zhǎng)沙帥牌油脂有限公司油庫(kù)油罐區(qū)進(jìn)行了GPRS 無(wú)線遠(yuǎn)程油罐液體深度溫度一體測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。參與的油品為豆油，用戶(hù)提供如下參數(shù)：

20 °C 時(shí)的密度為0.92 ×103kg/m3， 密度系數(shù)為0.000 64，測(cè)試罐高13 m。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

GPRS 無(wú)線遠(yuǎn)程油罐液位液溫一體化測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它是基于GPRS 傳輸?shù)臒o(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)量控制儀。測(cè)量?jī)x內(nèi)置一張SIM 卡，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將采集的一路油罐液體深度和最多32 路油的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將測(cè)量到的信號(hào)在電腦或者手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)字和圖形顯示。儀表也具有485 通訊功能，采用MODBUS 協(xié)議將采集的一路液體深度和最多32 路油的溫度數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)，組成局域計(jì)算機(jī)液位、液溫測(cè)量控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表采用湖南中冠電子有限公司生產(chǎn)的 ZG-20 型液位液溫一體測(cè)量?jī)x。該儀表能夠測(cè)量一路液位和多路液溫，并在儀表的液晶屏上顯示，液位測(cè)量的初始密度值，密度與溫度的相關(guān)系數(shù)，溫度傳感器的間距，以及溫度報(bào)警值等都在儀表上輸入，以滿(mǎn)足不同的油罐和不同的油品儲(chǔ)存需求。在達(dá)到液位上限和儲(chǔ)存溫度上限時(shí)，相關(guān)報(bào)警以開(kāi)關(guān)量形式輸出，以停止進(jìn)油設(shè)備進(jìn)油或者驅(qū)動(dòng)降溫設(shè)備為油罐降溫。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)儀表的遠(yuǎn)程輸送DTU 發(fā)送到云端，提供給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用戶(hù)可以在電腦終端或手機(jī)上看測(cè)量數(shù)據(jù)。

儀表具有根據(jù)測(cè)量溫度自動(dòng)調(diào)整油脂密度的功能，在油脂儲(chǔ)備過(guò)程中，油品的密度是隨溫度變化而變化的，具有線性變化的特征。

1.3 測(cè)量原理及計(jì)算公式

1.3.1 液位液溫測(cè)量原理

液位測(cè)量采用投入式液位傳感器，根據(jù)所測(cè)液體靜壓與該液體高度呈正比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將液壓信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和線性校正，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。其測(cè)量原理：當(dāng)液位傳感器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器受到的壓力為：

4.2.2 噴氣燃料結(jié)晶點(diǎn)和冰點(diǎn)檢測(cè)區(qū)分性 對(duì)于噴氣燃料結(jié)晶點(diǎn)和冰點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果的區(qū)分性考察，本文采用對(duì)長(zhǎng)嶺噴氣燃料和九江噴氣燃料進(jìn)行3∶1，1∶1，1∶3的比例調(diào)和，每種調(diào)和油樣進(jìn)行2次重復(fù)性試驗(yàn)，以2次試驗(yàn)的平均值作為該種油樣的結(jié)晶點(diǎn)和冰點(diǎn)最終檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表12。

式中：P 為液位計(jì)迎液面所受壓力，Pa；ρ 為被測(cè)液體密度，kg/m3；g 為重力加速度；Po為液面上大氣壓，Pa；H 為傳感器投入液體的深度，m。

同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓Po與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的Po，使傳感器測(cè)得壓力為：ρ × g × H，顯然，通過(guò)測(cè)取壓力P，可以得到液位深。

液溫測(cè)量采用智能數(shù)字溫度傳感器。在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面有令人滿(mǎn)意的效果。根據(jù)油罐測(cè)溫的要求，按每2 m 一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)封裝在測(cè)溫電纜中。將壓力和溫度測(cè)量傳感器合二為一，組成專(zhuān)用的溫度壓力一體變送器。

1.3.2 液位溫度傳感器數(shù)量的確定

由于測(cè)溫電纜的測(cè)溫點(diǎn)是固定的，油罐中的液位是變化的，因此浸入油中的溫度傳感器數(shù)量也會(huì)隨之發(fā)生變化。

首先確定油中溫度傳感器的數(shù)量。按式（1）求得輸入密度下?lián)Q算的高度值（H0），再由H0確定溫度傳感器的數(shù)量。由于制作的測(cè)溫電纜溫度傳感器的間距是2 m，因此溫度傳感器的數(shù)量n=H0/2的整數(shù)部分。

式中：H0為輸入密度下?lián)Q算的高度值，cm；ρ20為20 ℃時(shí)油脂的密度值，kg/m3；F 為液位壓力傳感器的測(cè)量值，Pa。

1.3.3 當(dāng)前溫度下油脂密度的確定

儀表單片機(jī)測(cè)量并計(jì)算出液體的平均溫度后，會(huì)自動(dòng)根據(jù)式（4）計(jì)算出液體的平均密度

式中：ρ 為測(cè)量時(shí)的計(jì)算密度，kg/cm3；ρ20為20 ℃時(shí)油脂的密度（儀表輸入），kg/cm3；T 為測(cè)量時(shí)在液體中多點(diǎn)平均溫度，℃；K 為油脂系數(shù)（儀表輸入），0.000 64。

然后按式（2）計(jì)算并輸出較正后的液位高度。

上述的調(diào)整和計(jì)算由儀表中自動(dòng)完成。

1.4 軟件功能

該系統(tǒng)測(cè)量軟件通過(guò)云組態(tài)開(kāi)發(fā)，具有實(shí)時(shí)油位、油溫顯示功能，可以實(shí)時(shí)顯示相關(guān)油罐的油位，分層油溫及進(jìn)行相關(guān)報(bào)警；實(shí)時(shí)顯示油位、油溫的變化曲線顯示功能；具有歷史油位、油溫查詢(xún)的功能，在歷史曲線上可以清晰地看到油品的儲(chǔ)存量和環(huán)境溫度曲線的變化，云寄存器可以保留2 個(gè)月的測(cè)量數(shù)據(jù)，并具有測(cè)量數(shù)據(jù)下載功能。數(shù)據(jù)下載到相關(guān)計(jì)算機(jī)后可以永久保存。

1.5 現(xiàn)場(chǎng)安裝

現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖見(jiàn)圖2。

儀表安裝：液位、液溫測(cè)量?jī)x表既可以安裝在油罐頂部，也可以安裝在油罐的底部，為了便于觀察測(cè)試宜安裝在油罐底部。測(cè)溫電纜外部為食品級(jí)的聚乙烯保護(hù)管，深度傳感器外殼為食品級(jí)304 不銹鋼。溫度傳感器間距為2 m。

2 測(cè)試過(guò)程與結(jié)果

2.1 測(cè)試過(guò)程

測(cè)量?jī)x表的設(shè)置：通過(guò)儀表鍵盤(pán)輸入用戶(hù)提供的密度參數(shù)（ρ20= 0.92×103kg/m3）和溫度系數(shù)（K = 0.006 4，液位報(bào)警上限（11 m），溫度報(bào)警上限（30 ℃）。由于儀表內(nèi)部已經(jīng)默認(rèn)相關(guān)數(shù)據(jù)的單位，因此儀表不再輸入。

測(cè)試時(shí)間：2020年12月11日—21日，為期10 d。

2.2 測(cè)試結(jié)果

2.2.1 實(shí)時(shí)溫度液位的顯示

系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，儀表一直處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，開(kāi)始測(cè)量后數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 上傳到云端，電腦和手機(jī)終端。

2.2.2 歷史溫度液位的查詢(xún)

在實(shí)時(shí)界面上可以觀察到油脂的實(shí)時(shí)液位值、分層溫度、平均溫度值及曲線，點(diǎn)擊查詢(xún)可以看到相關(guān)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。

2.2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)分析

實(shí)時(shí)測(cè)量值對(duì)比：同一時(shí)刻，平均液溫為9.2 ℃時(shí)，液位的高度為10.44 m。油尺的測(cè)量值為10.40 m，二者基本吻合。在測(cè)試過(guò)程中，由于環(huán)境溫度變化較大，油罐的平均溫度由9.3 ℃下降到6.8 ℃。測(cè)量液位也發(fā)生了相應(yīng)的下降，下降后的液位在曲線圖和測(cè)量數(shù)據(jù)可以清晰地觀察到。12 月18 日油罐卸油，油罐油位變化也能在曲線上明顯地顯示出來(lái)。在測(cè)量過(guò)程中，由于溫度上限和油位上限均沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的上限值，因此未發(fā)生報(bào)警的輸出。

3 結(jié) 論

ZG-20 型GPRS 無(wú)線遠(yuǎn)程油罐液位液溫測(cè)量系統(tǒng)，在用戶(hù)的使用和測(cè)試過(guò)程中，都達(dá)到了預(yù)期的效果。儀表及系統(tǒng)都真實(shí)地反映了在不同的溫度下，油位發(fā)生的相應(yīng)變化情況，實(shí)時(shí)反映了油罐進(jìn)出油時(shí)的油位變化。系統(tǒng)的性能和精度達(dá)到了相關(guān)的設(shè)計(jì)要求得到了使用單位的認(rèn)可和好評(píng)。ZG-20型GPRS 無(wú)線遠(yuǎn)程油罐液位液溫測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大大提高企業(yè)的管理水平，降低管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為國(guó)家儲(chǔ)備油的安全監(jiān)管提供了有力的工具。