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射频电容液位计在海上溢油液位检测中的应用
点击次数:1639 发布时间:2016-05-27

1、引言
  在海上溢油回收过程中, 实时检测集油箱油水混合物中油位的高度, 是溢油回收检测与控制系统的关键。目前常用的液位检测传感器有: 超声波式、 磁致伸缩式、 浮子式、微波式等。但以上方法均无法实现油水混合状态下油位的检测。针对海上溢油回收检测的特殊要求, 必须找出一种能够进行油水识别的检测的方案。分段电容液位计, 在传统电容检测的基础上, 进行了改进, 可以对油水液位进行检测, 但是寄生电容影响较大, 而且在段与段的分界处存在检测盲区, 严重影响检测精度。射频电容液位计具有测量精度高、 线性度好、 抗干扰能力强等优点, 可以满足海上复杂环境下, 油水液位的检测。
2、射频电容液位计的测量原理
  射频电容液位计是基于介质的射频阻抗理论, 负载射频阻抗随油水混合液中不同油水比例而变化, 使电容传感器输出相应的电信号。在溢油回收过程中, 采用奥脉络控制工程有限公司生产的 AM 9 0 8 0 系列电容液位计, 它采用国际上先进的射频电容技术。电容液位计的探极及金属外壳构成电容器。将集油箱中待测液 体作为电介质, 射频振荡器施加于电容器两端构成回路。
据电容感应原理, 当被测介质浸汲测量电极的高度变化时, 引起其电容的变化, 电容的变化引起振荡器输出频率的变化, 微控制器根据这一频率的变化计算输出4~2 0mA标准模拟电流信号( 其中4mA 表示零信号,2 0mA 表示信号的满刻度) , 远传至操作控制室供二次仪表或计算机进行集中显示、 报警或自动控制, 其原理图如图1所示。在工业现场, 电流对噪声并不敏 感, 电流输出增加了传感器的抗干扰能力。

3、海上溢油液位检测装置基本构造
  海上溢油回收液位检测装置如图 2 所示。集油箱是上下开口的金属容器, 射频电容传感器安装固定到集油箱中央, 测量探极底部处在油水交界处。溢油回收过程中, 斜带转筒由液压站提供顺时针方向的牵引力, 溢油跟随斜带转筒聚集到集油箱底部。当集油箱内部油层积累到一定厚度, 启动抽油泵开始抽油。所以, 实时检测集油箱中油位的高度, 是溢油回收控制的关键。

溢油回收过程中, 集油箱内为油水混合介质, 所以理论上电容传感器应该采用油水混合标定的方法。而实际测量中, 油水混合比例是动态变化的, 所以实验分别采用按水、 按油标定的方式, 进行集油箱油水混合液位的测量。
4、射频电容液位计测量数据分析
4. 1   液位计在水标定下的测量分析
在该实验中, 液位计测量杆约1 0 0c m , 假设标定满量程为 M, 取M 为7 0c m 。为确定液位测量的线性关系, 首先需要确定 2 个标定点, 且 2 个标定点之差不得低于 5 0% 。
现取标定满量程的 2 0% 处作为第 1 个点标定点, 取标定满量程的9 0%处作为第2个标定点。实验测量过程中, 向容器内缓缓注入油水混合物( 水多油少) , 具体实验数据及误差、 线性度分析如表 1 所示。

表1主要记录了水标定下, 注入油位 H 、注入水位 L 及液位显示百分比 P 。 采用对比实验数据分析的方法, 分别按式(1)、式(2) 计算出理论油水混合计算比例 P1及理论水位计算比例 P 2 。

精度表征了仪器仪表测量误差的大小, 误差表示测量值与真实值之间的差异, 它表征了测量结果的准确度及可信度。按水标定实验过程中,假设实际油水计算比例误差为 W 1 , 而实际水位计算比例误差为 W 2 , 测量显示比例为 P , 分别按式( 3 ) 、 式( 4 ) 计算 2 种情况下的计算比例与测量显示比例的误差 W1和W2 。
W 1 =| P 1 - P |
W 2 =| P 2 - P |
传感器的被测量与传感器输出之间的关系一般是非线性的。 为了更加形象直观地分析 2 种计算误差随水位变化的趋势, 分别绘制其误差 W 1 、 W 2 的拟合曲线如图 3 所示。

由图3误差曲线趋势可以得出: 在按水标定的情况下,理论油水混合计算比例误差相对较大, 并且上下频繁波动没有一定的规律性; 而理论水位计算比例误差相对偏小, 且呈现出一定的规律性— — —随着水位增加( 接近满量程) , 误差越来越小, 在标定满量程的 5 0%~1 0 0% 平均误差约为2. 5% 。误差在一定程度上反映了传感器在该系统应用上测量的准确度, 线性度则表征了测试系统的输出与输入与理想系统的线性比例关系, 他们都是实验过程中对数据检测的重要依据。假设理论油水混合计算比例及理论水位计算比例的线性度分别为 δ1 、 δ 2 , 按式( 5 ) 、 式( 6 )分别对两者的线性度进行计算。

计算数据表明, 线性度与误差随水位变化曲线基本吻合。即在水标定的情况下, 在标定满量程的 5 0%~1 0 0% ,不仅测量度高, 而且线性度也好。
4. 2   油标定下的测量分析
在实验中, 按油标定满量程 M 为8 0c m 。取标定满量程的2 5 %处作为标定第1点, 取标定满量程的8 7 . 5 %处作为标定1第 2 点。实验测量过程中, 向容器内缓缓注入油水混
合物( 油多水少) , 实验数据及误差、 线性度分析如表2所示。

表 2 主要记录了按油标定的情况下的实验数据。按照表 1 相同的计算方法, 分别计算出各自的比例、 误差及线性度, 并绘制出的误差曲线如图 4 所示。

由图4曲线可以明显看出: 在油标定的情况下, 随着油水高度的增加, 理论油水计算比例误差反而有上涨的趋势, 而且在标定满量程的 5 0 %~ 7 0 % 平均误差高达 1 8 . 3 % ; 而理论水位计算比例误差相对偏小( 平均误差约为2 . 4 % ) 并且呈现出一定的规律性— — —随着油位增加( 接近满量程) , 误差越来越小。同样, 线性度与误差随油位变化趋势大体相近。
4. 3  检测方案的选定
实际液位测量过程中, 集油箱液位高度一般在满量程的2 5%~9 0%波动。如果采用按水标定的方案, 则会在满量程的2 5%~5 0% 产生较大的测量误差, 并且线性度不好。而按油标定的方案, 在标定满量程的2 0%~1 0 0%误差已经很小, 线性度较好。所以, 综合2组实验数据的误差、 线性度估算及现场实际测量 3 方面的因素, 按油标定不仅测量精度高, 而且线性度好, 为其检测方案。
电容液位计一般用于石油化工行业密闭容器液位的测量, 将其应用于半封闭的海上溢油回收液位测量装置中, 采取油、 水标定下的实验对比分析法, 从 2 种测量方案的误差、 线性度估算出发, 对集油箱油水混合液位中油层厚度的测量, 采取按油标定的方案, 其测量精度及线性度较高, 满足了现场溢油回收控制系统的需要。

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