張仙偉 王何慶 張倩

摘 要：在石化行業(yè)中，液位測量具有舉足輕重的意義。基于溫度補償?shù)膬τ凸抟何槐O(jiān)測系統(tǒng)中，磁致伸縮液位傳感器能檢測到所需要的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)與溫度傳感器檢測到的數(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)用溫度補償算法來處理數(shù)據(jù)。該種測量方法可以準(zhǔn)確地測量出油氣液位、油水液位以及儲油罐內(nèi)的溫度從而測量出原油產(chǎn)量。本系統(tǒng)通過儲油罐實地試驗以及應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種測量方式安全可靠，能夠直觀地反映儲油罐液位，可以實時地監(jiān)測儲油罐內(nèi)液面的變化。除此之外，測量誤差可以實時校正，具有良好的推廣實用性，是一種新型的儲油罐液位監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 液位測量;自動測量;溫度補償;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

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)將應(yīng)用于儲油罐液位的測量。特別是對于新傳感技術(shù)的應(yīng)用，液位測量將更加精確和經(jīng)濟[1]。同時，液位測量設(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之一。磁致伸縮液位傳感器易于安裝，測量精度高，但液體密度和溫度變化會導(dǎo)致測量誤差[2]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自動測量液位對于液位監(jiān)測至關(guān)重要。 目前針對液位的自動測量有很多種技術(shù)方法，諸如： 吹氣法、差壓法、HTG法等[3]。 為了提升液位監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，就需要對液位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行高精度測量。常見的液位計包括電容式液位計、超聲波液位計、微波液位計、雷達(dá)液位計等[4]。其中，電容式液位計價格低廉，易于安裝，適用于高溫、高壓場合，但精度低，需定期維護(hù)和重新校準(zhǔn)，使用壽命不長。超聲波液位計使用超聲波，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，測量的精度低[5]。微波液位計受微波速度的限制，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，液體表面上的泡沫和液體介質(zhì)的介電常數(shù)對微波反射信號的強度有很大影響。當(dāng)壓力超過規(guī)定值時，將直接關(guān)系到液位測量的準(zhǔn)確性。雷達(dá)液位計具有較高的測量可重復(fù)性，無需定期維護(hù)和重新校準(zhǔn)，測量精度高，但價格昂貴，難以測量油水界面。

3 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)研究內(nèi)容

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

（1）測量油氣液位。

（2）測量油水分界。

（3）測量儲油罐內(nèi)溫度。

（4）將測量的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

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

（6）統(tǒng)計分析油井產(chǎn)量。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)難點

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

基于溫度補償?shù)膬τ凸抟何槐O(jiān)測系統(tǒng)的重要性和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在： 高精度和高重復(fù)性測量，同時測量油水分界和油氣分界，能夠精確計算產(chǎn)油量。

3.3 系統(tǒng)技術(shù)方案

在儲油罐安裝液位傳感器，通過GRPS通信模塊將傳感器測量的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，由控制中心實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的分析和處理。 整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

在油罐液位監(jiān)測系統(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)通過現(xiàn)代先進(jìn)的電子技術(shù)精確測量發(fā)射脈沖和扭轉(zhuǎn)波脈沖之間的時間值， 達(dá)到精確測量液體液位的目的[8]。 傳感器的主要部件包括磁致伸縮線（波導(dǎo)絲）、測量桿、電子隔間和放置在測量桿上的非接觸浮子（帶有永磁體），其設(shè)計機理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)傳感器工作時，傳感器的電路部分在波導(dǎo)線上沿波導(dǎo)傳播時將激發(fā)波導(dǎo)線上的脈沖電流。該電流將會在波導(dǎo)線周圍產(chǎn)生電流磁場。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。 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)磁場遇上脈沖電流產(chǎn)生的磁場時，浮子所產(chǎn)生的磁場發(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，并由檢測機構(gòu)檢測[10]。 這種扭轉(zhuǎn)波由安裝在電子隔間中的拾取機構(gòu)檢測并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的“終止脈沖”。 通過計算“起始脈沖”和相應(yīng)的“終止脈沖”t1，t2之間的時間差，可以精確地測量位移，由此可以獲得精確的液位值。

對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量誤差，溫度傳感器用于測量油罐內(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)，通過溫度補償算法，計算出油水液位和油氣分界，從而計算出原油產(chǎn)量[11]。研究發(fā)現(xiàn)，溫度對時鐘晶體頻率和扭轉(zhuǎn)波速度這兩個因素的影響很大程度上降低了磁致伸縮傳感器測量值的精度。這里擬展開研究論述如下。

（1）溫度對時鐘晶體頻率的影響。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測量激勵脈沖和返回脈沖時間。 其中，測量精度與定時精度密切相關(guān)。因此，影響測量精度的主要因素是時鐘晶體振蕩器的精度和穩(wěn)定性[12]。 時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，對于高精度的測量設(shè)備，如果在實際現(xiàn)場作業(yè)中不考慮晶體溫度的漂移， 則所得到的測量結(jié)果可能產(chǎn)生很大的測量誤差，特別是處于環(huán)境溫差大的情況下。

而且，磁性材料對溫度特別敏感，溫度對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)也會隨著變化。 因此，對分辨率要求不高的情況下，比例系數(shù)V可以視為恒定值。 測量出扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生的時間和扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)化為電信號的時間之差 t，利用公式（1）， 就可以計算出距離值L，但是在對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， 同時必須修正相應(yīng)的測量誤差值。

綜上論述可知，要實現(xiàn)高精度的測量，必須消除時鐘晶體頻率和扭轉(zhuǎn)波速度變化所帶來測量值的誤差。因此，系統(tǒng)將通過補償算法來消除溫度的影響[15]。

4 結(jié)束語

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)自動運行數(shù)據(jù)，降低人力，勞動者只需提供相關(guān)信息進(jìn)行處理。本次研究可以進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的自動化程度，以實現(xiàn)系統(tǒng)范圍的自動化。

基于溫度補償?shù)膬τ凸抟何槐O(jiān)測系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、可靠度高、投資少等優(yōu)點，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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