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射频电容液位计在海上溢油液位检测中的应用

作时间:2016-05-28  来源:  作者:
   

摘 要:简单介绍了射频电容液位计进行油水双液位检测的基本原理,阐述了海上溢油回收检测装置的基本构造及其工作过程。针对海上特殊应用环境的测量需求,提出分别按油、按水标定的液位检测方案。油水混合状态下,对2组实验测试数据进行误差和线性度的数值计算,通过曲线拟合对比分析,非常终确定了海上溢油回收集油箱油位检测的非常优化方案—按油标定检测。实验证明,该方案可以满足现场实际测量环境的要求,液位计的测量精度高、线性度好。
 
【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。三畅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,采用三畅仪表生产的SC-700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4~20mA标准模拟电流信号(其中4mA 表示零信号,20mA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。

射频电容液位计原理

 
【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。

集油箱液位检测示意图

 
   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,三畅液位计测量杆约100cm,假设标定满量程为M,取M 为70cm。三畅仪表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50%。现取标定满量程的20%处作为第1个点标定点,取标定满量程的90%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。

水标定实验数据及误差、线性度表格


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P2。

QQ截图20160528105633.jpg
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W1,而实际水位计算比例误差为W2,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绝对误差W1和W2。

QQ截图20160528105638.jpg
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W1、W2的拟合曲线如图3所示。

W1和W1的水位变化趋势图
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50%~100%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、δ2,按式(5)、式(6)分别对两者的线性度进行计算。

QQ截图20160528105752.jpg
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50%~100%,不仅测量精确度高,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80cm。取标定满量程的25%处作为标定第1点,取标定满量程的87.5%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。

 油标定实验数据及误差、线性度
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。

W1和W3随油位变化的趋势图
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50%~70%平均误差高达18.3%;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25%~90%波动。如果采用按水标定的方案,则会在满量程的25%~50%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20%~100%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,为其非常佳检测方案。

【5 结  论】
    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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