雙線圈式油水雙液位檢測(cè)新方法*

陸貴榮，倪鵬昊，陳樹越

(1.常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213164;2.常州市過程感知與互聯(lián)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213164)

0 引言

液位傳感器經(jīng)常被用來檢測(cè)液位高度，不同液體間或者固液的界位。這些年來，許多檢測(cè)油水雙液位的技術(shù)不斷地被研制和投入使用。雙液位傳感器一般采用雙浮球［1］來監(jiān)測(cè)同一罐體2種液體的界位，在浮力與重力的作用下，一個(gè)浮球浮在油水界面上，以監(jiān)測(cè)油水界位的變化;另一個(gè)浮球則浮在油面上，可以檢測(cè)油位來防止冒罐或者啟動(dòng)泵來引出原油層。

光纖作為一種用于檢測(cè)被測(cè)介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)很重要的傳感材料，可彎曲光纖油水雙液位傳感器［2］已經(jīng)被開發(fā)出來了?；谒碾妼?dǎo)性，一種新型液位傳感器［3］能檢測(cè)導(dǎo)電液體和絕緣液體之間的界面高度，傳感器由許多相同大小的極板構(gòu)成。其中兩塊極板導(dǎo)入電流，在其他的極板間測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的電壓變化。另外，放射性源、壓力傳感器、電阻傳感器、超聲波傳感器和雷達(dá)傳感器等都用來檢測(cè)液位［1，4，5］。

電容傳感器通過電場(chǎng)來檢測(cè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)，因?yàn)闊o移動(dòng)部件，成本低，電極板很適合做成各種形狀，所以，它被廣泛應(yīng)用于石油、化工、天然氣、污水處理、食品加工等行業(yè)中的液位檢測(cè)。為了檢測(cè)多液位，許多研究人員設(shè)計(jì)了分段式電容傳感器［6］，極板的其中一塊被分割成許多相同大小的段。

電渦流傳感器利用電渦流效應(yīng)來感應(yīng)液位［7～9］和非磁性導(dǎo)電質(zhì)的含量［10］，當(dāng)檢測(cè)器中導(dǎo)電液的液位或溶液的含量發(fā)生改變時(shí)，線圈的阻抗也相應(yīng)地變化，而阻抗變化是能夠通過精密布置的電橋線路檢測(cè)出來的。

一般認(rèn)為，當(dāng)不止一個(gè)變量需要被檢測(cè)時(shí)則需使用2只或多只傳感器。不同于一般被采用的技術(shù)，復(fù)合傳感器或多功能傳感器在近年里得以發(fā)展，用來檢測(cè)出多個(gè)輸入信號(hào)的變量［11］。

1 結(jié)構(gòu)與原理

基于上述研究的背景下，結(jié)合作者前期的研究［12，13］，本文提出了一種能檢測(cè)單一罐體中油水雙液位的新方法。它的檢測(cè)原理如圖1所示，分成電感和電容2種功能模式。首先，電感感應(yīng)功能用來檢測(cè)油水界位，再結(jié)合電容感應(yīng)功能計(jì)算出油位。為實(shí)現(xiàn)提出的測(cè)量方法，一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器結(jié)構(gòu)被開發(fā)出來，2個(gè)線圈作為感應(yīng)部件緊密螺旋纏繞在塑料管上，如圖2所示。它由2個(gè)線圈螺旋纏繞而成，TB1—1，2 和 TB2—1，2 分別是線圈 1 和線圈2 的首末端，h1，h2和H分別是油水界位(水位)，油位和傳感器的高度。假設(shè)在一油罐中有水、油和氣，電容電感測(cè)量功能的端子間連接如圖3所示，電容感應(yīng)等效電路如圖4所示。

圖1 新方法的檢測(cè)原理Fig 1 Measurement principle of the proposed approach

圖2 傳感器的結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of the proposed sensor

由于油和空氣不能影響線圈的電感L的變化，而水是導(dǎo)體，當(dāng)水灌入線圈時(shí)，選取適當(dāng)?shù)木€圈中交流電的頻率，就會(huì)在水中產(chǎn)生電渦流效應(yīng)。因此，傳感器的電感L隨油水界位h1(實(shí)際上就是水位)的增加而變小。h1和L的方程式(1)如下

油位h2能用已測(cè)的電容值和上面求得的油水界位h1計(jì)算出來，方程式(2)如下

式中 C空+油=C空+C油=C空+油+水-C水，C水=(C滿水/H)·h1，C滿水為當(dāng)傳感器充滿水時(shí)的電容，H為傳感器的高度。

2 實(shí)驗(yàn)

為了觀察該傳感器的實(shí)際響應(yīng)，該部分實(shí)驗(yàn)是在25℃恒溫條件下進(jìn)行的。在實(shí)驗(yàn)中，自來水和煤油被做為樣本液體用來檢測(cè)傳感器的性能，電容和電感的檢測(cè)工具是HP公司生產(chǎn)的4284A LCR表。圖5和圖6顯示了不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 兩種感應(yīng)功能Fig 3 Two sensing functions

圖4 電容感應(yīng)功能的等效電路(C空:空氣段的電容，C油:油段的電容，C水:水段的電容，C空+油+水 =C空 +C油 +C水)Fig 4 Equivalent circuit for capacitance sensing function

圖5 傳感器對(duì)自來水的不同水位的電感響應(yīng)Fig 5 Inductive response of the sensor to different tap water level

圖6 不同油水液位條件下的電容實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 6 Capacitive experimental result of different levels of oil and water

圖5顯示了對(duì)不同液位的自來水傳感器樣品作出的反應(yīng)，隨著水面上升，電感減小。雖然自來水?dāng)?shù)據(jù)的響應(yīng)范圍是有限的，但隨著水位的上升，電感迅速反應(yīng)，無疑表明使用該傳感器檢測(cè)水位即油水界面是可行的。

圖6表示當(dāng)油—水界面的實(shí)際高度比例為傳感器高度H的0%，20%，50%，80%時(shí)，由空氣和油聯(lián)合貢獻(xiàn)的電容C空+油變化趨勢(shì)。圖6中所有的近似直線是隨著不同的油—水界位而不相同的，這是因?yàn)樵趥鞲衅髦杏胁煌乃粫r(shí)，產(chǎn)生電容C空+油的空氣層加油層高度的最大值不同，所以在縱軸上的截距相異。盡管所有的曲線是不同的，但是，它們是近似平行的，這意味著所有的曲線有著相同、固定的斜率k，但有不同縱軸的截距b，這取決于傳感器油—水界位。在縱軸的截距b值與油—水界位的關(guān)系可用圖7描述，如果一個(gè)隨機(jī)的油水界位h1是已知的，與h1相關(guān)的縱軸的截距b可從圖7得到，進(jìn)一步未知的h2可用方程(3)計(jì)算

利用上述測(cè)量原理，表1顯示了h1，h2的設(shè)定值與估算值之間的比較，盡管個(gè)別數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差達(dá)到了1.7 mm，但其相對(duì)誤差還是比較小的，所以，總體來說這是一個(gè)非常滿意的結(jié)果，可以證明所設(shè)計(jì)的傳感器是可以用來同時(shí)檢測(cè)2個(gè)液位。

圖7 Y軸截距b與水位的關(guān)系Fig 7 Relationship between Y-intercept b vs water level

表1 設(shè)定值與估算值之間的比較Tab 1 Comparison between set values and estimated values

3 結(jié)論

本文提出了一種新方法同時(shí)檢測(cè)油水界位和油位，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，開發(fā)了一種簡(jiǎn)單有用的傳感器。根據(jù)電感和電容的響應(yīng)，不僅油—水界位能計(jì)算出來，同時(shí)油位也能得到評(píng)價(jià)。作為期望的應(yīng)用，以煤油和自來水樣品液體，傳感器得到了測(cè)試。這種由2個(gè)線圈構(gòu)成但有不同連接方式的傳感器結(jié)構(gòu)是合理的，該方法只需單一傳感器來檢測(cè)油—水界位或油位或二者同時(shí)檢測(cè)。

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