一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器的制造方法
【專利摘要】一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器，屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】，其特征在于是測量儲油罐中油品與水位分界面高度的一種專用傳感器，整套傳感器由牽引機構(gòu)、位移傳感單元、浮筒和變送器8四部分組成，主要應用在煉油廠、油脂廠及儲油庫的儲油罐上。量程范圍為浮筒筒體的長度L。量程上限不能高于浮筒筒體1的頂部，量程下限不能低于浮筒筒體1的底部。浮筒筒體1的頂部必須低于上層輕質(zhì)油品的液位高度，使浮筒始終處于淹沒狀態(tài)。優(yōu)點在于直接輸出數(shù)字脈沖信號、測量精度高、抗干擾能力強和造價低。
【專利說明】一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器，屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及測量儲油罐中油品與水位分界面高度的一種專用傳感器，主要應用在煉油廠、油脂廠及儲油庫的儲油罐上。
【背景技術(shù)】
[0002]石油產(chǎn)品和食用油在加工、運輸及儲存過程中，不可避免會出現(xiàn)水分，由于油品與水存在不溶性，且密度差異較大，在靜態(tài)的情況下很容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，輕質(zhì)的油品在上，重質(zhì)的水在下，在儲油罐中油與水之間形成一個分界面。
[0003]在生產(chǎn)過程中需要了解每個儲油罐中油品的實際儲存數(shù)量，就必須測量儲油罐的液位和油水界面高度兩個參數(shù)。精確測量油水界面的高度，對于工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。同時這一類型企業(yè)自動化水平要求相對較高，需要隨時對各儲油罐的儲量進行動態(tài)監(jiān)控，解決界面的實時在線監(jiān)控問題。
[0004]隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，對生產(chǎn)過程的自動化水平要求越來越高，生產(chǎn)過程的自動控制是保持生產(chǎn)穩(wěn)定的正常進行，降低成本消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證生產(chǎn)安全和提高勞動生產(chǎn)率的主要手段，是二十世紀科學與技術(shù)發(fā)展的具體體現(xiàn)，是工業(yè)現(xiàn)代化的標志之一。由于分界面自身的隱蔽性，對其精確測量，一直是測量領(lǐng)域的一道技術(shù)難題。
[0005]國內(nèi)外常用的測量方法有:
[0006]I).電容式界面計
[0007]傳統(tǒng)的電容式界面計主要依據(jù)電介質(zhì)變化引起電容值變化的原理來測量電容值與界面之間的關(guān)系。
[0008]2).超聲波式界面計
[0009]超聲波式界面計主要依據(jù)超聲波在不同密度介質(zhì)中傳播速度不同的原理工作。使用時將超聲波發(fā)生器和接收器安裝在儲油罐的底部，超聲波發(fā)生器向油水界面發(fā)射超聲波，接收器接收油水界面反射回來的超聲波，根據(jù)超聲波在水中的傳播速度計算界面高度。
[0010]3).射頻導納界面計
[0011]以射頻阻抗理論為基礎(chǔ)，通過被測介質(zhì)呈現(xiàn)的阻抗特性反映油水界面位置的儀表。由于其具有測量范圍大，可以克服礦化度和掛油影響等優(yōu)點而應用廣泛。
[0012]除以上幾種油水界面計之外，還有短波吸收式界面計、射線式界面計等。目前界面計的研制在我國較落后，現(xiàn)場主要使用國外的產(chǎn)品，其中射頻導納和超聲波界面計的應用較為廣泛。
[0013]計算機技術(shù)和單片機技術(shù)是近年來發(fā)展起來的數(shù)字處理新技術(shù)，以獨特的優(yōu)勢得到迅速發(fā)展并且日趨完善。在整個測量系統(tǒng)中如果傳感器能夠直接輸出數(shù)字信號，就不需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換這個中間環(huán)節(jié)，所以傳感器技術(shù)數(shù)字化是必然的發(fā)展趨勢，數(shù)字傳感器輸出的是脈沖信號，不僅不需要中間轉(zhuǎn)換電路，而且抗干擾能力非常強，相對而言對測量精度的提高很有好處，因為任何中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換的效率不可能達到100 %。[0014]綜合所述現(xiàn)有的界面計，傳感部分輸出普遍都是模擬信號，需經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機或數(shù)字電路處理后由數(shù)碼管顯示界面高度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器，主要針對上述油水分界面測量技術(shù)中傳感部分普遍輸出模擬信號的弊端，從而公開一種傳感部分可以直接輸出數(shù)字脈沖信號的油水分界面?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)方案，可以直接與后續(xù)數(shù)字處理電路相連接，不需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)，使得整個測量系統(tǒng)更為簡單合理。
[0016]本發(fā)明一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器，其特征在于整套傳感器由牽引機構(gòu)、位移傳感單元、浮筒和變送器8四部分組成(見附圖1)，所述牽引機構(gòu)采用一拉伸彈簧3，拉伸彈簧3上端固定在支架7上，拉伸彈簧3下端通過導桿2與安裝在筒體I上的絲堵6的吊環(huán)作吊裝連接，所述位移傳感單元由電感5和磁芯4組成，其中電感5為空心電感固定在支架7上，磁芯4由高導磁材料制成，固定在導桿2上，隨導桿2 —起上下移動，所述浮筒由筒體I和絲堵6組成，筒體I由金屬鋼管焊接成一中空密閉圓柱體，在筒體I上端中心位置開一螺孔，方便與絲堵6連接，絲堵6無螺紋端焊接一吊環(huán)，浮筒的重量大于同體積水的重量，浮筒的重心低于其幾何中心，所述變送器8 (見附圖2)由非門G1、G2、電阻R1、R2、R3、電容C1、C2和電感L組成三點式振蕩電路，所述電感L由傳感單元的磁芯4和線圈5組成，變送器8輸入端與線圈5作電氣連接，線圈5—端經(jīng)電容Cl與地極連接，同時經(jīng)電阻Rl和非門Gl的輸出端連接，線圈5另一端經(jīng)電容C2與地極連接，同時經(jīng)電阻R2和非門Gl的輸入端連接，非門Gl的輸出端經(jīng)電阻R3和非門G2的輸入端連接，非門G2的輸出端為變送器8的輸出端，由于磁芯4在線圈5內(nèi)上下移動會引起電感L的電感量發(fā)生變化，從而使變送器8輸出的脈沖頻率隨之發(fā)生變化，變化的頻率經(jīng)后續(xù)電路運算轉(zhuǎn)換成油水分界面的變化，由于三點式振蕩電路中取電容C和電阻R為常數(shù)，則輸出脈沖的頻率只與電感L的電感
量呈反比關(guān)系，計算脈沖輸出頻率公式為電感L的電感量由水對浮筒的浮力決定，
浮筒的浮力是由油水分界面的高低決定，所以根據(jù)變送器8輸出的脈沖頻率計算出油水分界面的高度，量程范圍為浮筒筒體的長度L，量程上限不能高于浮筒筒體I的頂部，量程下限不能低于浮筒筒體I的底部，浮筒筒體I的頂部必須低于上層輕質(zhì)油品的液位高度，使浮筒始終處于淹沒狀態(tài)。
[0017]上述一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器，其特征在于浮筒設(shè)計成空心圓柱體。
[0018]本發(fā)明一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器的測量機理:
[0019]根據(jù)阿基米德浮力定律:當一個物體浸沒在液體中時，該物體所受到的浮力，就等于該物體排出液體的重力，換句話說，浮力就等于該物體浸沒在液體中同物物體體積相同的液體的重力。
[0020]W=Veg=SHeg
[0021]式中W浮力，V物體排出液體的體積，S物體的底面積，H物體浸沒的高度，e液體的密度，g重力加速度。
[0022]參考附圖1設(shè)浮筒重量為G，油品對浮筒產(chǎn)生的浮力為W1，水對浮筒產(chǎn)生的浮力為W2，則拉力彈簧3所受拉力為:
[0023]F=G-W1-W2
[0024]油品對浮筒產(chǎn)生的浮力W1為:
[0025]W1=Selg(L-H)
[0026]水對浮筒產(chǎn)生的浮力W2為:
[0027]W2=Se2gH
[0028]F=G-Selg (L-H) _Se2gH
[0029]=G-Sg (Le1-He^He2)
[0030]=G-Sg [Le1+!! (eg-ej ]
[0031]=G-Sg (Le1+!! Δ e)
[0032]式中:
[0033]G浮筒的重量
[0034]S浮筒的底面積
[0035]g重力加速度
[0036]ei油品的密度
[0037]eyjC 的密度
[0038]L浮筒的總長度
[0039]H油水分界面的高度(至浮筒底部算起)
[0040]其中Ae=G2I1
[0041]從式中看出，浮筒制作完成后式中除H外皆為常數(shù)，故拉力彈簧3所受拉力F與油水分界面高度H呈線性關(guān)系。
[0042]油水分界面發(fā)生變化時，浮筒所受到浮力也在變化，當油水分界面上升時浮筒所受到浮力增大，拉力彈簧3所受拉力在減少，浮筒在拉伸彈簧3的牽引下向上移動，同時磁芯4也向上移動，線圈5的電感量在減少，變送器8輸出脈沖頻率在增加。
[0043]本發(fā)明一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器優(yōu)點在于:
[0044]1.直接輸出數(shù)字脈沖信號；
[0045]2.測量精度高；
[0046]3.抗干擾能力強；
[0047]4.造價低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1裝置結(jié)構(gòu)示意圖
[0049]1.筒體2.導桿3.拉伸彈簧4.磁芯5.線圈6.絲堵7.支架8.變送器
[0050]圖2變送器8原理圖
具體實施方案
[0051]實施方式1:
[0052]本發(fā)明一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器在儲油罐上的應用:
[0053]浮筒參數(shù)設(shè)定:[0054]浮筒采用鋼管焊接成中空圓柱體，其目的為了調(diào)整浮筒的重量使拉伸彈簧3工作在其彈性系數(shù)的線性區(qū)，調(diào)整浮筒的重量時擰開絲堵6，根據(jù)需要的重量通過絲孔給浮筒注入一定數(shù)量的水，注水完成后擰緊絲堵6，取浮筒重量14.5kg，浮筒長度150cm，浮筒直徑IOcm,浮筒壁厚0.4cm,浮筒最大注水量9.9kg。
[0055]變送器參數(shù)設(shè)定:
[0056](見附圖2)選用集成電路型號為SN74LS04六非門普通集成芯片(只使用兩個非門G1、G2)，選取電容Cl = C2=0.1yF,電阻R1=R2=R3=510 Ω，選取電感L起始(最小)電感量L=9.1mH (對應傳感器測量上限150cm)，電感L最大電感量L=21.3mH (對應傳感器測量下限0cm)。
[0057]校驗:
[0058] 浮筒注水5kg，儲油罐注油≥180cm，整套裝置參照附圖1安裝在儲油罐頂部，須保證浮筒保持自由垂直直立狀態(tài)，磁芯4在線圈5內(nèi)上下移動自如。
[0059]取水的密度lg/cm3，油品的密度0.75g/cm3,計算浮筒同體積水的重量為11.8kg，浮筒同體積油品的重量為8.8kg，可看出在量程范圍內(nèi)(150cm)，拉伸彈簧3承受拉力的變化范圍為3kg，油水分界面每上升10cm，拉伸彈簧3承受的的拉力減輕0.2kg，根據(jù)上述條件選擇拉伸彈簧3的彈性系數(shù)，計算拉伸彈簧3的直徑、節(jié)距及卷數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)公式
/=4計算變送器8脈沖輸出頻率，取電感L起始電感量L=9.1mH (對應傳感器測量上限
150cm)，計算變送器8最大脈沖輸出頻率fm=5.28kHZ，取電感L最大電感量L=21.3mH(對應傳感器測量下限0cm)，計算變送器8最小脈沖輸出頻率&=3.45kHZ，計算出油水分界面每上升10cm，變送器8輸出頻率減少122HZ ;油水分界面每下降10cm，變送器8輸出頻率增加122HZ。
[0060]儲油罐注水，注水高度為從浮筒底部算起10cm，測量變送器8脈沖輸出頻率f=3.572kHZ，對應拉伸彈簧3所承受的拉力為19.3kg (14.5 + 5-0.2 = 19.3)。第二次給儲油罐注水，高度為10cm，測量變送器8脈沖輸出頻率f=3.816kHZ，對應拉伸彈簧3所承受的拉力為19.1kgo第三次給儲油罐注水，高度為10cm，測量變送器8脈沖輸出頻率f=3.938kHZ，對應拉伸彈簧3所承受的拉力為18.9kg。直到第十五次給儲油罐注水，高度為10cm，測量變送器8脈沖輸出頻率f=5.284kHZ，對應拉伸彈簧3所承受的拉力為16.5kg。校驗過程結(jié)束。
[0061]如果校驗過程中，當油水分界面處在浮筒的最下端時，油水分界面每上升IOcm變送器8脈沖輸出頻率增加值小于122HZ時，證明浮筒太重，拉伸彈簧3所承受的拉力超出了線性區(qū)，此時將浮筒取下，擰開絲堵6去除一定重量的水，重新上述過程直到達到要求為止。
[0062]下面結(jié)合附圖1和附圖2進一步說明本發(fā)明油水分界面的測量過程:
[0063]測量原理:
[0064]當油水分界面上升時，由于下層水的密度大于上層油品的密度導致浮筒的浮力在增加，在拉伸彈簧3的拉力牽引作用下，浮筒、導桿2和磁芯4 一起向上移動，造成傳感單元線圈5的電感量在減少，引起變送器8 (見附圖2)輸出脈沖的頻率在增加，油水分界面每上升10cm，變送器8輸出脈沖頻率增加122HZ。油水分界面下降時，由于下層水的密度大于上層油品的密度導致浮筒的浮力在減少，在重力作用下，克服拉伸彈簧3的拉力的牽引，浮筒、導桿2和磁芯4 一起向下移動，造成傳感單元線圈5的電感量在增加，引起變送器8輸出脈沖的頻率在減少，油水分界面每下降10cm，變送器8輸出頻率減少122HZ。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器，其特征在于整套傳感器由牽引機構(gòu)、位移傳感單元、浮筒和變送器(8)四部分組成，所述牽引機構(gòu)采用一拉伸彈簧(3)，拉伸彈簧(3)上端固定在支架(7)上，拉伸彈簧(3)下端通過導桿(2)與安裝在筒體(1)上的絲堵(6)的吊環(huán)作吊裝連接，所述位移傳感單元由電感(5)和磁芯(4)組成，其中電感(5)為空心電感固定在支架(7)上，磁芯(4)由高導磁材料制成，固定在導桿(2)上，隨導桿(2) —起上下移動，所述浮筒由筒體⑴和絲堵(6)組成，筒體⑴由金屬鋼管焊接成一中空密閉圓柱體，在筒體(1)上端中心位置開一螺孔，方便與絲堵(6)連接，絲堵(6)無螺紋端焊接一吊環(huán)，浮筒的重量大于同體積水的重量，浮筒的重心低于其幾何中心，所述變送器(8)由非門Gl、G2、電阻Rl、R2、R3、電容Cl、C2和電感L組成三點式振蕩電路，所述電感L由傳感單元的磁芯⑷和線圈(5)組成，變送器⑶輸入端與線圈(5)作電氣連接，線圈(5) —端經(jīng)電容Cl與地極連接，同時經(jīng)電阻Rl和非門Gl的輸出端連接，線圈(5)另一端經(jīng)電容C2與地極連接，同時經(jīng)電阻R2和非門Gl的輸入端連接，非門Gl的輸出端經(jīng)電阻R3和非門G2的輸入端連接，非門G2的輸出端為變送器⑶的輸出端，由于磁芯⑷在線圈(5)內(nèi)上下移動會引起電感L的電感量發(fā)生變化，從而使變送器(8)輸出的脈沖頻率隨之發(fā)生變化，變化的頻率經(jīng)后續(xù)電路運算轉(zhuǎn)換成油水分界面的變化，由于三點式振蕩電路中取電容C和電阻R為常數(shù)，則輸出脈沖的頻率只與電感L的電感量呈反比關(guān)系，計算脈沖輸出頻率公式為/=▲，電感L的電感量由水對浮筒的浮力決定，浮筒的浮力由油水分界面的高低決定，所 以根據(jù)變送器(8)輸出的脈沖頻率計算出油水分界面的高度，量程范圍為浮筒筒體的長度L，量程上限不能高于浮筒筒體(1)的頂部，量程下限不能低于浮筒筒體(1)的底部，浮筒筒體(1)的頂部必須低于上層輕質(zhì)油品的液位高度，使浮筒始終處于淹沒狀態(tài)。
2.按照權(quán)利要求1所述一種數(shù)字式油水分界面高度測量傳感器，其特征在于浮筒設(shè)計成空心圓柱體。
【文檔編號】G01F23/62GK103487116SQ201310471610
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】喬學工, 徐致亞, 薛保平, 梁麗萍, 王華倩 申請人:太原理工大學