雙線圈式油水雙液位檢測新方法*

陸貴榮，倪鵬昊，陳樹越

(1.常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州213164;2.常州市過程感知與互聯技術重點實驗室，江蘇常州213164)

0 引言

液位傳感器經常被用來檢測液位高度，不同液體間或者固液的界位。這些年來，許多檢測油水雙液位的技術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］來監測同一罐體2種液體的界位，在浮力與重力的作用下，一個浮球浮在油水界面上，以監測油水界位的變化;另一個浮球則浮在油面上，可以檢測油位來防止冒罐或者啟動泵來引出原油層。

光纖作為一種用于檢測被測介質的物理和化學性質很重要的傳感材料，可彎曲光纖油水雙液位傳感器［2］已經被開發出來了。基于水的電導性，一種新型液位傳感器［3］能檢測導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成。其中兩塊極板導入電流，在其他的極板間測量導電介質的電壓變化。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傳感器等都用來檢測液位［1，4，5］。

電容傳感器通過電場來檢測被測介質的介電常數，因為無移動部件，成本低，電極板很適合做成各種形狀，所以，它被廣泛應用于石油、化工、天然氣、污水處理、食品加工等行業中的液位檢測。為了檢測多液位，許多研究人員設計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來感應液位［7～9］和非磁性導電質的含量［10］，當檢測器中導電液的液位或溶液的含量發生改變時，線圈的阻抗也相應地變化，而阻抗變化是能夠通過精密布置的電橋線路檢測出來的。

一般認為，當不止一個變量需要被檢測時則需使用2只或多只傳感器。不同于一般被采用的技術，復合傳感器或多功能傳感器在近年里得以發展，用來檢測出多個輸入信號的變量［11］。

1 結構與原理

基于上述研究的背景下，結合作者前期的研究［12，13］，本文提出了一種能檢測單一罐體中油水雙液位的新方法。它的檢測原理如圖1所示，分成電感和電容2種功能模式。首先，電感感應功能用來檢測油水界位，再結合電容感應功能計算出油位。為實現提出的測量方法，一個簡單的傳感器結構被開發出來，2個線圈作為感應部件緊密螺旋纏繞在塑料管上，如圖2所示。它由2個線圈螺旋纏繞而成，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。假設在一油罐中有水、油和氣，電容電感測量功能的端子間連接如圖3所示，電容感應等效電路如圖4所示。

圖1 新方法的檢測原理Fig 1 Measurement principle of the proposed approach

圖2 傳感器的結構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，而水是導體，當水灌入線圈時，選取適當的線圈中交流電的頻率，就會在水中產生電渦流效應。因此，傳感器的電感L隨油水界位h1(實際上就是水位)的增加而變小。h1和L的方程式(1)如下

油位h2能用已測的電容值和上面求得的油水界位h1計算出來，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滿水為當傳感器充滿水時的電容，H為傳感器的高度。

2 實驗

為了觀察該傳感器的實際響應，該部分實驗是在25℃恒溫條件下進行的。在實驗中，自來水和煤油被做為樣本液體用來檢測傳感器的性能，電容和電感的檢測工具是HP公司生產的4284A LCR表。圖5和圖6顯示了不同條件下的實驗結果。

圖3 兩種感應功能Fig 3 Two sensing functions

圖4 電容感應功能的等效電路(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 傳感器對自來水的不同水位的電感響應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驗結果Fig 6 Capacitive experimental result of different levels of oil and water

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

圖6表示當油—水界面的實際高度比例為傳感器高度H的0%，20%，50%，80%時，由空氣和油聯合貢獻的電容C空+油變化趨勢。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，這是因為在傳感器中有不同的水位時，產生電容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—水界位的關系可用圖7描述，如果一個隨機的油水界位h1是已知的，與h1相關的縱軸的截距b可從圖7得到，進一步未知的h2可用方程(3)計算

利用上述測量原理，表1顯示了h1，h2的設定值與估算值之間的比較，盡管個別數據的絕對誤差達到了1.7 mm，但其相對誤差還是比較小的，所以，總體來說這是一個非常滿意的結果，可以證明所設計的傳感器是可以用來同時檢測2個液位。

圖7 Y軸截距b與水位的關系Fig 7 Relationship between Y-intercept b vs water level

表1 設定值與估算值之間的比較Tab 1 Comparison between set values and estimated values

3 結論

本文提出了一種新方法同時檢測油水界位和油位，為了實現這個目的，開發了一種簡單有用的傳感器。根據電感和電容的響應，不僅油—水界位能計算出來，同時油位也能得到評價。作為期望的應用，以煤油和自來水樣品液體，傳感器得到了測試。這種由2個線圈構成但有不同連接方式的傳感器結構是合理的，該方法只需單一傳感器來檢測油—水界位或油位或二者同時檢測。

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