浮筒式油水界面检测仪设计与实现

于光辉，陈 燕，马春燕，窦银科，冯治岗，常晓敏，张 艳

(太原理工大学 a.电气与动力工程学院，b.水利科学与工程学院，c.材料科学与工程学院，太原 030024)

在原油的存储过程中，储油罐中不可避免会渗入一部分水；由于油和水的比重不同，原油中的水分会沉降在油罐底部。出于对油品纯度的要求和对安全的考虑，需要通过油水界面检测，最终实现油水分离[1-2]。传统的油水界面检测装置，如磁致伸缩式界面仪，具有测量精度较低、电路器件易损害等缺点。近年来，出现了采用超声波测距等技术的新型油水界面检测装置，其测量结果易产生漂移，需要定期标定，限制了检测装置的应用[3-4]。本文介绍的浮筒式油水界面检测仪具有精度高、结构简单、免维护等优点。该油水界面检测仪主要用于大型油库的立式圆柱形油罐和城市加油站等油库的卧式圆柱形油罐[5-6]。

1 油水界面检测仪结构及原理

浮筒式油水界面检测仪的结构如图1所示，由浮筒、重力传感器、变送电路、单片机测控装置等4部分组成。随着油水界面的升降，浮筒受到的浮力会发生变化，重力传感器的输出电压随之变化；通过变送电路，实现电压—电流的转换；最后在单片机测控装置中实时显示油水界面的高度，并具有超出阈值报警和控制阀门自动排水的功能。

图1 浮筒式油水界面检测仪结构图Fig.1 Structure diagram of float oil-water interface detector

2 浮筒结构及检测机理

浮筒由中空钢管焊接而成，浸没在油罐内，保持直立状态。上部通过铁链与重力传感器相连。

根据阿基米德浮力定律，当一个物体完全浸没在液体中时，该物体所受到的浮力等于该物体排出液体的重力。表达式为：

F0=ρgV=ρgSH.

(1)

式中：F0为浮力；V为物体排出液体的体积；S为物体的面积；H为物体浸没的高度；ρ为液体的密度；g为重力加速度。

设浮筒重力为G，油对浮筒产生的浮力为F1，水对浮筒产生的浮力为F2，则重力传感器所受到的力F为：

F=G-F1-F2.

(2)

根据式(1)浮力F0为：

(3)

故油对浮筒的浮力F1为：

(4)

水对浮筒的浮力F2为：

(5)

则式(2)可写为：

(6)

式中：D为浮筒的直径；ρ1为油的密度；ρ2为水的密度；L为浮筒的长度；g为重力加速度；H为油水界面的高度；Δρ=ρ2-ρ1.

从式(6)看出，除油水界面高度H外皆为常数。故重力传感器受力F与油水界面H呈线性关系，油水界面H越高，重力传感器受力越小，呈反比关系。

3 重力传感器结构及原理

重力传感器固定于油罐上方，与浮筒相连。重力传感器是一种将所受到的重力转换成电信号输出的器件，主要由弹性体、电阻应变计及检测电路等3部分组成。弹性体是将力转换成形变；电阻应变计是将形变转换成电阻变化；检测电路的主要部件是惠斯登电桥，它可以解决重力传感器的补偿问题，其功能是将电阻应变计的电阻变化转换为电压信号。

本设计采用的传感器为平行梁式重力传感器，型号为B-XA-6，最大量程为6 kg，灵敏度为(2±0.02) mV/V,输入阻抗为(410±10) Ω，输出阻抗为(350±1) Ω，工作电压为9～15 V，非线性度为0.05%.由于该传感器具有良好的线性度这一静态特征，所受的重力与输出的电压呈现良好的线性关系。

当传感器受到外力的作用后，弹性体产生变形，从而引起电阻应变片电阻率的变化。传感器的输出电压U0为：

(7)

4 变送电路

变送电路的功能是将重力传感器输出的电压信号转换成电流信号，包括变送器及外围辅助电路。变送器选用XTR101芯片。XTR101可以将传感器差分形式的毫伏级电压转换成标准的4～20 mA二线制电流输出。XTR101是以电流形式传输信号的，因此不受远距离传输线阻抗压降的影响。它的主要特征为：最大失调电压仅为30 V；最大电压漂移仅为0.75 V/℃；非线性度为0.01%；供电电压范围为11.6～40.0 V；温度范围为-40～+85 ℃，采用小型14引脚双列直插式封装[10]。由于XTR101的非线性度非常小，所以XTR101输入的电压值(即传感器输出的电压值)与输出的电流值呈线性关系。

图2 XTR101内部结构Fig.2 Inner structure of XTR101

XTR101的内部简化电路结构如图2所示。其中，A1和A2为单电源仪表放大器，可控制由A3，Q1，R1和R2构成的电流源。根据放大器虚短的特征，3，5引脚等电位，4，6引脚等电位，故量程调节端5，6引脚的电位差即为输入信号。引脚3，4为信号差分输入端的负极和正极；引脚5，6外接跨导电阻，该电阻决定信号的输出幅值，其引线应尽量短，以减少噪声干扰和引线电阻带来的增益误差；引脚7为输出端(4～20 mA标准电流环)；引脚8接电源正极。

当EIN=0时，内部与两路恒流电流源(分别为1 mA)共同输出电流4 mA.当EIN不为0时，输出电流Iout：

(8)

当EIN=0时，Iout=4 mA；当EIN最大时，Iout=20 mA[11].

5 单片机测控装置

单片机测控装置放置于监控室内，包括I/V转换接口、电源模块、键盘、显示模块、外设控制模块、报警模块。基于MSP430F149单片机的测控装置结构如图3所示。

图3 单片机测控装置方框图Fig.3 Block diagram of SCM monitoring and control device

I/V转换接口接收来自于现场XTR101输出的4～20 mA电流信号，由于电流信号的远距离传输的特点，使用截面为1.5 mm2，长度为1 000 m的屏蔽双绞线进行传输。I/V转换接口的功能是将电流转换为电压，与单片机内部的A/D转换模块连接，即与P6.0口连接。

电源模块包括24 V，12 V，5 V，3.3 V，分别为XTR101、重力传感器、显示模块、单片机供电。键盘、外设控制模块的电源电压为5 V.

键盘选用4个独立式按键，分别为复位键、设置键、增/减键、开关键，当有键按下时，中断请求会被发送到CPU，中断服务程序会在CPU响应后执行，键盘才会被扫描，它与单片机的P1口连接。

显示模块使用4位8段共阳极动态LED数码管，用于显示油罐中油水界面高度，它与单片机的P4口和部分P5口连接。

外设控制模块是控制阀门的关断，当油水界面的高度低于或高于阈值时，及时关闭阀门，它与单片机的P1.5口连接。若油水界面高度低于或者高于阈值，则P3.1口将由0置为1，此时蜂鸣器会发出报警声音，对工作人员起到提醒作用[12-13]。

6 实验电路

为验证设计方案的合理性和可行性，我们在实验室搭建了实验平台。具体实验电路如图4所示。

在实验中，以外径为110 mm、长为2 000 mm的有机玻璃管代替油罐，在有机玻璃管管壁上标有刻度，可以清楚地读出油水界面的实际高度。浮筒由外径为48 mm、长为1 000 mm的中空钢管焊接而成，可以通过往浮筒内注水，来调整浮筒重心，从而保证浮筒保持直立状态。

随着油水界面的升高，重力传感器的输出电压增大。在重力传感器的激励电压正极端与信号输出正极端之间并联电阻R1和电位器R2，大小分别为50 kΩ，51 kΩ.由式(8)可知，变送器的输出电流随重力传感器输出电压的增大而增大。

图4 实验电路Fig.4 Experimental circuit

重力传感器的输出电压接入变送器XTR101的3，4引脚。5，6引脚连接跨导电阻R4，取值5.0 Ω.1，2，14引脚用于放大器的输入偏置电压零调整，三个引脚连接电阻R5和电位器R6，分别取值330 kΩ，19.1 kΩ.从10，11两个引脚流出的两个1 mA恒流源汇流通过R3，大小为2.5 kΩ，产生一个+5 V提升电压，使XTR101进入线性工作区域。稳压电源电压为+24 V，通过二极管D与8引脚连接，二极管用于防止电源电压极性接错时对器件造成的损坏。C1，C2为旁路电容，滤除电源携带的高频杂波，两者均为0.01 μF.变送器将输入电压变换为电流。为调试电路方便，在此串入毫安表，用来读取此处的电流。

变送器输出的电流信号通过I/V转换接口与单片机测控装置连接。若油水界面的高度超出阈值，报警电路就会发出报警声音，此时控制模块就会自动控制阀门的关闭。由于单片机内置A/D模块的输入电压范围为0～3.3 V，所以要将4～20 mA电流变换为电压，需要在变送器输出端加一个阻值为165 Ω的电阻，即R7，通过电阻的一侧与单片机的P6.0口连接。

实验电路搭好后，通过测量浮筒在不同位置下，变送电路输出电流和单片机显示油水界面高度，并相应读取有机玻璃管上的刻度，从而验证实验电路的准确性和可靠性。浮筒顶部的调整范围为1 010～1 800 mm，每隔10 mm测量一组数据，共80组数据。

表1为浮筒顶部高度为1 040 mm时，电流表示数和单片机显示的油水界面高度，以及有机玻璃管管壁上的刻度读取油水界面的实际高度。最大误差为4.848%，最小误差为1.418%，平均误差为2.934%，符合油水界面检测仪测量误差范围的要求[14-15]。

表1 油水界面高度显示值与实际值的数据对比Table 1 Data comparison of displayed and actual values of oil-water interface level

由表1的数据做出曲线，如图5所示。图中实际值曲线为一条直线，即电流表示数与油水界面实际值呈线性变化。从图5中可以看出，两条曲线是非常接近的，说明两者误差较小。浮筒在其它位置下的数据都有良好的线性度，平均误差均在±3%以内，符合误差要求。

图5 油水界面高度显示值与实际值的曲线对比Fig.5 Curve comparison of displayed and actual values of oil-water interface level

7 结论

本文设计了一种浮筒式油水界面检测仪，利用线性度良好的器件，使油水界面高度的变化有规律可循。通过实验得出单片机测控装置的显示值；与油水界面高度的实际值相比较，平均误差较小，能够满足油水界面检测仪测量误差范围的要求。该油水界面检测仪具有结构简单、经济且使用方便的优点，减轻了工人的劳动强度，具有广泛的应用前景。