摘 要：簡(jiǎn)單介紹了射頻電容液位計(jì)進(jìn)行油水雙液位檢測(cè)的基本原理，闡述了海上溢油回收檢測(cè)裝置的基本構(gòu)造及其工作過(guò)程。針對(duì)海上特殊應(yīng)用環(huán)境的測(cè)量需求，提出分別按油、按水標(biāo)定的液位檢測(cè)方案。油水混合狀態(tài)下，對(duì)２組實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差和線性度的數(shù)值計(jì)算，通過(guò)曲線擬合對(duì)比分析，最終確定了海上溢油回收集油箱油位檢測(cè)的最優(yōu)化方案—按油標(biāo)定檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，該方案可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量環(huán)境的要求，液位計(jì)的測(cè)量精度高、線性度好。
【１、引 言】
在海上溢油回收過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)集油箱油水混合物中油位的高度，是溢油回收檢測(cè)與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前常用的液位檢測(cè)傳感器有：超聲波式、磁致伸縮式、浮子式、微波式等。但以上方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)油水混合狀態(tài)下油位的檢測(cè)。針對(duì)海上溢油回收檢測(cè)的特殊要求，必須找出一種能夠進(jìn)行油水識(shí)別的檢測(cè)的方案。分段電容液位計(jì)，在傳統(tǒng)電容檢測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)，可以對(duì)油水液位進(jìn)行檢測(cè)，但是寄生電容影響較大，而且在段與段的分界處存在檢測(cè)盲區(qū)，嚴(yán)重影響檢測(cè)精度。仕樂(lè)克射頻電容液位計(jì)具有測(cè)量精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足海上復(fù)雜環(huán)境下，油水液位的檢測(cè)。
【２、射頻電容液位計(jì)的測(cè)量原理】
射頻電容液位計(jì)是基于介質(zhì)的射頻阻抗理論，負(fù)載射頻阻抗隨油水混合液中不同油水比例而變化，使電容傳感器輸出相應(yīng)的電信號(hào)。在溢油回收過(guò)程中，采用仕樂(lè)克儀表生產(chǎn)的SLK-700系列電容液位計(jì)，它采用國(guó)際上先進(jìn)的射頻電容技術(shù)。電容液位計(jì)的探極及金屬外殼構(gòu)成電容器。將集油箱中待測(cè)液體作為電介質(zhì)，射頻振蕩器施加于電容器兩端構(gòu)成回路。
據(jù)電容感應(yīng)原理，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)浸汲測(cè)量電極的高度變化時(shí)，引起其電容的變化，電容的變化引起振蕩器輸出頻率的變化，微控制器根據(jù)這一頻率的變化計(jì)算輸出４～２０ｍＡ標(biāo)準(zhǔn)模擬電流信號(hào)（其中４ｍＡ 表示零信號(hào)，２０ｍＡ表示信號(hào)的滿刻度），遠(yuǎn)傳至操作控制室供二次儀表或計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中顯示、報(bào)警或自動(dòng)控制，其原理圖如圖１所示。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電流對(duì)噪聲并不敏感，電流輸出增加了傳感器的抗干擾能力。
【３、海上溢油液位檢測(cè)裝置基本構(gòu)造】
海上溢油回收液位檢測(cè)裝置如圖２所示。集油箱是上下開(kāi)口的金屬容器，射頻電容傳感器安裝固定到集油箱中央，測(cè)量探極底部處在油水交界處。溢油回收過(guò)程中，斜帶轉(zhuǎn)筒由液壓站提供順時(shí)針?lè)较虻臓恳Γ缬透S斜帶轉(zhuǎn)筒聚集到集油箱底部。當(dāng)集油箱內(nèi)部油層積累到一定厚度，啟動(dòng)抽油泵開(kāi)始抽油。所以，實(shí)時(shí)檢測(cè)集油箱中油位的高度，是溢油回收控制的關(guān)鍵。
溢油回收過(guò)程中，集油箱內(nèi)為油水混合介質(zhì)，所以理論上電容傳感器應(yīng)該采用油水混合標(biāo)定的方法。而實(shí)際測(cè)量中，油水混合比例是動(dòng)態(tài)變化的，所以實(shí)驗(yàn)分別采用按水、按油標(biāo)定的方式，進(jìn)行集油箱油水混合液位的測(cè)量。
４ 射頻電容液位計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析
４．１ 液位計(jì)在水標(biāo)定下的測(cè)量分析
在該實(shí)驗(yàn)中，仕樂(lè)克液位計(jì)測(cè)量桿約１００ｃｍ，假設(shè)標(biāo)定滿量程為Ｍ，取Ｍ 為７０ｃｍ。仕樂(lè)克儀表為確定液位測(cè)量的線性關(guān)系，首先需要確定２個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，且２個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之差不得低于５０％。現(xiàn)取標(biāo)定滿量程的２０％處作為第１個(gè)點(diǎn)標(biāo)定點(diǎn)，取標(biāo)定滿量程的９０％處作為第２個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，向容器內(nèi)緩緩注入油水混合物（水多油少），具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差、線性度分析如表１所示。
表１主要記錄了水標(biāo)定下，注入油位Ｈ、注入水位Ｌ及液位顯示百分比Ｐ。采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的方法，分別按式（１）、式（２）計(jì)算出理論油水混合計(jì)算比例Ｐ１及理論水位計(jì)算比例Ｐ２。
精度表征了儀器儀表測(cè)量誤差的大小，誤差表示測(cè)量值與真實(shí)值之間的差異，它表征了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度及可信度。按水標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，假設(shè)實(shí)際油水計(jì)算比例誤差為Ｗ１，而實(shí)際水位計(jì)算比例誤差為Ｗ２，測(cè)量顯示比例為Ｐ，分別按式（３）、式（４）計(jì)算２種情況下的計(jì)算比例與測(cè)量顯示比例的絕對(duì)誤差Ｗ１和Ｗ２。
傳感器的被測(cè)量與傳感器輸出之間的關(guān)系一般是非線性的。為了更加形象直觀地分析２種計(jì)算誤差隨水位變化的趨勢(shì)，分別繪制其誤差Ｗ１、Ｗ２的擬合曲線如圖３所示。
由圖３誤差曲線趨勢(shì)可以得出：在按水標(biāo)定的情況下，理論油水混合計(jì)算比例誤差相對(duì)較大，并且上下頻繁波動(dòng)沒(méi)有一定的規(guī)律性；而理論水位計(jì)算比例誤差相對(duì)偏小，且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性———隨著水位增加（接近滿量程），誤差越來(lái)越小，在標(biāo)定滿量程的５０％～１００％平均誤差約為２．５％。誤差在一定程度上反映了傳感器在該系統(tǒng)應(yīng)用上測(cè)量的準(zhǔn)確度，線性度則表征了測(cè)試系統(tǒng)的輸出與輸入與理想系統(tǒng)的線性比例關(guān)系，他們都是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)的重要依據(jù)。假設(shè)理論油水混合計(jì)算比例及理論水位計(jì)算比例的線性度分別為δ１、δ２，按式（５）、式（６）分別對(duì)兩者的線性度進(jìn)行計(jì)算。
計(jì)算數(shù)據(jù)表明，線性度與誤差隨水位變化曲線基本吻合。即在水標(biāo)定的情況下，在標(biāo)定滿量程的５０％～１００％，不僅測(cè)量精確度高，而且線性度也好。
４．２ 油標(biāo)定下的測(cè)量分析
在實(shí)驗(yàn)中，按油標(biāo)定滿量程Ｍ 為８０ｃｍ。取標(biāo)定滿量程的２５％處作為標(biāo)定第１點(diǎn)，取標(biāo)定滿量程的８７．５％處作為標(biāo)定１第２點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，向容器內(nèi)緩緩注入油水混合物（油多水少），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差、線性度分析如表２所示。
表２主要記錄了按油標(biāo)定的情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照表１相同的計(jì)算方法，分別計(jì)算出各自的比例、誤差及線性度，并繪制出的誤差曲線如圖４所示。
由圖４曲線可以明顯看出：在油標(biāo)定的情況下，隨著油水高度的增加，理論油水計(jì)算比例誤差反而有上漲的趨勢(shì)，而且在標(biāo)定滿量程的５０％～７０％平均誤差高達(dá)１８．３％；而理論水位計(jì)算比例誤差相對(duì)偏小（平均誤差約為２．４％）并且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性———隨著油位增加（接近滿量程），誤差越來(lái)越小。同樣，線性度與誤差隨油位變化趨勢(shì)大體相近。
４．３ 檢測(cè)方案的選定
實(shí)際液位測(cè)量過(guò)程中，集油箱液位高度一般在滿量程的２５％～９０％波動(dòng)。如果采用按水標(biāo)定的方案，則會(huì)在滿量程的２５％～５０％產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，并且線性度不好。而按油標(biāo)定的方案，在標(biāo)定滿量程的２０％～１００％誤差已經(jīng)很小，線性度較好。所以，綜合２組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差、線性度估算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量３方面的因素，按油標(biāo)定不僅測(cè)量精度高，而且線性度好，為其最佳檢測(cè)方案。
【５ 結(jié) 論】
電容液位計(jì)一般用于石油化工行業(yè)密閉容器液位的測(cè)量，將其應(yīng)用于半封閉的海上溢油回收液位測(cè)量裝置中，采取油、水標(biāo)定下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析法，從２種測(cè)量方案的誤差、線性度估算出發(fā)，對(duì)集油箱油水混合液位中油層厚度的測(cè)量，采取按油標(biāo)定的方案，其測(cè)量精度及線性度較高，滿足了現(xiàn)場(chǎng)溢油回收控制系統(tǒng)的需要。
