专利名称：贮罐贮液的计量探头的制作方法
技术领域：
本实用新型属于油田贮油罐及其它液罐的计量和在线计量探头，特别是涉及一种能对贮罐中的原油或其它油类、污水、污泥以及压力、液深、温度等多项参数进行检测的探头。
背景技术：
目前油田对贮油罐中原油的计量，绝大多数还是采用原始的人工方法，从上面吊根绳子、测量油面高度，对于油罐下层的污水有多少？底层的污泥多少？则无法检测。实际上一般贮油罐底层都积污泥和污水、污泥厚度在十几cm-40cm，而污水深度为20-150cm，在数千吨或万吨级的贮罐的1cm厚度意味着数吨或十几吨原油。因此，要对油罐进行精确计量，必须测出污泥厚度和污水/原油界面以及原油的总深度、罐中温度等参数。
多年来虽然有人用阻容式、静压式传感器件或微波等工艺，试图解决这一难题，但只是停留在测试液位的技术水平上。
本实用新型不但能对原油贮罐进行综合检测计量，对于炼油厂、石化工业、航运、码头、航空及民用的汽油、煤油、柴油、机油等不含强腐蚀性的其它液罐也能实现精确检测计量和管理。
中国实用新型专利公报公告了“一种原油贮罐的全范围检测装置”，专利号为ZL98215816.5，出现后为原油贮罐提供了一种科学的计量检测方法，该探头包括栅状电容器、扫描电路、液深传感器及控制电路，但所有电路均采用分离元件，电路复杂，探头体积大，并由于分布电容的影响，致使检测精度偏低。
为实现上述目的，本实用新型的具体技术方案为，一种贮罐贮液的计量探头，该探头包括栅状电容器、扫描电路、液深传感器、温度传感器及控制电路，扫描电路由选通开关电路、扫描控制电路和容频(C/F)转换检测电路构成，选通开关的各个输入端依次与栅状电容器的各栅极相连，各选通开关的输出端并接后连入容频转换检测电路的输入端，扫描控制电路为由计数电路和驱动门电路构成的段选和片选电路，扫描控制电路的输出接入选通开关电路的控制接口、扫描控制电路的输入端与控制电路的扫描脉冲发送端相连，所述控制电路为一单片机型控制电路，控制电路以微处理器为主构成，接收扫描电路的容频转换频率信号，向扫描电路发送扫描脉冲，向地面主机发送检测信号。
所述的选通开关电路是由两块以上的16选1模拟开关电路构成，各模拟开关电路的路选控制接口连入扫描控制电路的路选控制输出端，各模拟开关电路的片选控制接口连入扫描控制电路的片选控制端。
所述的扫描控制电路由两块计数器电路和两块计数器的计数输出口上连接的门电路构成，第一块计数器作为路选控制，其输出分别通过一个与门连入每个模拟开关电路的路选控制接口，其时钟输入端连接控制电路的扫描脉冲输出端，其溢出进位端连第二块计数器的时钟输入端；第二块计数器作为片选控制，其输出分别通过一个或非门连入每个模拟开关电路的片选控制接口；第一块、第二块计数器的复位端与控制电路的复位输出接口相连。
所述的容频转换电路可以和每段栅状电容构成振荡器的无稳态多谐振荡器电路。
所述的多谐振荡器电路和各选通开关的输出端之间串联有一个由运算放大器和电阻、电容构成的阻抗转换电路。
所述的控制电路的单片机上连接有可编程外部接口电路，可编程外部接口电路上连接有两个八位D触发器，八位D触发器上连接有四个四位计数器，四个四位计数器的输入端连入容频转换电路的输出端，四个四位计数器的输出通过两个八位D触发器构成的予存贮器送入可编程外部接口电路的接口，并由可编程外部接口电路送入单片机的接口。
探头的顶部设置有用于立浮的空腔。
由于采用了电脑芯片，可以充分利用其软件资源，从而减少外围电路的电路量和电路占用的空间。本实用新型的扫描电路实际上只用了两只计数器和几片集成多路转换器，由于电路简单，可将印制板做得充分小，把它和容栅电极板，用环氧树脂浇铸在一起，使传感器的尺寸变小，以至可用装入一根细长的管子中，这也是本实用新型的一个特点。本实用新型的另一特点是，在检测电路中增添了阻抗转换电路，使得检测电容的段电极尺寸可以缩小数倍，而检测精度提高几倍。通过计算，假如有7cm2大小的两块平行电极板，相距0.8cm时，其电容量为0.7pf(空气介质)和1.8pf(原油)，在传感器中，检测电路到各段电极之间的连接导线的平均长度为30-45cm，计算得知，40cm的悬空导线的分布电感为0.5-3μh，分布电容量为4.5-6pf，可见导线的分布参数大于作为传感器使用的段电容值，这说明电极尺寸不能太小的原因，否则，分布参数将淹没测试结果。本实用新型采用的阻抗转换电路，可以减小分布参数的影响，而增大检测电容的效果，从而使容栅尺寸缩小，而不影响正常测试。
图2中，标号7为保护套，8为项部的空腔，9为压力/液深传感器，10为温度传感器，11为传输电缆，12为电路板，13为栅状电容器，14为检测槽，在容栅传感器的段极板和公共极之间留有6-10mm的间隙作为对介质的检测槽，即将保护套内部分成两半，公共极和段电极板各占一半，用环氧树脂连同电路板浇铸在一起，这样除检测槽与液态介质相接触外，其余都呈密封隔离状态。
本探头在一根开槽(圆或方形截面)的管子中，安装包括精密容栅传感器、温度、压力/液深传感器和单片机控制电路等组成综合参数检测传感器，在管子的顶端有一段空腔，电缆从管子下部引出(如图2)。其中，作为外壳的管子用铝、铜或不锈钢等材料，其作用有三(1)对传感器的保护，(2)携带运输方便，(3)由于空腔的浮力作用，在测试中能保证在罐底部保持垂直正立的正确测试姿势(见
图1)。
压力/液深传感器，采用市场通用产品，在开放式液罐(罐顶部有通向大气的开口)中，作为液深传感器使用，测量传感器以上原油的深度，在密封式油罐中(多在成品油库中使用，如汽油等)，除测液位外还兼测罐中压力。
温度传感器。因为对油品的计量都采用M3和吨双重计量方式，而比重和温度有直接关系，所以温度也是计量检测的必要参数之一，它的电路密封于控制电路中，其测试结果和压力传感器一样，供单片机所采集。
图3中，标号15公共电极板，16段电极板，两板之间形成检测槽A001、A002即为栅状段电极横条，其中A001的即为该段极的地址编码，它由以环氧树脂为主要材料的敷铜板加工而成，段电极与公共极与介质相绝缘，根据测量需要，设定段电极的段数和宽度，公共极和电路的公共地连接，各段极分别连接到扫描电路相应点。
栅状电容器7，由栅状电极板和公共电极组成，栅状电极板(图3)，由一段段相同形状和大小，彼此(电)隔离的电极横条(A001、A002……)组成，象一根尺子每段代表一定尺寸的距离，在每段电极的对面是公共电极，它和每段电极条都形成一个独立的电容器，其电容量C＝εε1A/d，当段电极面积A和到公共极的距离d一定时，其电容量的大小和两板之间介质的介电常数成比例，按此原理，栅状电容器就可以作为传感器用来测量油罐底部的原油、污水和污泥的界面位置了，因为水的介电常数比原油大40多倍，其它如汽油、机油等都和原油差不多，但这些栅状电容器是靠控制电路进行检测的。
图4的扫描电路，主要三部组成。
(1)选通开关电路，图中的U1-U6六只16通道集成转换器CD4067组成，它的第一脚P1根据数据端P10、P11、P13、P14的输入(二进制码状态)。可以分别接通1-16条段电极，如U1接A001、A002……A016。U2接A017-A032，依次类推，而所有多路转换器的P1连在一起，接检测电路，U1-U6的输入状态接扫描电路的M3。U1-U6的P15脚为选通端，低电平有效，高电平时，它的输入、输出端呈高阻态。
(2)扫描控制电路，由计数器U7(CD4520)、U8(CD4017)和门电路M1-M3(分别为4001、4081、4081型)组成，在初始状态(即“0”状态)时，U7的输出端Q3、Q2、Q1、Q0均为“0”即[0、0、0、0]，U8的Q0端为“1”态，其余Q1-Q9均为“0”状态，M1、M2为或非门，M3为与门通过M1-1的倒相U1的P15为“0”电平，说明U1被选中，这时，如果M2-1送来第一个记数脉冲，则U7的输出端变为 ，通过U1的P1，检测电路，就和容栅的段A001接通，若M2-1送来第二个脉冲，检测的段电容又转到A002，依此下去，到第17个脉冲来时，U7的Q3下降沿触发U8，使U8的Q0由“1”变为“0”，而Q1由“0”变为“1”，这样U2又被选中，在下一轮的16个脉冲到来时，检测电路又分别与A017-A032一一接通，如此动作，直到最后，控制电路对U7、U8复位，再开始重复以上过程。
(3)容频转换检测电路，由M4-1和R6、C0组成，R7的作用是平衡U1-U6的接通状态的阻抗差别，U1-U6的P1接到R7和C0的连接点上，就组成一个无稳态多谐振荡器，图中C0实际上是代表分布电容，和检测电容C相并联。
本实用新型在此采用了U9(LM7660)、U10(LM358)和R3-R10、C2、C3组成的阻抗转换电路，其中U9起电平的调节作用，U10运放将U1-U6的P1提供的检测(段)电容，经过变换后再和C0并联，这时组成的振荡器，振荡频率f＝0.68R6C(注意C0基本上不起作用)，从而可见，当检测的介质发生变化时，C的大小也变化，自然引起检测振荡器振荡频率也发生相应变化，所以对该检测频率的测试，也相当于检测各段电容的介质性质。
图中CZ1是8线插座，其中CZ1-1为扫描脉冲输入端，CZ1-2为外来复位信号入端，CZ1-3即检测电路的振荡信号输出端，它输出的频率信号，随各段电极(A001、A002……)的电容量变化而变化。CZ1-7、8是该电路的电源端，CZ1-6为温度传感器的输出端，其中T为集成温度传感器(LM45)，TM131为V/F变换器集成块，CZ1-5端是压力/液深传感器的信号输出端，该传感器采用CY-YZ-303型精密液深传感器。
图5单片机控制电路的受控对象是电路图4，并将有关信息从CT2插头通过传输线送到主机，本图中以D1微处理8751，D2-8255可编程外部接口电路为中心和其它外围电路组成控制系统，完成以下各项工作1)接收并传送复位信号，在接收到上电(通过R14-C5)复位和从主机通过CT2-2口送来的复位脉冲，使本系统复位，并由CT1-2向扫描电路(图4CZ1-2)送一复位脉冲，使之复位。
2)向扫描电路发送扫描脉冲，该信号由CT1-1送出(到图4CZ1-1)，每发送一个脉冲，对容栅段电极的检测前进一位，该信号的频率(如图6)接近1HZ。
3)记录检测数据由本系统的CT1-3、CT1-4、CT1-5分别接收图4中的检测电路振荡信号CZ1-3；压力/液深传感器在线检测信号CZ1-4和温度传感器的输出信号CZ1-5。
4)向主机传送启动脉冲和串行数据信号，输出口为CT2-3和CT2-1。
下面参看图6说明本单片机控制系统的工作过程，图6(1)为触发(扫描)脉冲，每送出一个扫描电路对应接通一段栅电容，同时，检测电路产生一个相应频率的振荡信号，图6(2)表示在触发信号频率的前半个周期内，检测振荡电路的稳定期，图6(3)中划阴影响的区域表示的第三个1/4周期，该时间段为系统打开闸门记录检测振荡信号(或压力、温度信号)的时间，记录的数据大小，表示测试现场的在线状态，图6(4)的脉冲期间，是单片机向主机发送数据的时间。
在复位后，系统发出第一个触发脉冲，在系统内部的七位寄存器中的高三位变为001，等到后四位收到状态信号数据(在图6(3)时期)后，向主机发送七位数据，这样主机收到的信息，既有状态信号也有具体地址信息，当系统发出第二个触发脉冲[如图6(1)]，寄存器自动加1，高三位变为002，而低四位又存放第二个段极电容编号的数据信息，依此类推，本系统还规定，当高三位记到098时，系统打开CT1-4总口，寄存器低四位记入压力/液深传感器的信号，当地址记到099时，系统打开CT1-5后四位又记入温度传感器的振荡信号，当地址码为100时，系统复位，并从CT1-2向扫描电路送一复位脉冲，电路又重新如上动作，以上这种步进式的工作方式为本系统的第一工作模式，其实平时没有必须这么繁琐，在经过二、三个扫描周期后，如果容栅传感器在某段出现大频率起伏波动时，取相邻最大波动值，微处理系统能记忆该段的地址号码，这样就执行第二工作模式向主机只发送简单的污泥/污水、污水/原油界面的地址码和压力/液深，温度数值，而且为延长整个电路系统的寿命，在向主机连续发送五次数据以后，自动关闭全系统，等待主机送来复位信号后，再重新启动以上程序。
本图中CT1是通向图4的插头，CT2是通向主机的出入口，电路D7B(74LS123)是精密单稳态振荡电路，当主机从CT2-2送来复位脉冲信号时，D7B的输出端Q端送出一定宽度的正脉冲，对D1并通过D1发出一正脉冲(窄)触发D7A(74LS123单稳态)将静脉冲扩宽从D7A的Q端输出再经D6(74LS240)的转换，触发D1的iNT1口通过D1的P14和D10A(75174型)、CT1-2输出到扫描电路(CZ1-1)，同时在D1内部的寄存器的高三位加一变为[001]，按图6的时序，系统打开D3(74LS151)的P4口，让检测振荡器的信号进入计数器D8、D9(四位计数器)，D4、D5(74LS374型八D触发器)为预存贮器，在D1的P15、P17的控制下，将D8、D9(74LS393)得到的数据送给D2，然后按图6时序将D2中的数据连同高三位的地址信号通过D1的P13和CT2-1发送到主机。接着进行又一个周期(图6)发送第二个扫描脉冲，直到发送第100个脉冲时，通过D1的P12、P16和D10C及CT1-2对扫描电路D8、D9复位。作为实施例，这里规定在D1控制下，送出第98、99个脉冲时，通过CT2-4、CT2-5分别接收的信号是压力/液深和温度传感器的在线检测信号。
权利要求1.一种贮罐贮液的计量探头，该探头包括栅状电容器、扫描电路、液深传感器、温度传感器及控制电路，其特征在于扫描电路由选通开关电路、扫描控制电路和容频转换检测电路构成，选通开关的各个输入端依次与栅状电容器的各栅极相连，各选通开关的输出端并接后连入容频转换检测电路的输入端，扫描控制电路为由计数电路和驱动门电路构成的段选和片选电路，扫描控制电路的输出接入选通开关电路的控制接口、扫描控制电路的输入端与控制电路的扫描脉冲发送端相连，所述控制电路为一单片机型控制电路，控制电路以微处理器为主构成，接收扫描电路的容频转换频率信号，向扫描电路发送扫描脉冲，向地面主机发送检测信号。
2.根据权利要求1所述的计量探头，其特征在于所述的选通开关电路是由两块以上的16选1模拟开关电路构成，各模拟开关电路的路选控制接口连入扫描控制电路的路选控制输出端，各模拟开关电路的片选控制接口连入扫描控制电路的片选控制端。
3.根据权利要求2所述的计量探头，其特征在于所述的扫描控制电路由两块计数器电路和两块计数器的计数输出口上连接的门电路构成，第一块计数器作为路选控制，其输出分别通过一个与门连入每个模拟开关电路的路选控制接口，其时钟输入端连接控制电路的扫描脉冲输出端，其溢出进位端连第二块计数器的时钟输入端；第二块计数器作为片选控制，其输出分别通过一个或非门连入每个模拟开关电路的片选控制接口；第一块、第二块计数器的复位端与控制电路的复位输出接口相连。
4.根据权利要求1-3任一条所述的计量探头，其特征在于所述的容频转换电路可以和每段栅状电容构成振荡器的无稳态多谐振荡器电路。
5.根据权利要求4所述的计量探头，其特征在于所述的多谐振荡器电路和各选通开关的输出端之间串联有一个由运算放大器和电阻、电容构成的阻抗转换电路。
6.根据权利要求5所述的计量探头，其特征在于所述的控制电路的单片机上连接有可编程外部接口电路，可编程外部接口电路上连接有两个八位D触发器，八位D触发器上连接有四个四位计数器，四个四位计数器的输入端连入容频转换电路的输出端，四个四位计数器的输出通过两个八位D触发器构成的予存贮器送入可编程外部接口电路的接口，并由可编程外部接口电路送入单片机的接口。
7.根据权利要求6所述的计量探头，其特征在于探头的顶部设置有用于立浮的空腔。
专利摘要本实用新型涉及一种能对贮罐贮液等参数进行检测的探头。该探头包括栅状电容器、扫描电路、液深传感器、温度传感器及控制电路,扫描电路由选通开关电路、扫描控制电路和容频转换检测电路构成,选通开关的各个输入端依次与栅状电容器的各栅极相连,各选通开关的输出端并接后连入容频转换检测电路的输入端,扫描控制电路为由计数电路和门电路构成的栅选和片选电路,扫描控制电路的输出接入选通开关电路的控制接口、扫描控制电路的输入端与控制电路的扫描脉冲发送端相连,所述控制电路以一单片机型微处理器为主构成,向地面主机发送包括液(深)位、温度和油/水位、污水/污泥界面等必要的检测信号。
文档编号G01F23/14GK2504607SQ0125261
公开日2002年8月7日 申请日期2001年11月26日 优先权日2001年11月26日
发明者耿连瑞, 王歌玮 申请人:耿连瑞, 王歌玮