专利名称：易挥发变密度介质中的液位测量装置及其方法
技术领域：
本发明涉及介质液位测量技术领域，尤其涉及一种易挥发变密度介质中的液位测量装置及其方法。
背景技术：
液位测量具有广泛的应用性，它的特点是被测对象的多样性石化企业的原油、成品油、液化气的储罐液位，精馏塔反应物料的液位；合成氨的反应器、食品加工业的容器，以及锅炉、水库等均需要液位测量。以炼油厂典型的5000立方米油罐为例，1厘米的油位约为1吨油，因此液位的精确测量对生产厂库存管理及经济运行具有重大的影响，同时液位也是控制领域许多软测量方法赖以进行的基础数据。
液位测量的方法和装置有许多种，常用的有直读法、浮力法、电容法、放射性同位素法、超声波法、微波法、激光法以及静压法，其中应用最广泛的是静压液位测量方法。静压液位测量系统简称HTG系统，HTG具有成本低、量程大、维护方便、自动化程度和测量精度高等一系列优点。HTG历史悠久，相对其他液位测量装置，工程技术人员和操作人员更倾向于首选HTG。随着高精度智能数字式压力传感器的问世，内置微处理器件可以对环境温度变化和系统偏差给予补偿，所以HTG复杂度下降的同时，测量精度和可靠性却得到显著提升，其应用场合更趋广泛。
现有差压液位测量方法和装置在易挥发变密度介质中存在原理性误差。如果受测介质的密度仅与环境温度有关，则智能化数字式压力传感器内置的微处理器可以进行有效的温度补偿；如果受测介质的密度不仅受温度影响，同时与介质的组份有关，则智能化数字式压力传感器无法予以补偿。例如，合成氨厂的氨水，氨的含量不同，氨水的密度不同；石油液化气，炼油厂的原油产地不同、生产工艺变更，或天然液化气的气田不同，其组份各异，导致液化气的密度不同。总之，在易挥发变密度介质中，HTG存在一定的局限性。
另一方面，HTG要求负相导压管的静压力必须保持稳定。目前采用的技术是负相导压管充灌隔离液(硅油)。实际工作中，隔离液存在挥发渗漏，开车时还有可能冲走，即存在维护技术难度和工作量大的不足。其三，受当时技术条件的限制，液位信号大多应用有线传输技术，导致工业现场线路纷杂，系统的可靠性下降等弊端。
发明内容
本发明的目的是提供一种易挥发变密度介质中的液位测量装置及其方法，克服现有HTG的三点缺陷。
易挥发变密度介质中的液位测量装置包括储罐顶端测压点、储罐中间液相取压点、储罐底部测压点、干隔离管、微功耗无线传输单元、第一差压计、第二差压计、PTC加热单元、温度传感器；顶端测压点与干隔离管、PTC加热单元、温度传感器、第二差压计、储罐底部测压点相接，储罐中间液相取压点与第一差压计、微功耗无线传输单元、PTC加热单元相接，微功耗无线传输单元与第二差压计相接。
所述的微功耗无线传输单元的电路为射频芯片的引脚1与第3电阻一端、第1金属电阻一端经第6电容与第18电容一端、第1天线相接，射频芯片的引脚2与第3电阻的另一端、第2金属电阻的一端经第7电容与第18电容另一端、第1天线相连；射频芯片的引脚5与第3金属电阻的一端、第2天线相接，射频芯片的引脚6与第4金属电阻的一端、第2天线相接；射频芯片的引脚3、4、7分别接地，射频芯片的引脚22、30、32分别经第4、第3、第8电容接地；射频芯片的引脚23、31相连电源，经第5电容接地；射频芯片的引脚26、27接晶振两端后经第2电容接地；单片机的引脚1、12、13、14、15、16、17、28、29、30分别与射频芯片的引脚12、20、19、18、17、16、15、13、11、10相连。
易挥发变密度介质中的液位测量方法包括如下步骤1)采用正压侧相通的两台同型号差压计，与所测介质储罐的底部液相取压点相连，底部液相取压点位于储罐排污口的上方，第一差压计的负压侧连接固定的中间液相取压点，即为有效液位测量范围下限，获取固定液位值对应的差压值，第二差压计的负压侧与储罐的顶部固定取压点相连，获取实时液位对应的差压值；2)干隔离管位于第二差压计负压侧与介质储罐的顶部固定取压点，干隔离管外敷PTC加热单元和温度传感器，实现稳定第二差压计负压侧的静压；3)两差压计的差压信号、温度传感器的温度信号进入单片机由A/D转换模块进行处理；单片机通过D/A转换器输出温控信号经电源开关控制PTC加热元件，维持干隔离管温度的稳定；通过第一差压计的差压信号获取易挥发变密度介质的实时密度值，再结合第二差压计的差压信号获取易挥发变密度介质的实时液位值，经单片机将处理后得到的液位值通过射频芯片传输显示。
石油液化气、液氨和氨水等介质的密度随环境温度和自身组份的变化而改变，采用普通差压法测量液位的精度无法保证，提出双差压计测量方法，消除了被测介质密度变化引起的液位测量误差；被测介质在差压计的负相导压管内存在气态和液态两种可能，导致差压计负相导压管静压的不确定性，提出干隔离管方法，消除了负相导压管静压不确定性所引起的测量误差；微功耗无线传输单元采用锂电池供电，遵循ZigBee(IEEE82.15.4)协议与管理机通信，无线传输单元同时实现差压信号和干隔离管温度的采集处理以及干隔离管外敷PTC加热元件的控制。电池供电和无线通信使液位测量装置的布线工作量大大降低，同时提高了装置的可靠性。
下面结合附图对本发明做进一步的说明图1是在易挥发变密度介质中的液位测量装置图；图中储罐顶端测压点1、储罐中间液相取压点2、储罐底部测压点3、干隔离管4、微功耗无线传输单元5、第一差压计6、第二差压计7、PTC加热单元8、温度传感器9，Bd表示密度测量差压计、Bh表示液位测量差压计、TCU表示无线传输温控单元、H表示实际液位值、DH表示有效液位测量范围、Hd表示固定液位测量范围；图2是本发明的微功耗无线传输单元的电路图。
具体实施例方式
如图1所示，易挥发变密度介质中的液位测量装置包括储罐顶端测压点1、储罐中间液相取压点2、储罐底部测压点3、干隔离管4、微功耗无线传输单元5、第一差压计6、第二差压计7、PTC加热单元8、温度传感器9；顶端测压点与干隔离管、PTC加热单元、温度传感器、第二差压计、储罐底部测压点相接，储罐中间液相取压点与第一差压计、微功耗无线传输单元、PTC加热单元相接，微功耗无线传输单元与第二差压计相接。
第一差压计6负压侧连接固定的中间液相取压点(有效液位测量范围下限)，其正压侧与第二差压计7的正压侧相通，连接到靠近球罐底部的液相取压点，位置在排污口上方，以保证取压信号的准确有效。第一差压计的安装位置一般应低于下部液相取压点。
双差压计液位测量方法的工程实现步骤(1)确定恒定液位值测量范围DH。一般情况下，有效液位测量的下限值Hmin不等于零。由此确定有效液位测量范围为
下限Hmin＞0上限Hmax＝Hmin+DH(2)确定恒定液位值Hd，用以测量密度变化。原理上分析，Hd的设置可以自由选取，但工程实践有许多条件限制。首先应有Hd小于或等于Hmin，否则，当液位接近Hmin时，测量密度第一差压计已失去了恒定液位的条件，从而引起严重的失真。其次，Hd数值选择的过小，测量灵敏度会受到影响。再则，设备容器的结构决定了可能的测压点开孔区域，并非任意位置都允许开孔取压。因此，恒定液位测量间距Hd的确定要考虑多方面的因素。建议在满足Hd小于或等于Hmin的条件下，选择较大的Hd，以利于改善测量灵敏度。
(3)差压计最大量程(满度值)的确定。
密度测量差压计的量程为ΔPdmax＝Hd·ρmax·g液位测量差压计的量程为H=Hd·ΔPhΔPd]]>(4)求取实际液位令储罐介质的实时密度为ρ，则密度第一差压计的压差为ΔPd＝ρHdg液位第二差压计的压差为ΔPd＝ρHg所以ΔPhΔPd=ρHgρHdg=HHd]]>即H=Hd·ΔPhΔPd]]>因此，受温度和介质组份影响的介质密度变化不会对测量液位造成误差。
如图2所示，微功耗无线传输单元的电路为射频芯片的引脚1与第3电阻R3一端、第1金属电阻W101一端经第6电容C6与第18电容C18一端、第1天线ANT101相接，射频芯片的引脚2与第3电阻R3的另一端、第2金属电阻W102的一端经第7电容C7与第18电容C18另一端、第1天线W101相连；射频芯片的引脚5与第3金属电阻W103的一端、第2天线ANT102相接，射频芯片的引脚6与第4金属电阻W104的一端、第2天线ANT102相接；射频芯片的引脚3、4、7分别接地，射频芯片的引脚22、30、32分别经第4电容C4、第3电容C3、第8电容C8接地；射频芯片的引脚23、31相连电源，经第5电容C5接地；射频芯片的引脚26、27接晶振两端后经第2电容C2接地；单片机的引脚1、12、13、14、15、16、17、28、29、30分别与射频芯片的引脚12、20、19、1 8、17、16、1 5、13、11、10相连。
本发明配置两台同型号差压计，两台差压计的正压侧相通，与所测介质储罐的底部液相取压点相连，底部液相取压点位于储罐排污口的上方；第一差压计6的负压侧连接固定的中间液相取压点(有效液位测量范围下限)，获取易挥发变密度介质的实时密度值；第二差压计7的负压侧与储罐的顶部固定取压点相连，获取易挥发变密度介质的实时液位值。HTG要求负相导压管内的静压力保持恒定，充灌隔离液的方法可以满足这一要求，但隔离液存在挥发渗漏现象，开车时还有可能冲走；而不充灌隔离液，负相导压管内的受测介质既可能挥发又可能冷凝，引起负相导压管内的静压力不确定，并最终导致液位测量的误差。为此，采用干隔离管解决方案。干隔离管4位于第二差压计7负压侧与介质储罐的顶部固定取压点。干隔离管4外敷PTC加热单元8和温度传感器9，使第二差压计7的负压侧导压管无法形成冷凝液而保持干管，实现稳定第二差压计7负压侧的静压。液位信号的传输，以及干隔离管温度信号的采集和控制，引进无线通信领域的最新成果ZigBee(IEEE802.15.4)，无线传输单元同时实现对干隔离管4外敷PTC加热元件8的控制。微功耗无线传输单元5由Freescale公司的MC9S08GT60单片机、射频芯片MC13192、在线程序调试BDM接口、双极型天线以及一些外围电路组成，其中MC9S08GT60单片机和射频芯片MC13192之间通过SPI串口通信。工作时上电，其余时段休眠状态，工作电流典型值为发射状态30uA，接收状态37uA，休眠状态1uA。差压信号、温度信号进入单片机由A/D转换模块进行处理；同时单片机通过D/A转换器输出温控信号经电源开关控制PTC加热元件。
易挥发变密度介质中的液位测量方法包括如下步骤1)采用正压侧相通的两台同型号差压计，与所测介质储罐的底部液相取压点相连，底部液相取压点位于储罐排污口的上方，第一差压计6的负压侧连接固定的中间液相取压点，即为有效液位测量范围下限，获取固定液位值对应的差压值，第二差压计7的负压侧与储罐的顶部固定取压点相连，获取实时液位对应的差压值；2)干隔离管4位于第二差压计7负压侧与介质储罐的顶部固定取压点，干隔离管4外敷PTC加热单元8和温度传感器9，实现稳定第二差压计7负压侧的静压；3)两差压计的差压信号、温度传感器9的温度信号进入单片机由A/D转换模块进行处理；单片机通过D/A转换器输出温控信号经电源开关控制PTC加热元件，维持干隔离管温度的稳定；通过第一差压计6的差压信号获取易挥发变密度介质的实时密度值，再结合第二差压计7的差压信号获取易挥发变密度介质的实时液位值，经单片机将处理后得到的液位值通过射频芯片传输显示。
权利要求
1.一种易挥发变密度介质中的液位测量装置，其特征在于，它包括储罐顶端测压点(1)、储罐中间液相取压点(2)、储罐底部测压点(3)、干隔离管(4)、微功耗无线传输单元(5)、第一差压计(6)、第二差压计(7)、PTC加热单元(8)、温度传感器(9)；顶端测压点与干隔离管、PTC加热单元、温度传感器、第二差压计、储罐底部测压点相接，储罐中间液相取压点与第一差压计、微功耗无线传输单元、PTC加热单元相接，微功耗无线传输单元与第二差压计相接。
2.根据权利要求1所述的一种易挥发变密度介质中的液位测量装置，其特征在于，所述的微功耗无线传输单元的电路为射频芯片的引脚1与第3电阻(R3)一端、第1金属电阻(W101)一端经第6电容(C6)与第18电容(C18)一端、第1天线(ANT101)相接，射频芯片的引脚2与第3电阻(R3)的另一端、第2金属电阻(W102)的一端经第7电容(C7)与第18电容(C18)另一端、第1天线(W101)相连；射频芯片的引脚5与第3金属电阻(W103)的一端、第2天线(ANT102)相接，射频芯片的引脚6与第4金属电阻(W104)的一端、第2天线(ANT102)相接；射频芯片的引脚3、4、7分别接地，射频芯片的引脚22、30、32分别经第4、第3、第8电容(C4、C3、C8)接地；射频芯片的引脚23、31相连电源，经第5电容(C5)接地；射频芯片的引脚26、27接晶振两端后经第2电容(C2)接地；单片机的引脚1、12、13、14、15、16、17、28、29、30分别与射频芯片的引脚12、20、19、18、17、16、15、13、11、10相连。
3.一种使用如权利要求1所述装置的易挥发变密度介质中的液位测量方法，其特征在于，它包括如下步骤1)采用正压侧相通的两台同型号差压计，与所测介质储罐的底部液相取压点相连，底部液相取压点位于储罐排污口的上方，第一差压计(6)的负压侧连接固定的中间液相取压点，即为有效液位测量范围下限，获取固定液位值对应的差压值，第二差压计(7)的负压侧与储罐的顶部固定取压点相连，获取实时液位对应的差压值；2)干隔离管(4)位于第二差压计(7)负压侧与介质储罐的顶部固定取压点，干隔离管(4)外敷PTC加热单元(8)和温度传感器(9)，实现稳定第二差压计(7)负压侧的静压；3)两差压计的差压信号、温度传感器(9)的温度信号进入单片机由A/D转换模块进行处理；单片机通过D/A转换器输出温控信号经电源开关控制PTC加1热元件，维持干隔离管温度的稳定；通过第一差压计(6)的差压信号获取易挥发变密度介质的实时密度值，再结合第二差压计(7)的差压信号获取易挥发变密度介质的实时液位值，经单片机将处理后得到的液位值通过射频芯片传输显示。
全文摘要
本发明公开一种易挥发变密度介质中的液位测量装置和方法。该液位测量装置包括储罐顶端测压点、储罐中间液相取压点、储罐底部测压点、干隔离管、微功耗无线传输单元、第一差压计、第二差压计、PTC加热单元、温度传感器。本发明提出双差压计测量方法，消除了被测介质密度变化引起的液位测量误差；提出干隔离管方法，消除了负相导压管静压不确定性所引起的测量误差；微功耗无线传输单元采用锂电池供电，遵循ZigBee(IEEE82.15.4)协议与管理机通信，无线传输单元同时实现差压信号和干隔离管温度的采集处理以及干隔离管外敷PTC加热元件的控制。电池供电和微功耗无线传输单元使液位测量装置的布线工作量大大降低，同时提高了装置的可靠性。
文档编号G08C17/00GK1971220SQ20061015495
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年11月30日
发明者安庆敏, 仲玉芳, 吴明光 申请人:浙江大学