投入式液位計在立式罐底量增量測量中的應用

 
立式金屬罐是國內間石油化工產品貿易結算的主要計量器具之一，也是我國國內貿易結算的重要計量器具，對其容量的準確計量，直接關系到我國對內、對外貿易的經濟利益。而要準確地計量立式罐容量，給出液位H 與相應的容量V（H）之間的關系，必須涉及到罐底量增量的測量與計算問題。本文針對于這個常見測量需求提出一個新的思路，就是通過投入式液位計進行相應液位的測量。

1.1 立式罐底量的形成立式金屬罐一般都是在現場焊接安裝，底板直接鋪在油罐基礎上。底板受到罐內油料壓力和罐基礎支撐力，所受合力為零。油罐基礎是油罐殼體本身和所儲油品重量的直接承載物，并將這些載荷傳遞給地基土壤。油罐裝油后，基礎將發生下沉，隨地基土壤空隙的不同，基礎沉陷量也不同，嚴重時沉陷量可達數10cm，甚至更多。立式罐罐底呈不規則形狀，罐底量指罐底高點平面以下的罐底容量，
 
如圖1 陰影部分所示。
 
圖1 罐底量及相對液位測量點分布圖
 
1.2 立式罐底量測量的基本方法現有的測量方法有容量比較法和幾何測量法。
1.2.1 容量比較法容量比較法是將水或石油產品從標準罐注入到被檢定罐內，直至液體將罐底高突起部分恰好浸沒為止，這時罐底的底量就等于從標準罐中注入被檢定罐中的液體之體積。
1.2.2 幾何測量法根據立式金屬罐容量試行檢定規程，把圓錐體底圓分成M 個同心圓，根據所分圓環面積相等條件決定半徑。圓錐體分為一個小圓錐和多個圓臺。在每個圓心圓周測N 個點，即測N 個點到罐底中心的高度。底量測量原理見圖2。


罐底不規則圓錐體體積見式（1）。

式中：K=M · N；R 為罐底的半徑；H0 為罐底中心高度；HI 為圓周（I）上測點高度；HM-1 為圓周（M-1） 上測點高度。M 和N 由精度確定。通常取M=N=8，則此時底部變形量為：


在容量比較法中標準罐本身就存在誤差，而幾何測量法是在空罐的情況下測量的，裝液后罐底量一定會有不同程度的沉降，所以要對其作進一步的修正。這就要求能在線測量罐底量隨液位高度增加引起的變化。為此，本文提出了一種新的實時測量方法：投入式液位計法。

2.1 測量方案及系統硬件構成測量系統構成如圖3 所示。

將投入式液位計逐一安放于各測量點、罐底中心點、下計量基準點和參照點上（如圖1 和圖2），這樣各點的液位高度被投入式液位計轉換成4~20mA電流信號，經模擬量測量模塊轉換成RS-485 電平后，再通過RS-485 總線實時傳入計算機，并根據JJG168-2002 檢定規程中給出的立式罐底量計算公式算出不同液位修正量，形成底量增量的修正表，與原有的罐容表形成完整的罐容表，從而建立了新的立式罐計量檢定系統。

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2.2 投入式液位計工作原理
2.2.1 工作原理投入式液位計由壓力傳感器、信號放大器及轉換電路組合成一體，可直接投入罐底。其中傳感器采用硅膜片傳感器，利用硅半導體壓力敏感元件作為檢測元件。置于流體中的壓力敏感元件，受正比于液體深度的壓力的作用，利用硅材料的壓阻效應，將有電信號輸出。此信號經過放大轉換后即可把液位高度轉換成4~20mA 的標準電流信號，這一信號可通過電纜遠傳至計算機或遠程監控站。其中變送器采用導氣電纜將大氣壓力引入敏感元件背壓一側，導氣電纜的通氣孔中繼箱與大氣相通，從而抵消了外界大氣壓力變化產生的影響，保證了測量精度。例如：設投入到液體中的變送器膜片受到液體壓力為P，大氣壓力為P0，液體比重為T，液位深為H，則P=P0+TH。由于用導氣電纜引入大氣壓力從而抵消了大氣壓力的影響，所以P=TH。若被測液體比重一定，則液體壓力P 與液位深度成正比關系，則測得液體壓力P 就能知道液體的深度。
2.2.2 采用中空透氣電纜進行大氣補償的原理由投入式液位計測量原理圖可知，加在敏感元件上的壓力為P=P0+ H。如果敏感元件完全密封在殼體里，內部一點氣也不透的話，大氣的變動對于敏感元件來說，就相當于水深變化—樣。例如，當被測量的水深為5m 時（比重=1），大氣壓強變動10mmbar，則造成的測量誤差為：10mmbar=1.01972×102mmH2O，5m=5000mmH2O，誤差為：101.97/5000≈2%。由此可見，大氣變動對液位測量造成的誤差是相當大的。為了解決這一問題，在保證液位計密封性能的前提下，加裝帶有透氣管的屏蔽電線，可從根本上解決大氣變動給投入式液位計帶來的測量誤差問題。
2.2.3 投入式液位計的優點
（1）能實時測量罐底各點液位，并傳入電腦形成底量增量容積表。
（2）經濟實用、性能可靠、安裝方便，而且完全可以達到油罐測量精度。
（3）密封性好，測量元件不與介質直接接觸，這樣就避免了介質對元件的腐蝕，故可測量各種油品。
（4）采用中空透氣電纜進行大氣補償，有效抵消了大氣壓力影響造成的誤差。

2.3 模擬量測量模塊EDA9017模擬量測量模塊EDA9017 能測量投入式液位計輸出的4~20mA 電流信號。輸出為RS-485 電平，可用雙絞線遠傳至計算機進行進一步的數據處理。其指令集為ASCⅡ碼或16 進制，方便計算機編程。EDA9017 采集現場的數據通過RS-485 總線傳入計算機，由于距離較近，速度要求不高，所以計算機可與EDA9017 通過串行口COM1 進行通訊。由于EDA9017 輸出的是RS-485 電平，而一般的計算機串行口兼容是RS-232 電平，所以要用RS-232/RS-485 轉換器進行電平轉換。RS-232/RS-485 轉換器采用EDA485G，它是雙向的轉換器，既可把RS-485 電平轉換成RS-232 電平，又可把RS-232 電平轉換成RS-485 電平。

2.4 系統軟件設計系統軟件采用VB6.0 開發，可運行于Windows98、Windows XP 平臺。PC 機作為上位機處于主動狀態，通過編程完成各種功能，如讀寫配置、數據采集、保存及處理等功能。而下位機EDA9017 主要完成數據上傳功能。EDA9017 的通訊協議遵循ASCⅡ碼協議格式，與上位計通信之前必須進行初始化，用軟件對其進行模塊地址和波特率的配置。本文提出的投入式液位計法在不破壞立式罐底量計量特性的前提下實現了在線實時測量，有助于提高立式罐底量測量的準確度，對于罐底量增量是一種經濟適用的測量方法。

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