液位測(cè)量在工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用極為廣闊，準(zhǔn)確的液位測(cè)量是生產(chǎn)過(guò)程控制的重要手段，在石油工業(yè)的罐類(lèi)檢測(cè)中更是如此。目前常用的儲(chǔ)罐液位測(cè)量主要采用人工檢尺法、機(jī)械法和靜壓法。

原油儲(chǔ)油罐的內(nèi)部的液位工況十分復(fù)雜，原油的物理特性不僅隨產(chǎn)地變化，而且和氣候也有極大的關(guān)系；同時(shí)，罐內(nèi)的壓力變化，彌漫的水蒸氣、各種油基類(lèi)揮發(fā)氣體也對(duì)液位測(cè)量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響。針對(duì)這一特殊的環(huán)境，許多針對(duì)罐內(nèi)原油液位測(cè)量的專(zhuān)業(yè)儀表不斷涌現(xiàn)，但多數(shù)都存在價(jià)格昂貴，安裝施工復(fù)雜，有介質(zhì)條件限制或者運(yùn)行維護(hù)強(qiáng)度高的缺點(diǎn)。一般的液位測(cè)量方法，如直接用于油罐內(nèi)液位測(cè)量，一般都存在測(cè)量精度的問(wèn)題，以超聲波為例，超聲方法簡(jiǎn)單而且價(jià)格較低，探頭可不直接與介質(zhì)接觸，但是其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，就是容易受粉塵，煙氣等環(huán)境干擾。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出有效的改良方案，使用超聲波液位計(jì)測(cè)量罐內(nèi)液位，使測(cè)量的成本和精度得到很好的兼顧。

 

 

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，有較好的方向性，波速與普通聲波相同，且具有傳播過(guò)程中能量損失較少，遇到分界面時(shí)能形成反射的特性，故可用回波測(cè)距的原理來(lái)間接測(cè)量液位，其基

本原理如圖1 所示。E 通常被稱(chēng)作空高，設(shè)超聲波的空氣中波速為V，發(fā)射時(shí)刻T0，收到回波時(shí)刻為T(mén)1，則液位H 可表示為：

由上可見(jiàn)超聲波液位的測(cè)量還是基于時(shí)差法，稍有不同的是測(cè)得距離需要和空高E 做差才能得到所需的液位信號(hào)H。

 

1.2 超聲波測(cè)量液位中的衰減

超聲在介質(zhì)中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為超聲波的衰減。噪聲衰減的因素主要有兩類(lèi)。一類(lèi)是聲束本身擴(kuò)散，使單位面積上的能量下降，或反射，散射的結(jié)果，使能量不能再沿著原來(lái)的方向傳播。在這一類(lèi)事件中，聲波的總能量并沒(méi)有減少。另一類(lèi)是，超聲傳播中，由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)換成為熱能，因而使聲能減小。后一類(lèi)的機(jī)理比較復(fù)雜，主要有粘滯吸收；弛豫吸收、相對(duì)運(yùn)動(dòng)吸收及空化氣泡吸收。對(duì)于給定的頻率的超聲波，其強(qiáng)度和壓強(qiáng)幅度都隨著距離的增大而按指數(shù)規(guī)律下降，可表示為：

衰減系數(shù)在很大程度上依賴(lài)于頻率。從上述的公式也容易解釋超聲波在遠(yuǎn)距離測(cè)距時(shí)選用高頻探頭的原因。原油油罐內(nèi)的液面并不十分平靜，有時(shí)還伴有煙氣，此時(shí)的超聲波衰減更大，因此一定的聲強(qiáng)是罐內(nèi)液位準(zhǔn)確測(cè)量的前提。

 

1.3 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

確定了總體方案后，以盤(pán)錦油田某小型采油站為試點(diǎn)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了構(gòu)建?；鞠到y(tǒng)如圖 2 所示:

 

考慮到原油中存在相當(dāng)數(shù)量的可燃?xì)怏w（如甲烷和各種揮發(fā)類(lèi)物質(zhì)），選用了本安型一體化防爆型超聲波液位計(jì)，輸出帶有模擬量和RS485 串行信號(hào)。由于油罐距離采油站辦公室較

遠(yuǎn)，實(shí)測(cè)400m，檢測(cè)的液位信號(hào)與上位機(jī)通訊采用了無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，載頻433MHz，該頻點(diǎn)無(wú)需申請(qǐng)，由于無(wú)線模塊內(nèi)部采用專(zhuān)業(yè)的射頻芯片，并融入了鎖相環(huán)技術(shù)，靈敏度極高，空曠地帶理論傳輸距離可達(dá)1.2km，并且協(xié)議透明，無(wú)需二次編程，只需簡(jiǎn)單的設(shè)置即可投入運(yùn)行。計(jì)算機(jī)終端使用VB 自編的監(jiān)測(cè)、管理軟件,承擔(dān)著油罐群的液位巡檢、記錄顯示、管理和打印任務(wù)。

 

    2.1 干擾因素

實(shí)際的小型原油儲(chǔ)油罐的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖3 所示，多為圓形臥罐，除了罐體內(nèi)的底部有高低錯(cuò)綜復(fù)雜的盤(pán)管（輸油管，加熱管）外，為了保證罐體具備足夠的強(qiáng)度，罐體內(nèi)部還有許多加強(qiáng)用的拉筋（簡(jiǎn)圖中未標(biāo)出）。

 

 

如果利用傳統(tǒng)的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在誤差，這些測(cè)量誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面:

(1) 由于超聲波是散射波，超聲波探頭具有一定的波束角，那么在較低液位時(shí)，液面面積變小，露出油面的盤(pán)管和拉筋對(duì)超聲波具有很強(qiáng)的回波反射，這樣液位計(jì)的輸出的液位信號(hào)就失去了實(shí)際的意義。

（2）在實(shí)地考察中還發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)在抽油時(shí)，需對(duì)原油進(jìn)行加熱以降低其粘度，從而獲得良好的流動(dòng)性，降低抽油阻力。因此油罐內(nèi)的水蒸氣地成為不可小視的干擾源，當(dāng)水蒸氣聚集在超聲波探頭下方時(shí)，液位計(jì)的輸出經(jīng)常會(huì)有“虛高”現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)罐內(nèi)的沸點(diǎn)較低的揮發(fā)類(lèi)物質(zhì)，由于加熱而形成的煙氣也會(huì)對(duì)液位檢測(cè)產(chǎn)生明顯的干擾。

下表為加裝探頭后，某日連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)采集的對(duì)比數(shù)據(jù)，單位為米：

備注：*1：由盤(pán)管及拉筋造成的回波干擾。*2：由煙氣造成的虛高。

 

2.2 抗干擾措施

經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，特實(shí)踐了如下改進(jìn)措施：

（1）測(cè)量中采用導(dǎo)波管。導(dǎo)波管是一剛性的、內(nèi)壁十分光滑的圓筒，理論上其內(nèi)徑大于超聲波換能器直徑即可。導(dǎo)波管的長(zhǎng)度接近油罐的直徑，上端焊裝在與油罐冒口相配的法蘭上，

靠近端部，在換能器的上側(cè)開(kāi)有8 個(gè)呼氣導(dǎo)壓微孔，下端插入盤(pán)管的縫隙,并沒(méi)入*低液位以下5-10cm。導(dǎo)波管的運(yùn)用，使得超聲波只能在管內(nèi)傳播和反射，大大降低了無(wú)用回波的干擾，同時(shí)由于導(dǎo)波管相???封閉，也在一定程度上杜絕了水蒸氣的給液位計(jì)造成的“虛高”干擾。加裝導(dǎo)波管的油罐如圖5 所示：

實(shí)際測(cè)量中為了解決原油在導(dǎo)波管內(nèi)的掛壁問(wèn)題，也可采用雙導(dǎo)波管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是在大導(dǎo)波管內(nèi)裝入一較細(xì)、較短的同軸導(dǎo)波管，兩管的上端平齊，小導(dǎo)波管的長(zhǎng)度很短，另一端不

沒(méi)入原油液面，并在雙管夾層中固定填充一些石棉，用于吸收雜波。

（2）在保證低液面測(cè)量靈敏度的基礎(chǔ)上，大幅度降低換能器的功率，同時(shí)降低接收靈敏度，使干擾回波的強(qiáng)度比換能器可識(shí)別的閾值低很多，這樣被液位計(jì)識(shí)別的回波就只能是有用回波，即液面回波。

（3）在加裝的導(dǎo)波內(nèi)放置圓形隔離浮板，浮板的厚度適中，直徑略小與導(dǎo)波管內(nèi)徑。加隔離浮板的目的在于增強(qiáng)有效回波反射，同時(shí)有效消除液面泡沫的吸收干擾。

 

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)際跟蹤調(diào)試，證明所設(shè)計(jì)的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)是可行的，部分薄弱的環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)改善后，出現(xiàn)的大部分干擾被成功抑制，對(duì)露天油罐群的檢測(cè)可以長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)對(duì)原油罐內(nèi)復(fù)雜工況的液位測(cè)量做到了成本與精度的兼顧, 具有廣闊的應(yīng)用前景。