双线圈式油水双液位检测新方法*

陆贵荣，倪鹏昊，陈树越

(1.常州大学信息科学与工程学院，江苏常州213164;2.常州市过程感知与互联技术重点实验室，江苏常州213164)

0 引言

液位传感器经常被用来检测液位高度，不同液体间或者固液的界位。这些年来，许多检测油水双液位的技术不断地被研制和投入使用。双液位传感器一般采用双浮球［1］来监测同一罐体2种液体的界位，在浮力与重力的作用下，一个浮球浮在油水界面上，以监测油水界位的变化;另一个浮球则浮在油面上，可以检测油位来防止冒罐或者启动泵来引出原油层。

光纤作为一种用于检测被测介质的物理和化学性质很重要的传感材料，可弯曲光纤油水双液位传感器［2］已经被开发出来了。基于水的电导性，一种新型液位传感器［3］能检测导电液体和绝缘液体之间的界面高度，传感器由许多相同大小的极板构成。其中两块极板导入电流，在其他的极板间测量导电介质的电压变化。另外，放射性源、压力传感器、电阻传感器、超声波传感器和雷达传感器等都用来检测液位［1，4，5］。

电容传感器通过电场来检测被测介质的介电常数，因为无移动部件，成本低，电极板很适合做成各种形状，所以，它被广泛应用于石油、化工、天然气、污水处理、食品加工等行业中的液位检测。为了检测多液位，许多研究人员设计了分段式电容传感器［6］，极板的其中一块被分割成许多相同大小的段。

电涡流传感器利用电涡流效应来感应液位［7～9］和非磁性导电质的含量［10］，当检测器中导电液的液位或溶液的含量发生改变时，线圈的阻抗也相应地变化，而阻抗变化是能够通过精密布置的电桥线路检测出来的。

一般认为，当不止一个变量需要被检测时则需使用2只或多只传感器。不同于一般被采用的技术，复合传感器或多功能传感器在近年里得以发展，用来检测出多个输入信号的变量［11］。

1 结构与原理

基于上述研究的背景下，结合作者前期的研究［12，13］，本文提出了一种能检测单一罐体中油水双液位的新方法。它的检测原理如图1所示，分成电感和电容2种功能模式。首先，电感感应功能用来检测油水界位，再结合电容感应功能计算出油位。为实现提出的测量方法，一个简单的传感器结构被开发出来，2个线圈作为感应部件紧密螺旋缠绕在塑料管上，如图2所示。它由2个线圈螺旋缠绕而成，TB1—1，2 和 TB2—1，2 分别是线圈 1 和线圈2 的首末端，h1，h2和H分别是油水界位(水位)，油位和传感器的高度。假设在一油罐中有水、油和气，电容电感测量功能的端子间连接如图3所示，电容感应等效电路如图4所示。

图1 新方法的检测原理Fig 1 Measurement principle of the proposed approach

图2 传感器的结构Fig 2 Structure of the proposed sensor

由于油和空气不能影响线圈的电感L的变化，而水是导体，当水灌入线圈时，选取适当的线圈中交流电的频率，就会在水中产生电涡流效应。因此，传感器的电感L随油水界位h1(实际上就是水位)的增加而变小。h1和L的方程式(1)如下

油位h2能用已测的电容值和上面求得的油水界位h1计算出来，方程式(2)如下

式中 C空+油=C空+C油=C空+油+水-C水，C水=(C满水/H)·h1，C满水为当传感器充满水时的电容，H为传感器的高度。

2 实验

为了观察该传感器的实际响应，该部分实验是在25℃恒温条件下进行的。在实验中，自来水和煤油被做为样本液体用来检测传感器的性能，电容和电感的检测工具是HP公司生产的4284A LCR表。图5和图6显示了不同条件下的实验结果。

图3 两种感应功能Fig 3 Two sensing functions

图4 电容感应功能的等效电路(C空:空气段的电容，C油:油段的电容，C水:水段的电容，C空+油+水 =C空 +C油 +C水)Fig 4 Equivalent circuit for capacitance sensing function

图5 传感器对自来水的不同水位的电感响应Fig 5 Inductive response of the sensor to different tap water level

图6 不同油水液位条件下的电容实验结果Fig 6 Capacitive experimental result of different levels of oil and water

图5显示了对不同液位的自来水传感器样品作出的反应，随着水面上升，电感减小。虽然自来水数据的响应范围是有限的，但随着水位的上升，电感迅速反应，无疑表明使用该传感器检测水位即油水界面是可行的。

图6表示当油—水界面的实际高度比例为传感器高度H的0%，20%，50%，80%时，由空气和油联合贡献的电容C空+油变化趋势。图6中所有的近似直线是随着不同的油—水界位而不相同的，这是因为在传感器中有不同的水位时，产生电容C空+油的空气层加油层高度的最大值不同，所以在纵轴上的截距相异。尽管所有的曲线是不同的，但是，它们是近似平行的，这意味着所有的曲线有着相同、固定的斜率k，但有不同纵轴的截距b，这取决于传感器油—水界位。在纵轴的截距b值与油—水界位的关系可用图7描述，如果一个随机的油水界位h1是已知的，与h1相关的纵轴的截距b可从图7得到，进一步未知的h2可用方程(3)计算

利用上述测量原理，表1显示了h1，h2的设定值与估算值之间的比较，尽管个别数据的绝对误差达到了1.7 mm，但其相对误差还是比较小的，所以，总体来说这是一个非常满意的结果，可以证明所设计的传感器是可以用来同时检测2个液位。

图7 Y轴截距b与水位的关系Fig 7 Relationship between Y-intercept b vs water level

表1 设定值与估算值之间的比较Tab 1 Comparison between set values and estimated values

3 结论

本文提出了一种新方法同时检测油水界位和油位，为了实现这个目的，开发了一种简单有用的传感器。根据电感和电容的响应，不仅油—水界位能计算出来，同时油位也能得到评价。作为期望的应用，以煤油和自来水样品液体，传感器得到了测试。这种由2个线圈构成但有不同连接方式的传感器结构是合理的，该方法只需单一传感器来检测油—水界位或油位或二者同时检测。

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