干簧电阻链液位传感器在海上石油平台的应用研究

刘桥林

(中海石油有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

海洋石油开发对国民经济发展具有战略意义，随着中国海洋石油勘探开发技术的不断提高，国内至今已建立上百座海洋石油开采平台。由于海洋石油开采平台建设投资巨大、生产环境恶劣，是一个存在较多危险的狭窄场所，因此对于设备设施的安全性、稳定性和可靠性要求较高。

目前海上石油平台的液位测量多数采用基于磁致伸缩原理的液位传感器，但该传感器易受海上平台振动及周边电磁的干扰而导致信号跳变，引起控制系统工作不正常，影响了平台的正常生产运行。

本文介绍了一种新型的液位传感器——干簧电阻链传感器，利用磁性浮球原理，通过浮球磁场的变化使液位传感器中的干簧管元件吸合，在不同的液位高度输出对应的电阻值信号，再通过变送器将电阻值信号转换为4～20 mA信号。由于电阻值信号是一种非常稳定的信号源，不易受到现场温度、振动和电磁不稳定因素的影响，不会产生信号跳变现象。干簧电阻链传感器针对海上石油平台高温、高湿、高盐的应用环境进行了防护改进和参数匹配，经过现役海上平台液位测量系统改造案例中的实际应用，验证了干簧电阻链传感器的稳定性，显示数值与实际液位高度偏差小，重复性好、反应速率快，在应用期间未出现任何故障。

1 新型传感器的环境适用性要求

液位测量系统作为海上石油平台重要的计量设备，为保证能持续正常工作，液位传感器也需适用于海上恶劣的环境。

1)抗高低温、高盐雾措施。海上石油平台冬天时表面温度低至-25 ℃，夏天温度高至60 ℃，昼夜温差较大，又是高湿、高盐雾环境，因此液位传感器应用于海上石油平台必须采取相应的防护措施。在设计电路时，选用的电子元器件需完全覆盖海上平台的温度工况范围，保证在高温或低温工况下能长期稳定运行。液位传感器外壳采用不锈钢316 L材质，以保证在海上平台高盐雾环境下能长期使用。

2)抗振动措施。由于海上石油平台有大量的旋转设备在运行，同时也存在大量的吊装作业，不可避免地使得液位传感器工作在强振动环境下。为了提高抗振动性能，电路板安装时采用了抗振动结构，并有效地加固了显示器。这样即使有较大的机械振动，液位测量系统也能正常、稳定地工作。

3)抗电磁干扰措施。由于海上石油平台有大量的电机、压缩机等大功率设备，且空间狭小，设备间距非常近，不可避免地会出现较强的电磁干扰，对液位传感器的工作产生影响，造成输出信号的跳变。因此，液位传感器需要进行系统的EMC测试，使其具备在强电磁干扰环境下工作的能力，确保在海上平台的恶劣工况条件下能长期稳定地运行。

2 海上石油平台液位传感器受温度和磁场的影响分析

2.1 液位传感器工作原理

2.1.1 干簧电阻链传感器

干簧管也称舌簧管或磁簧开关，是一种磁敏的特殊开关，是干簧电阻链传感器的主要部件。干簧管由2片磁性簧片构成，无磁场时2片磁性簧片金属触点断开，有磁场时2片磁性簧片金属触点导通。簧片触点被封装在充有惰性气体(如氮、氦等)的玻璃管里，玻璃管内平行封装的簧片端部重叠。磁场接近干簧管，干簧管2个节点就会吸合在一起，使电路导通；磁场远离干簧管，2个节点就会释放，使电路断开；为保证传感器可靠性，干簧管的动作寿命次数需达到107。

根据浮力原理，干簧电阻链传感器采用三线分压器原理对液位进行测量及信号变送。

浮球内磁钢的磁力线穿过导管，感应导管内干簧管动作，由此产生的电压与液位成正比例关系；干簧管与电阻链排列非常紧密，从而传感器电压近似连续变化，等效电路如图1所示。

在传感器的总电阻两端(端子1与端子3)加载1个额定基准电压Ue，根据串联电阻的分压原理，则传感器端子2与端子3之间的取样电压由式(1)得到：

(1)

式中：R13——端子1与端子3之间的电阻，为传感器总电阻；R23——端子2与端子3之间的电阻，为传感器取样电阻。

图1 三线分压传感器等效电路示意

2.1.2 磁致伸缩传感器

脉冲驱动器在磁致伸缩线两端施加1个查询脉冲信号，该脉冲信号在磁致伸缩线周围形成环形磁场；该环形磁场与浮球磁环的偏置磁场发生耦合作用，在磁致伸缩线的表面形成扭转应力波，扭转应力波由产生点向磁致伸缩线的两端传播；传向激励端的信号被压电晶体接收，电气盒中的变送模块计算出查询脉冲与接收信号间的时间差，再乘以扭转应力波在波导材料中的传播速度，即可计算出扭转应力波发生位置与测量基准点间的距离。

2.2 温度对液位传感器的影响对比

2.2.1 干簧电阻链传感器

由于每个电阻值随温度的变化值可以看作近似一致，当温度变化时使得每个电阻值增加a%，则取样电压为

(2)

由式(2)可知，在电阻发生温漂的情况下，U23始终保持基本不变。

因此，只要电阻满足耐温要求，不论是什么温度的三线分压电路都会自动平衡温度因素带来的测量误差。

2.2.2 磁致伸缩传感器

传感器量程计算公式：

L=vT

(3)

式中：L——传感器量程；v——扭转应力波在波导材料中的传播速度，约2.83 km/s；T——发送脉冲与接收信号间的时间差。

扭转应力波在波导材料中的传播速度会随温度的变化而变化，当温度变化Δt℃时，使得扭转应力波的传播速度变化Δv。由于液位计的量程L值是固定不变的，在同样的距离情况下，若速度值降低了，传播的时间将会延长，因此将影响到测量精度；而且传感器的导管里不便于安装温度补偿元器件，所以传感器带来的温漂很难通过硬件或软件来避免。把Δv代入式(3)得到式(4)：

L=(v+Δv)T

(4)

综上所述，两种测量方案由于工作原理的特性，干簧电阻链传感器测量精度受温度的影响小于磁致伸缩传感器的影响。

2.3 电磁对液位传感器的影响对比

2.3.1 电磁干扰的传输方式

任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径(或传输通道)。通常认为电磁干扰传输有两种方式： 一种是传导传输方式；另一种是辐射传输方式。

1)传导传输方式必须在干扰源和传感器之间有完整的电路连接，干扰信号沿着该连接电路传递到传感器，发生干扰现象。传输电路包括导线、设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。

2)辐射传输方式通过介质以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合有三种：

a)甲天线发射的电磁波被乙天线意外接收，称为天线对天线耦合。

b)空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合。

c)2根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线的感应耦合。

2.3.2 对 比

在实际工程中，2台设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在，反复交叉耦合，共同产生干扰，才使电磁干扰变得难以控制。

1)干簧电阻链传感器核心元器件单一、测量原理简单，传感器的主要元器件是干簧管和电阻，不含储能元器件，大幅度地降低了传导耦合方式的电磁干扰，基本不存在受辐射耦合电磁干扰的途径。

2)磁致伸缩传感器内部电路含有电磁波发射器、扭力波接受器等储能原件，并且传感器的电源组件电路中包含有电容、线圈、半导体器件等，这些元器件均容易受外部磁场的传导耦合和辐射耦合干扰。磁致伸缩传感器电磁波的传播线(镍合金导线)平行于导向管，在外部高频辐射信号感应下，导管表面存在大量高频杂波，使返回的扭转应力波信号波形失真，信噪比明显降低，最终导致输出信号与实际液位产生误差。磁致伸缩传感器对电源、磁场的稳定性要求特别高，而海洋石油平台上恶劣的电磁环境、强烈的振动及温度变化综合在一起引起的干扰使得磁致伸缩易产生错误信号。

综上所述，在两种测量方案中，干簧电阻链传感器的抗干扰能力更强，更适合在海洋平台恶劣的电磁环境中稳定使用。

3 干簧电阻链传感器测量系统方案设计

干簧电阻链传感器在海上平台液位测量中，较为普遍的是干簧电阻链传感器与磁翻柱液位计相结合的方案。

该方案磁翻柱液位计采用连通器原理使液体等高引入测量筒内，测量筒内飘浮1只带永久磁性的浮子，浮子的磁性可无阻隔地传出测量筒，浮子始终定位在液体的表面，现场用液位计测量液面时利用附靠在测量筒外同样带磁性体的2只不同色的翻柱来实现： 当液面上升时，翻柱被测量筒内液面处的磁场推动180°，由白色变为红色或蓝色；当液面下降时，翻柱又被测量筒内液面处的磁场推回180°，由红色或蓝色又变为白色，从而达到液面检测的目的。

液位传感器紧贴着磁翻柱液位计的测量筒外侧固定，使其处于液位计磁耦合系统中。当磁性浮子随液位上、下移动时，对应液位位置的干簧管受浮子内磁场的作用吸合，干簧电阻链的阻值随之发生变化，智能液位变送模块将变化的电阻信号转换成二线制4～20 mA的HART协议信号输出。海洋石油平台现场可以根据实际生产工艺的需要，采用HART手操器设置好量程0和100%的液位数值，表头LCD则可显示液位相对应的数值；传感器输出信号可方便地与二次仪表、控制系统仪器配套使用。

该方案在现场可以直观地看到液位的位置；液位传感器表头带有LCD显示，可以显示液位高度或液位百分比或电流值。

4 干簧电阻链传感器在海上石油平台的应用案例

在南海西部海域多个海洋石油工程项目工程阶段采购了磁致伸缩传感器用于测量液位，投产后经常发生信号跳变情况，经过现场调查发现是由于现场电磁干扰和振动信号导致。为保证生产安全更换为干簧电阻链传感器，经过测试发现干簧电阻链传感器能承受3个互相垂直的空间方向上位移幅值为±1 mm、变化频率为2.0～13.2 Hz的振动，也能承受频率为13.2～100.0 Hz的加速度以及幅值为±6.86 m/s2的正弦振动；同时发现干簧电阻链传感器对电磁干扰、温度变化也有较强的抗干扰能力。

5 结束语

干簧电阻链传感器具有测量准确、重复性好、环境适应性强、温度范围宽、响应速度快、维护成本低、生命周期长等特点，从原理上解决了海洋石油平台现场因振动和电磁干扰造成的信号跳变现象。该干簧电阻链传感器经过了海上石油平台环境要求下的性能测试，较适合于海上石油平台液位测量使用。