浅析如何使用投入式液位计提高立式金属油罐底量检测的精度

      立式金属罐是工业生产中为常见的计量容器之一，相比较于卧式储罐，立式储罐的计量准确度一直广受关注，在为立式储罐的特殊性，影响立式金属储罐准确度的因素较多，中影响大，复杂的就是如何准确计算立式金属罐的底板在不同液位下产生变形时影响容积的变化，时至今日，对其变化规律的掌握仍然不太准确。在中华人民共和国国家计量检定规程JJG 168-2005中提出测量方法有容量比较法和几何测量法。然而，在空罐条件下测量底量容积，无论采用以上哪种方法，都无法反映出在实际装液高度下这种变化发生的规律。油罐装油后，基础将发生下沉，随地基土壤空隙的不同，基础沉陷量也不同，严重时沉陷量可达10cm。投入式液位计在底量测量中的应用，将会实现在线实时测量，建立底量容积表，从而提高立式金属罐底量测量的准确度。本文针对于立式金属罐的测量方法提出的解决方案，采用投入式液位计法进行底量的实时测量，对此方法进行评价，构建完整的基于投入式液位计的底量增量实时测量系统。

　　1容量比较法
　　将水或液体石油产品从标准金属量器或流量计注入到被检定罐内，同时用量油尺测出罐底注入的液面高度，直至液体分别浸没至下计量基准点和罐底高突起部分，测量注入液体的温度，进行修正。从标准金属量器或流量计中注入被检定罐中的液体体积分别为死量和底量，下计量基准点的液高为底量高度。用容量比较法测量罐底，根据实际测量数据，用线性插值法计算出相应高度容量。充液为水时，充水前后温差小于10℃时，可不进行温度修正。
　　采用容量比较法测量立式罐底量具有直观、准确度高的特点．但费时费力、效率低，仅在立式罐容量小于700m3。或罐底为加热管道所覆盖，或无法用几何法测量时才采用。

　　2投入式液位计法
　　2.1投入式液位计工作原理
　　投入式液位计由压力传感器、信号放大器及转换电路组合成一体，可直接投入罐底。其中传感器采用硅膜片传感器，利用硅半导体压力敏感元件作为检测元件。置于流体中的压力敏感元件，受正比于液体深度的压力的作用，利用硅材料的压阻效应，将有电信号输出。此信号经过放大转换后即可把液位高度转换成4mA-20mA 的标准电流信号，这一信号可通过电缆远传至计算机或远程监控站。其中变送器采用导气电缆将大气压力引入敏感元件背压一侧，导气电缆的通气孔中继箱与大气相通，从而抵消了外界大气压力变化产生的影响，保证了测量精度。
　　2.2基于投入式液位计的测量方法
　　测量点的确定：测量点是在罐底上确定同心圆（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ……m）和半径（0-1，0-2……0-n）的交点的位置。测量点的数目由底量测量所需准确度和它的凹凸不平的程度确定，同心圆到罐底中心的距离按照所分圆环面积相等的条件来确定，各圆环的半径按以下公式计算同心圆环至中心距离：
　　式中：R—*先圈板内半径；
　　   m—等分圆环的数量。
　　计算方法：用此方法测量罐底,其罐底高点以下容量（V底），罐底部排量如图中斜线所示，其中心部分可视为一个圆柱体加上一个圆锥体，两者地面积相等，其他部分可视为环体积，通过叠加得下式计算：
　　
　　V排=πR2（）（1）
　　
　　式中：V底—罐底部分容量，为高度h的函数；
　　   h0—罐底中心高度；
　　   hⅠ，hⅡ……hm-1—圆周m-1测量点高度。
　　V底=πR2-V排 （2）
　　
　　在中华人民共和国国家计量检定规程JJG 168—2005中，取m=n=8，底量计算公式：
　　V底=πR2（0.119792-0.018229-0.015625Ⅰ～Ⅶ） （3）
　　
　　测量精度：在立式金属油罐底量测量中，选用精度为±0.1%，量程为20m的投入式液位传感器，它的大**误差为：
　　20000×（±0.1%）=±20mm=±2cm。
　　一般情况下，立式油罐底量大约在40cm～50cm，则使用此型号的投入式液位计对底量的测量精度为：±（2/50）=±4 %。
　　虽然对底量来说投入式液位计的测量精度只有±4%，但是如果不采用此种方法，只能空罐条件下测量，误差可达到10cm，精度为：10/50=20%。
　　从而，我们可以看出，采用投入式液位计法，在很大程度上提高了测量精度。

　　3系统设计
　　将投入式液位计逐一安放于各测量点、罐底中心点、下计量基准点和参照点上，这样各点的液位高度被投入式液位计转换成4mA～20mA 电流信号，数据采集部分采用EDA9017 模拟量测量模块可应用于对压力、温度、电量等变送器输出的4mA～20mA，信号的测量通讯接口为RS-485，利用PC机作为数据处理终端，以COM端作为数据采集端口，但由于EDA9017模块通讯接口为RS-485接口，故采用MODEL485P作为RS-485/RS-232接口转换器，实现数据转换。数据到达上位机后，软件部分采用VB6.0进行编程，完成数据的分析处理，形成完整的底量增量系统，并与国家大容量检定系统相连接，完善立式金属罐的检定系统。

　　4底量容量表计算
　　任意一座立式罐，当罐内液位不断上升时，会产生底量增加值△V，即由于罐底板下降导致罐容量增加。当液位值从0增加到Hk1时，罐底板状态与空罐时相同，不发生任何变化 ，因此△v=0。当液位上升到Hk1的一瞬间．罐底板突然“失稳”，即突然产生大面积下沉变形，造成罐容量在空罐容积的基础上产生一个增量△v。在液位由Hx1逐渐上升到Hx2的过程中，罐底板变形总体上仍呈下沉趋势，底量增量△v不断增大 ，每一小区间上可看作线性变化，直至液位达到Hx2时停止，该区域内罐底板变形属于自身弹性形，故又可称为弹性变形区。在此区域内，由于底量增量已经改变了它的液位与容量关系，空罐容积表容量值已经不再适用，必须进行实罐状态下的修正。
　　在液位高度从下计量基准点到底量高点时，JJG168—2005中，罐底单位高度的容量计算采用区间线性插值法，但是，因测量很难是线性的，结果误差较大，所以。在此采用准确度较高的抛物插值法。根据式（1）、式（2）和式（3）可分别计算出液高为h0、hⅠ、hⅡ、……、hm-1、hm时对应的体积 V0、 VI、VⅡ、……、Vm-1、Vm，由拉格朗日插值多项式可确定区间（hm，hm-1）内k高度的插值体积，插值函数为：
　　图1罐底变形规律曲线
　　其中，s和e分别表示用于插值的（m+1）个点中的起点和终点
　　序号。
　　在底量高点以上，每个小区间上，将液面高度与底量增量看作线性变化，即可得出单位高度所对应得底量增量值。将某一立式金属罐从装满液体到空罐整个使用过程进行一次完整的测量，在每一段时间间隔内记录所测量的数据，通过上位机的处理，得到各时刻的底量修正值。由此，可以得到较为完整的立式金属油罐底量表。
　　5结束语
　　通过对立式金属罐底量测量方法的分析与研究可见，运用投入式液位计法对底量进行实时在线测量可提高底量的测量精度。但是本文中将油罐的底量看作弹性形变，与实际情况有一定的差距，随着测量技术的发展，立式金属罐底量的测量精度还会有进一步的改善。
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