超聲波液位計在原油儲油罐測量系統(tǒng)中的應(yīng)用，液位測量在工業(yè)測量中應(yīng)用極為廣闊，準(zhǔn)確的液位測量是生產(chǎn)過程控制的重要手段，在石油工業(yè)的罐類檢測中更是如此。目前常用的儲罐液位測量主要采用人工檢尺法、機械法和靜壓法。 
原油儲油罐的內(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，罐內(nèi)的壓力變化，彌漫的水蒸氣、各種油基類揮發(fā)氣體也對液位測量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響。針對這一特殊的環(huán)境，許多針對罐內(nèi)原油液位測量的專業(yè)儀表不斷涌現(xiàn)，但多數(shù)都存在價格昂貴，安裝施工復(fù)雜，有介質(zhì)條件限制或者運行維護強度高的缺點。一般的液位測量方法，如直接用于油罐內(nèi)液位測量，一般都存在測量精度的問題，以超聲波為例，超聲方法簡單而且價格較低，探頭可不直接與介質(zhì)接觸，但是其缺點也是顯而易見的，就是容易受粉塵，煙氣等環(huán)境。
本文針對以上問題，提出有效的改良方案，使用超聲波液位計測量罐內(nèi)液位，使測量的成本和精度得到很好的兼顧。
1、超聲波檢測油罐液位測量系統(tǒng)
超聲波在介質(zhì)中傳播時，有較好的方向性，波速與普通聲波相同，且具有傳播過程中能量損失較少，遇到分界面時能形成反射的特性，故可用回波測距的原理來間接測量液位，其基
本原理如圖1 所示。E 通常被稱作空高，設(shè)超聲波的空氣中波速為V，發(fā)射時刻T0，收到回波時刻為T1，則液位H 可表示為：
由上可見超聲波液位的測量還是基于時差法，稍有不同的是測得距離需要和空高E 做差才能得到所需的液位信號H。
1.2 超聲波測量液位中的衰減
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)象稱為超聲波的衰減。噪聲衰減的因素主要有兩類。一類是聲束本身擴散，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的方向傳播。在這一類事件中，聲波的總能量并沒有減少。另一類是，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。后一類的機理比較復(fù)雜，主要有粘滯吸收；弛豫吸收、相對運動吸收及空化氣泡吸收。對于給定的頻率的超聲波，其強度和壓強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)在很大程度上依賴于頻率。從上述的公式也容易解釋超聲波在遠(yuǎn)距離測距時選用高頻探頭的原因。原油油罐內(nèi)的液面并不十分平靜，有時還伴有煙氣，此時的超聲波衰減更大，因此一定的聲強是罐內(nèi)液位準(zhǔn)確測量的前提。
1.3 確定了總體方案后，以盤錦油田某小型采油站為試點，對測量系統(tǒng)進行了構(gòu)建。基本系統(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)類物質(zhì)），選用了本安型一體化防爆型超聲波液位計，輸出帶有模擬量和RS485 串行信號。由于油罐距離采油站辦公室較
遠(yuǎn)，實測400m，檢測的液位信號與上位機通訊采用了無線傳輸?shù)姆绞剑d頻433MHz，該頻點無需申請，由于無線模塊內(nèi)部采用專業(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，無需二次編程，只需簡單的設(shè)置即可投入運行。計算機終端使用VB 自編的監(jiān)測、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、原油液位測量過程中遇到的因素及解決方法
2.1 因素
實際的小型原油儲油罐的實際結(jié)構(gòu)如圖3 所示，多為圓形臥罐，除了罐體內(nèi)的底部有高低錯綜復(fù)雜的盤管（輸油管，加熱管）外，為了保證罐體具備足夠的強度，罐體內(nèi)部還有許多加強用的拉筋（簡圖中未標(biāo)出）
如果利用傳統(tǒng)的超聲波液位檢測系統(tǒng)進行液位測量時，會導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差，這些測量誤差主要來源于以下幾個方面:
(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，液面面積變小，露出油面的盤管和拉筋對超聲波具有很強的回波反射，這樣液位計的輸出的液位信號就失去了實際的意義。
（2）在實地考察中還發(fā)現(xiàn)，抽油機在抽油時，需對原油進行加熱以降低其粘度，從而獲得良好的流動性，降低抽油阻力。因此油罐內(nèi)的水蒸氣地成為不可小視的源，當(dāng)水蒸氣聚集在超聲波探頭下方時，液位計的輸出經(jīng)常會有“虛高”現(xiàn)象發(fā)生，同時罐內(nèi)的沸點較低的揮發(fā)類物質(zhì)，由于加熱而形成的煙氣也會對液位檢測產(chǎn)生明顯的。
下表為加裝探頭后，某日連續(xù)現(xiàn)場采集的對比數(shù)據(jù)，單位為米：
備注：*1：由盤管及拉筋造成的回波。*2：由煙氣造成的虛高。
2.2 抗措施
經(jīng)過反復(fù)設(shè)計實驗，特實踐了如下改進措施：
（1）測量中采用導(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)開有8 個呼氣導(dǎo)壓微孔，下端插入盤管的縫隙,并沒入最低液位以下5-10cm。導(dǎo)波管的運用，使得超聲波只能在管內(nèi)傳播和反射，大大降低了無用回波的，同時由于導(dǎo)波管相對封閉，也在一定程度上杜絕了水蒸氣的給液位計造成的“虛高”。加裝導(dǎo)波管的油罐如圖5 所示：
實際測量中為了解決原油在導(dǎo)波管內(nèi)的掛壁問題，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)波管的長度很短，另一端不
沒入原油液面，并在雙管夾層中固定填充一些石棉，用于吸收雜波。
（2）在保證低液面測量靈敏度的基礎(chǔ)上，大幅度降低換能器的功率，同時降低接收靈敏度，使回波的強度比換能器可識別的閾值低很多，這樣被液位計識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有效回波反射，同時有效消除液面泡沫的吸收。
3 結(jié)論
經(jīng)過設(shè)計和實際跟蹤調(diào)試，證明所設(shè)計的超聲波液位檢測系統(tǒng)是可行的，部分薄弱的環(huán)節(jié)經(jīng)過改善后，出現(xiàn)的大部分被成功抑制，對露天油罐群的檢測可以長期運行，同時對原油罐內(nèi)復(fù)雜工況的液位測量做到了成本與精度的兼顧, 具有廣闊的應(yīng)用前景。
