激光液位检测系统的研究与应用

激光液位检测系统的研究与应用

目前，石化行业经常使用的液位测量方法有两种。其中之一是直接人工读取的液位计，如玻璃板液位计、连接管液位计、磁翻板或磁翻柱液位计。另一类是现场二次仪表直接显示的液位计,如浮球液位计、超声液位计、电磁波雷达液位计和光纤液位计等。前者由于是人工读数,一般安装在石化现场,以外接连通管的形式进行测量,定期或需要时由操作员直接目视读取当前液位,这类方法简单、直观、实时、成本较低,读数精度一般在毫米级。玻璃板液位计和连通管液位计一般测程在2m左右,磁翻板或磁翻柱液位计一般测程可达4～5m。对于大型储罐,都采取分段拼接的方式进行。显然,这类方法不适合于自动测量,更无法在总控室进行监控。后者实现了实时、快速、自动测量,并能进入总控室进行分布控制,集中管理,即所谓DCS系统,进行实时监控,是目前石化行业的主流系统,但均有不尽人意的地方。浮球液位计和光纤液位计由于都使用了浮球或浮子,需要在罐外安装一个精密的平衡锤,实现动态平衡,但这种动态平衡对环境温度、罐内温度与压力等要求比较高,否则将引起较大的误差。超声液位计和电磁波雷达液位计精度高,能满足许多液位测量要求,但目前多以进口产品为主,价格高,且对于液面晃动情况,测量的稳定性和可靠性降低。应开发商的要求,我们提出了用无合作目标激光测距仪作为液位传感器进行液位实时测量的方法,研制开发了满足本质安全型防爆要求的新型的激光智能液位测量系统,完成了实验测试,并进行了现场初步安装与调试。实践表明,基于无合作目标激光测距仪的激光智能液位测量系统,能够满足石化行业各种油罐、储罐的液位测量要求,而且安装简单、方便。由于其成本相对比较低,将是超声液位计、电磁波雷达液位计和光纤液位计等的有力竞争产品,在石油、化工、冶金、锅炉等众多行业有着广阔的应用前景。1激光智能检测出合理的被测液体激光智能液位测量系统采用瑞士Leica公司的无合作目标激光测距仪DISTOmemo/pro作为液位测量传感头,通过传感头发出的激光脉冲入射到所需监测的液面,部分光经液体表面的反射或散射后返回。探测器探测到经液面反射的回光信号,经过专用电路处理,即可测量出激光测距传感器到被测液体表面的距离。通过后续数据采集与处理模块、数据通信模块、控制模块,将所测出的距离转换成相对于某一基准位置的被监测液面的高度信息,并在现场表头显示或二次远传到控制室进行监控。激光智能液位感测器系统(如图1所示)由激光测距传感头(如图2所示)、防爆电源(如图3所示)、二次显示仪表(如图4所示,含温度控制系统<如果需要>、数据采集与处理、数据通信模块、控制模块、报警器〈根据需要〉、显示器〈提供现场仪表显示、远传控制室仪表显示/计算机显示〉)、打印输出等部分和模块组成。考虑到一般油罐、储罐都是露天安置的,冬夏南北温度变化大,系统设计的工作温度可达-40℃～70℃,满足了许多工业场合的测量要求。对于环境温度超出-40℃～70℃的情况,在激光测距传感头上应安装温控系统,确保系统正常工作。2表、电源的爆破由于我们立足于石化行业各种油品介质和液化气等易燃易爆介质的液位测量,除确保测量精度和可靠性要求外,必须满足爆炸性环境用防爆电气设备防爆要求。系统的防爆要求包括DISTO激光测距仪的防爆要求、二次仪表的防爆要求和电源的防爆要求,如果需要远传显示或与计算机连接的,二次仪表与远传显示仪表或计算机之间必须加光耦隔离器,防止远传仪表或计算机的偶然故障。激光测距仪工作波长为620～690nm,其激光功率只有(0.95±5%)mW。这一激光波长与功率安全可靠,不足以引爆任何油品介质。在防爆论证中,我们通过了国家防爆电气产品质量监督检验中心的防爆实验,即以DISTO所发出的激光,连续照射在易爆性氢氧等混合气体10min以上。由于激光测距仪以脉冲方式工作,脉冲宽度为10我们对所使用的无合作目标激光测距仪DISTOmemo/pro在电源上作了必要的防爆处理,满足了最新国家标准3测量系统开发中遇到的技术问题在激光智能液位测量系统的开发过程中,我们遇到了一些技术问题。3.1对象目标的稳定性和精度由于无合作目标的激光测距仪DISTO主要是用来测量固体目标的,其接收系统主要是接收处理被测目标漫反射的光信号。激光测距仪的接收孔径小,被测目标的回光信号因漫反射而被平均,所以测量固体目标的稳定性、可靠性和精度都得到了保证。另外,被测目标漫反射回光信号一般较弱,其光电接收与处理系统是针对弱光信号而设计的,灵敏度较高。测量液位时,液面反射为定向反射,反射率约为4%左右。实验表明,如果液面定向反射回光信号全部进入光电接收系统,则激光测距仪给出光强太强的出错信息;反之,如果液面定向反射回光信号不能进入光电接收系统,则激光测距仪给出光强太弱的出错信息。这就给激光测距仪在液位测量中带来如下诸多技术上的难题。3.2实际液位的测量由于液面直接反射的回光信号太强,不是出错,就是测量出的结果比实际液位大得多。实验表明,这一结果为测量到液面与接收平凸透镜平面之间二次反射的结果。为此,我们在激光测距仪的出射窗口安置了中性减光板,较好地解决了这一问题。3.3测量系统的应用实际现场的被测液面不可能很稳定,回光信号相对于接收系统时进时出,因此,激光测距仪的接收信号时强时弱。这就限制了测量系统的应用场合。在液面比较稳定、晃动不大的场合,如储罐或重油测量时,回光信号晃动不大的情况下,在数据处理上进行一定的数值波滤,测量结果、稳定性和精度基本能够保证。但当液面晃动较大时,测量结果的稳定性、可靠性和精度都较差,甚至接收不到回光信号,处于“死机”状态。在可能的情况下,加入浮子或浮筒能很好地解决问题。3.4浮子和浮筒的影响对于像液化气这类的储罐,在温度变化较大的情况下,如太阳照射,因温度上升,气压变化,引起液面晃动及液面气体上的影响,在加入浮子或浮筒后,则能较好地解决这一问题。3.5对测量的影响由于储罐或连通管的连接端面不一定水平,而被测液面稳定时总是水平的,所以,激光测距传感头的姿态对测量影响较大。为确保激光测距传感头姿态的正确性,在激光测距传感头上安装圆水准器,并设计用于调整姿态的四对对抗螺钉。在实验室先将测距传感头调整到位,把圆水准器调整居中并固定。现场安装时,只需将水泡调整居中。对于在连通管内加装浮子的情况,只需将激光测距传感头调整到激光束从连通管中部穿过即可。3.6次仪表的复配根据石化行业对现场仪表的要求,设计了两种制式二次显示仪表:一种是根据DISTO给出的标准R232接口,考虑远传的需要,进行R232-485、485-R232转换的数字传输与显示方式,适用于单个或不需进行集中管理的场合。另一种是所谓DCS系统,能进入总控室进行分布控制,集中管理,适用于大型油库的液位测量。这两种制式的二次仪表都能在现场显示的同时,根据需要进行远传显示或与计算机连接,满足不同用户的需要。二次仪表除能进行测量控制、数据显示外,还可根据需要进行液位基准测量与设定,或直接输入液位基准,并锁定。4光测距传感控制激光智能液位测量系统可与计算机的COM接口连接,对激光测距传感头进行控制和通信,实现在控制室对现场油罐液位进行自动测报、处理、显示及存储。系统软件的主要功能,有测量方式、初始参数设置、激光跟踪、基准设置、表格显示等。1测量时间间隔自动测量是根据软件设置的自动测量时间间隔,进行自动测量。自动测量时间间隔为1s;手工测量是根据具体情况可随时利用手工测量方式测量当前液位值。2设置初始参数可设置油罐参数、自动测量间隔、通信参数、测量参数以及气象参数等。3激光跟踪可设置激光跟踪方式,即使测距仪处于只出激光,而不测量的状态,便于对激光测距传感头姿态的调整与控制。4基准设定功能由于激光测距传感头测量的是传感头到液面的距离,而所要求得到的是液面相对于某基准面的高度。有些情况下,这一基准是可以测量的,而有时候则只能人为设定。因此,软件设计中有基准设定功能。一旦设定基准,计算机会自动将测量结果转换成相对于基准的高度而加以显示。5显示内容显示将测量数据以表格形式或相对高的图形示意显示,显示内容包括日期、时间及液位值等。此外,软件还可以控制测量开始、暂停和结束,对测量结果进行存储等。5无线发射监测系统清环图2激光智能液位测量系统的主要技术参数如下:——激光测距仪工作波长:620～690nm;——激光功率:(0.95±5%)mW;——监测精度:±3mm;——分辨率:1mm;——监测范围:0.5～50m;——激光等级:2级激光,符合IEC825-1和EN60825-1;——传输方式:有线传输RS232或RS485;——显示方式:现场LED或远程计算机终端;——电源:24VDC;——环境温度:-40℃～+70℃(不加温控系统);——工作温度:-40℃≤——工作压力:66.1测试仪器和测试程序用2m长的有机玻璃管制作实验测试系统,分别对水、液化气、汽油、煤油、柴油和机油等介质进行了实验测试。实测结果的测量精度和分辨率达到技术要求,且比较稳定。当受到振动引起液面晃动时,测量结果的离散性增大,精度下降。加入浮子,测量结果则稳定可靠。6.2激光测距传感头误差的影响开发商选择某液化气站的一个液化气卧罐进行初装与测试。在液化气罐上改装了一个长约2m的金属连通管,并在连通管上端法兰处用石英玻璃板作为测量窗口,加以密封。激光测距传感头以法兰形式安装在联通管上端。姿态调整和基准测定后进行了48h的定时测量(每隔1h观测记录一次),并与玻璃板液位计进行比较,发现测量结果的误差较大,达到40～50mm,甚至更大,且测量结果不稳定。随着温度变化,尤其是上午7∶30～11∶30期间变化大,中午以后乃至次日凌晨测量结果比较稳定,现场安装测试精度提高了。在连通管内加入浮筒后,再进行48h的定时测量,结果