摘 要：简单介绍了射频电容液位计进行油水双液位检测的基本原理，阐述了海上溢油回收检测装置的基本构造及其工作过程。针对海上特殊应用环境的测量需求，提出分别按油、按水标定的液位检测方案。油水混合状态下，对２组实验测试数据进行误差和线性度的数值计算，通过曲线拟合对比分析，最终确定了海上溢油回收集油箱油位检测的最优化方案—按油标定检测。实验证明，该方案可以满足现场实际测量环境的要求，液位计的测量精度高、线性度好。
【１、引 言】
在海上溢油回收过程中，实时检测集油箱油水混合物中油位的高度，是溢油回收检测与控制系统的关键。目前常用的液位检测传感器有：超声波式、磁致伸缩式、浮子式、微波式等。但以上方法均无法实现油水混合状态下油位的检测。针对海上溢油回收检测的特殊要求，必须找出一种能够进行油水识别的检测的方案。分段电容液位计，在传统电容检测的基础上，进行了改进，可以对油水液位进行检测，但是寄生电容影响较大，而且在段与段的分界处存在检测盲区，严重影响检测精度。仕乐克射频电容液位计具有测量精度高、线性度好、抗干扰能力强等优点，可以满足海上复杂环境下，油水液位的检测。
【２、射频电容液位计的测量原理】
射频电容液位计是基于介质的射频阻抗理论，负载射频阻抗随油水混合液中不同油水比例而变化，使电容传感器输出相应的电信号。在溢油回收过程中，采用仕乐克仪表生产的SLK-700系列电容液位计，它采用国际上先进的射频电容技术。电容液位计的探极及金属外壳构成电容器。将集油箱中待测液体作为电介质，射频振荡器施加于电容器两端构成回路。
据电容感应原理，当被测介质浸汲测量电极的高度变化时，引起其电容的变化，电容的变化引起振荡器输出频率的变化，微控制器根据这一频率的变化计算输出４～２０ｍＡ标准模拟电流信号（其中４ｍＡ 表示零信号，２０ｍＡ表示信号的满刻度），远传至操作控制室供二次仪表或计算机进行集中显示、报警或自动控制，其原理图如图１所示。在工业现场，电流对噪声并不敏感，电流输出增加了传感器的抗干扰能力。
【３、海上溢油液位检测装置基本构造】
海上溢油回收液位检测装置如图２所示。集油箱是上下开口的金属容器，射频电容传感器安装固定到集油箱中央，测量探极底部处在油水交界处。溢油回收过程中，斜带转筒由液压站提供顺时针方向的牵引力，溢油跟随斜带转筒聚集到集油箱底部。当集油箱内部油层积累到一定厚度，启动抽油泵开始抽油。所以，实时检测集油箱中油位的高度，是溢油回收控制的关键。
溢油回收过程中，集油箱内为油水混合介质，所以理论上电容传感器应该采用油水混合标定的方法。而实际测量中，油水混合比例是动态变化的，所以实验分别采用按水、按油标定的方式，进行集油箱油水混合液位的测量。
４ 射频电容液位计测量数据分析
４．１ 液位计在水标定下的测量分析
在该实验中，仕乐克液位计测量杆约１００ｃｍ，假设标定满量程为Ｍ，取Ｍ 为７０ｃｍ。仕乐克仪表为确定液位测量的线性关系，首先需要确定２个标定点，且２个标定点之差不得低于５０％。现取标定满量程的２０％处作为第１个点标定点，取标定满量程的９０％处作为第２个标定点。实验测量过程中，向容器内缓缓注入油水混合物（水多油少），具体实验数据及误差、线性度分析如表１所示。
表１主要记录了水标定下，注入油位Ｈ、注入水位Ｌ及液位显示百分比Ｐ。采用对比实验数据分析的方法，分别按式（１）、式（２）计算出理论油水混合计算比例Ｐ１及理论水位计算比例Ｐ２。
精度表征了仪器仪表测量误差的大小，误差表示测量值与真实值之间的差异，它表征了测量结果的准确度及可信度。按水标定实验过程中，假设实际油水计算比例误差为Ｗ１，而实际水位计算比例误差为Ｗ２，测量显示比例为Ｐ，分别按式（３）、式（４）计算２种情况下的计算比例与测量显示比例的绝对误差Ｗ１和Ｗ２。
传感器的被测量与传感器输出之间的关系一般是非线性的。为了更加形象直观地分析２种计算误差随水位变化的趋势，分别绘制其误差Ｗ１、Ｗ２的拟合曲线如图３所示。
由图３误差曲线趋势可以得出：在按水标定的情况下，理论油水混合计算比例误差相对较大，并且上下频繁波动没有一定的规律性；而理论水位计算比例误差相对偏小，且呈现出一定的规律性———随着水位增加（接近满量程），误差越来越小，在标定满量程的５０％～１００％平均误差约为２．５％。误差在一定程度上反映了传感器在该系统应用上测量的准确度，线性度则表征了测试系统的输出与输入与理想系统的线性比例关系，他们都是实验过程中对数据检测的重要依据。假设理论油水混合计算比例及理论水位计算比例的线性度分别为δ１、δ２，按式（５）、式（６）分别对两者的线性度进行计算。
计算数据表明，线性度与误差随水位变化曲线基本吻合。即在水标定的情况下，在标定满量程的５０％～１００％，不仅测量精确度高，而且线性度也好。
４．２ 油标定下的测量分析
在实验中，按油标定满量程Ｍ 为８０ｃｍ。取标定满量程的２５％处作为标定第１点，取标定满量程的８７．５％处作为标定１第２点。实验测量过程中，向容器内缓缓注入油水混合物（油多水少），实验数据及误差、线性度分析如表２所示。
表２主要记录了按油标定的情况下的实验数据。按照表１相同的计算方法，分别计算出各自的比例、误差及线性度，并绘制出的误差曲线如图４所示。
由图４曲线可以明显看出：在油标定的情况下，随着油水高度的增加，理论油水计算比例误差反而有上涨的趋势，而且在标定满量程的５０％～７０％平均误差高达１８．３％；而理论水位计算比例误差相对偏小（平均误差约为２．４％）并且呈现出一定的规律性———随着油位增加（接近满量程），误差越来越小。同样，线性度与误差随油位变化趋势大体相近。
４．３ 检测方案的选定
实际液位测量过程中，集油箱液位高度一般在满量程的２５％～９０％波动。如果采用按水标定的方案，则会在满量程的２５％～５０％产生较大的测量误差，并且线性度不好。而按油标定的方案，在标定满量程的２０％～１００％误差已经很小，线性度较好。所以，综合２组实验数据的误差、线性度估算及现场实际测量３方面的因素，按油标定不仅测量精度高，而且线性度好，为其最佳检测方案。
【５ 结 论】
电容液位计一般用于石油化工行业密闭容器液位的测量，将其应用于半封闭的海上溢油回收液位测量装置中，采取油、水标定下的实验对比分析法，从２种测量方案的误差、线性度估算出发，对集油箱油水混合液位中油层厚度的测量，采取按油标定的方案，其测量精度及线性度较高，满足了现场溢油回收控制系统的需要。
