CN102445253A - 一种油水界面测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油水界面测量装置，包括光学传感探头、光源、光电探测装置以及报警装置，光学传感探头包括五棱镜结构、入射端光纤、出射端光纤、设置在入射端光纤上的第一准直器以及设置在出射端光纤上的第二准直器，五棱镜结构包括第一反射边、第二反射边、第三反射边、第四反射边以及第五反射边围成的封闭五边形，其中第五反射边为水平边。本发明解决了现有的油水界面的测量精度低、无法保证生产的正常运行的技术问题，实现多点分布油水界面测量，提高油水界面的检测精度。

Description

一种油水界面测量装置

技术领域

本发明属于石油检测领域，尤其涉及一种油水界面测量装置。 

背景技术

石油储罐中，罐的最底层通常会有一定高度的水，要准确评估油罐中油的多少，需要对油水界面的位置进行准确的判断，目前油水界面的测量绝大多数是采用人工检尺和分析化验的方法。这种落后的检测手段，测量精度低，无法保证生产的正常运行，更谈不上优化操作，使生产操作和管理决策具有很大的盲目性。如何解决石油储罐的自动测量问题是提高原油集输自动化水平的一项关键技术。 

发明内容

为了解决现有的油水界面的测量精度低、无法保证生产的正常运行的技术问题，本发明提供了一种油水界面测量装置。 

本发明的技术解决方案： 

油水界面测量装置，包括光学传感探头、光源、光电探测装置以及报警装置， 

其特殊之处在于：所述光学传感探头包括五棱镜结构、入射端光纤、出射端光纤、设置在入射端光纤上的第一准直器以及设置在出射端光纤上的第二准直器， 

所述光源经过第一准直器输入至五棱镜结构，所述五棱镜结构经过第二准直器输出至光电探测装置，所述光电探测装置与报警装置连接， 

所述五棱镜结构包括第一反射边a、第二反射边b、第三反射边c、第四反射边d以及第五反射边e围成的封闭五边形，其中第五反射边e为水平边， 

第一反射边a与第二反射边b之间的夹角为θ2，第二反射边b与第三反射边c之间的夹角为θ3，第三反射边c与第四反射边d之间的夹角为θ4，第一反射边a与第五反射边e之间的夹角为θ1，第五反射边e与第四反射边d之间的夹角为θ5， 

满足以下关系：α1≤θ1≤α2；θ5＝θ1；θ3＝θ4＝θ2＝2θ1； 

其中：α1为空气中发生全反射必需满足入射角： 

α2为在油中不满足全反射条件入射角： 

空气的折射率：n₀

油的折射率：n₁

棱镜的折射率：n₂

上述油水界面测量装置还包括滤油装置，所述滤油装置套于并固定在光学传感探头上， 

所述滤油装置包括一端开口的中空瓶状壳体，所述壳体15的底部布设有滤油孔，所述壳体靠近开口的一端侧壁上设置有排气孔。 

上述五棱镜采结构采用K9玻璃， 

所述五棱镜采结构采用K9玻璃， 

则39.8°≤θ1≤70.44°， 

79.6°≤θ3＝θ4＝θ2≤140.88°，θ5＝θ1。 

上述五棱镜采结构采用K9玻璃，取θ1＝67.5°，可依此计算出θ2＝θ3＝θ4＝135°，θ5＝θ1＝67.5°。 

上述壳体靠近壳体底部的侧壁设置有滤油孔。 

本发明所具有的优点： 

1、本发明采用光电系统测量，光电系统响应时间短，系统灵敏度高，并且多个探头组合可实现多点分布油水界面测量。 

2、使用时将本发明光学传感探头包括五棱镜结果，将光学传感探头置于油罐中去检测油水界面，当光学传感探头从空气到接触油，系统信号灯由待机变成闪烁，当探头接触到油水界面时系统信号灯立马变成待机，停止报警，提示已接触到油水界面，准确判断出油水界面的位置。 

3、本发明在光学传感探头外套接了一个滤油装置，检测时利用滤油装 置破坏掉油水界面形成一层表面张力较大的油膜，然后进行检测，提高了油水界面的检测精度。 

4、本发明与雷达液位测量装置相比较具有无源(安全性高)、不受电磁干扰、可远距离传输及监控、灵敏度高、不存在盲区、安装简便、价格低、体积小等的优点。 

附图说明

图1为本发明的油水界面测量装置原理示意图； 

图2为本发明的油水界面测量装置的结构示意图； 

图3为本发明滤油装置的结构示意图， 

图4为图3的右视图； 

图5为本发明光学传感探头的结构示意图； 

图6为本发明一种实施例的光学传感探头示意图； 

其中附图标记为：1-光源，2-光纤，3-第一准直器，4-五棱镜结构，5-第二准直器，7-光电探测器，8-报警装置，9-油，10-油罐，11-水，12-滤油装置，13-滤油孔，14-排气孔，15-壳体，16-光学传感探头。 

具体实施方式

如图所示1光学光纤式油水界面测量装置，利用光学传感探头16周围介质折射率的不同而产生菲涅尔反射的原理；光源1发出的光通过光纤2传输到第一准直器3实现光的准直，并将准直光垂直入射到一个五棱镜结构4中，光在五棱镜结构4中经过四次菲涅尔反射，再由第二准直器5出射，经过光纤2传输后，进入光电探测器7，通过光电转换电路驱动报警器8及信号灯报警，以实现液位的检测。当光学传感探头置于空气中时，满足菲涅尔反射条件，从第二准直器5有光输出，系统处于待机状态；而当油9面一接触到探头，由于油的折射率大于空气，不满足菲涅尔反射条件，第二准直器5中没有光输出，检测系统信号灯立即闪烁并发出报警音，当光学传感探头继续向下接触到油水界面时，再次满足菲涅尔反射的条件，检测系统再次处于待机状态，由此可准确判断出油水界面的位置。 

因为光学传感探头同时要满足在油中不发生全反射而在水和空气中都发生全反射，因此光学传感探头采用五棱镜结构： 

五棱镜结构包括第一反射边a、第二反射边b、第三反射边c、第四反射边d以及第五反射边e围成的封闭五边形，其中第五反射边e为水平边， 

第一反射边a与第二反射边b之间的夹角为θ2，第二反射边b与第三反射边c之间的夹角为θ3，第三反射边c与第四反射边d之间的夹角为θ4，第一反射边a与第五反射边e之间的夹角为θ1，第五反射边e与第四反射边d之间的夹角为θ5， 

θ1满足：α1≤θ1≤α2 

在空气中发生全反射必需满足入射角： 

$\mathrm{\α}1\≥\arcsin \frac{n_0}{n_2}$

在油中不满足全反射条件入射角： 

$\mathrm{\α}2\≥\arcsin \frac{n_1}{n_2}$

空气的折射率：n₀

油的折射率：n₁

棱镜的折射率：n₂

入射角θ1要满足大于α1、α3中的大者而小于α2的值，由于光在a、b、c、d面都要发生上述全反射条件，由上述原理可计算依此计算出θ2、θ3、θ4、θ5。 

θ5＝θ1； 

θ2＝2θ1； 

θ3＝θ4＝θ2。 

例如：若棱镜采用K9玻璃 

空气的折射率：n₀＝1 

水的折射率：n₁＝1.33 

油的折射率：n₂＝1.47 

棱镜的折射率：n₃＝1.56 

计算可得： 

α1≥39.8° 

α2≤70.44° 

α3≥58.49° 

入射角58.49°≤θ1≤70.44°，取θ1＝67.5°，可依此计算出θ2＝θ3＝θ4＝135°，θ5＝θ1＝67.5°。 

考虑到在油水界面长期接触中，在油水界面会形成一层表面张力较大的油膜，直接用探头进行测量往往不能准确测出界面的位置，本发明采用了一种滤油装置12，既能破坏油膜又能实现油水界面的准确测量，将光学传感探头16装入滤油装置12中，并将其固定，当滤油装置12一接触到油时，油立即从滤油孔进入破坏掉油膜，滤油装置12中的空气从排气孔输出，并与油罐中液位形成联通，当滤油装置12一经接触到油水界面时，滤油孔会立即破坏掉油水界面油膜，探头一接触到油水界面，立即满足全反射条件，报警停止，提示刚好到达油水界面位置，由此可准确计算罐中油位及油量。 

滤油装置套于并固定在光学传感探头上，参见图3，滤油装置包括一端开口的中空瓶状壳体，壳体的底部布设有滤油孔，壳体靠近开口的一端侧壁上设置有排气孔。为了快速破换油膜，在壳体靠近底部的侧壁也设置有滤油孔。使用时，开口朝上。 

Claims (5)

1.油水界面测量装置，包括光学传感探头、光源、光电探测装置以及报警装置，

其特征在于：所述光学传感探头包括五棱镜结构、入射端光纤、出射端光纤、设置在入射端光纤上的第一准直器以及设置在出射端光纤上的第二准直器，

所述光源经过第一准直器输入至五棱镜结构，所述五棱镜结构经过第二准直器输出至光电探测装置，所述光电探测装置与报警装置连接，

所述五棱镜结构包括第一反射边(a)、第二反射边(b)、第三反射边(c)、第四反射边(d)以及第五反射边(e)围成的封闭五边形，其中第五反射边(e)为水平边，

第一反射边(a)与第二反射边(b)之间的夹角为θ2，第二反射边(b)与第三反射边(c)之间的夹角为θ3，第三反射边(c)与第四反射边(d)之间的夹角为θ4，第一反射边(a)与第五反射边(e)之间的夹角为θ1，第五反射边(e)与第四反射边(d)之间的夹角为θ5，

满足以下关系：α1≤θ1≤α2；θ5＝θ1；θ3＝θ4＝θ2＝2θ1；

其中：α1为空气中发生全反射必需满足入射角： 

α2为在油中不满足全反射条件入射角： 

空气的折射率：n₀

油的折射率：n₁

棱镜的折射率：n₂。

2.根据权利要求1所述的油水界面测量装置，其特征在于：还包括滤油装置，所述滤油装置套于并固定在光学传感探头上，

所述滤油装置包括一端开口的中空瓶状壳体，所述壳体(15)的底部布设有滤油孔，所述壳体靠近开口的一端侧壁上设置有排气孔。 

3.根据权利要求1或2所述的油水界面测量装置，其特征在于：所述五棱镜采结构采用K9玻璃，

所述五棱镜采结构采用K9玻璃，

则39.8°≤θ1≤70.44°，

79.6°≤θ3＝θ4＝θ2≤140.88°，θ5＝θ1。

4.根据权利要求3所述的的油水界面测量装置，其特征在于：所述五棱镜采结构采用K9玻璃，取θ1＝67.5°，可依此计算出θ2＝θ3＝θ4＝135°，θ5＝θ1＝67.5°。

5.根据权利要求4所述的的油水界面测量装置，其特征在于：所述壳体靠近壳体底部的侧壁设置有滤油孔。 

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