液位測量在工業測量中應用極為廣闊，準確的液位測量是生產過程控制的重要手段，在石油工業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。
原油儲油罐的內部的液位工況十分復雜，原油的物理特性不僅隨產地變化，而且和氣候也有極大的關系；同時，罐內的壓力變化，彌漫的水蒸氣、各種油基類揮發氣體也對液位測量的準確性產生很大的影響。針對這一特殊的環境，許多針對罐內原油液位測量的專業儀表不斷涌現，但多數都存在價格昂貴，安裝施工復雜，有介質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，煙氣等環境干擾。
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
超聲波在介質中傳播時，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，設超聲波的空氣中波速為V，發射時刻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
超聲在介質中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現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，由于介質的吸收，將聲能轉換成為熱能，因而使聲能減小。后一類的機理比較復雜，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規律下降，可表示為：
衰減系數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距離測距時選用高頻探頭的原因。原油油罐內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液位準確測量的前提。
1.3 系統簡介
確定了總體方案后，以盤錦油田某小型采油站為試點，對測量系統進行了構建。基本系統如圖 2 所示:
考慮到原油中存在相當數量的可燃氣體（如甲烷和各種揮發類物質），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，實測400m，檢測的液位信號與上位機通訊采用了無線傳輸的方式，載頻433MHz，該頻點無需申請，由于無線模塊內部采用專業的射頻芯片，并融入了鎖相環技術，靈敏度，空曠地帶理論傳輸距離可達1.2km，并且協議透明，無需二次編程，只需簡單的設置即可投入運行。計算機終端使用VB 自編的監測、管理軟件,承擔著油罐群的液位巡檢、記錄顯示、管理和打印任務。
2、原油液位測量過程中遇到的干擾因素及解決方法
2.1 干擾因素
實際的小型原油儲油罐的實際結構如圖3 所示，多為圓形臥罐，除了罐體內的底部有高低錯綜復雜的盤管（輸油管，加熱管）外，為了保證罐體具備足夠的強度，罐體內部還有許多加強用的拉筋（簡圖中未標出）。
如果利用傳統的超聲波液位檢測系統進行液位測量時，會導致測量結果存在誤差，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）在實地考察中還發現，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。因此油罐內的水蒸氣地成為不可小視的干擾源，當水蒸氣聚集在超聲波探頭下方時，液位計的輸出經常會有“虛高”現象發生，同時罐內的沸點較低的揮發類物質，由于加熱而形成的煙氣也會對液位檢測產生明顯的干擾。
下表為加裝探頭后，某日連續現場采集的對比數據，單位為米：
備注：*1：由盤管及拉筋造成的回波干擾。*2：由煙氣造成的虛高。
2.2 抗干擾措施
經過反復設計實驗，特實踐了如下改進措施：
（1）測量中采用導波管。導波管是一剛性的、內壁十分光滑的圓筒，理論上其內徑大于超聲波換能器直徑即可。導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，在換能器的上側開有8 個呼氣導壓微孔，下端插入盤管的縫隙,并沒入液位以下5-10cm。導波管的運用，使得超聲波只能在管內傳播和反射，大大降低了無用回波的干擾，同時由于導波管相對封閉，也在一定程度上杜絕了水蒸氣的給液位計造成的“虛高”干擾。加裝導波管的油罐如圖5 所示：
實際測量中為了解決原油在導波管內的掛壁問題，也可采用雙導波管結構，其結構是在大導波管內裝入一較細、較短的同軸導波管，兩管的上端平齊，小導波管的長度很短，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上，大幅度降低換能器的功率，同時降低接收靈敏度，使干擾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）在加裝的導波內放置圓形隔離浮板，浮板的厚度適中，直徑略小與導波管內徑。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干擾。
3 結論
經過設計和實際跟蹤調試，證明所設計的超聲波液位檢測系統是可行的，部分薄弱的環節經過改善后，出現的大部分干擾被成功抑制，對露天油罐群的檢測可以長期運行，同時對原油罐內復雜工況的液位測量做到了成本與精度的兼顧, 具有廣闊的應用前景。
* 創新聲明：本項目真題真做，使用超聲波液位計，并結合改造的導波管技術，發揮了超聲波非接觸檢測和維護強度極低的優點，系統性能穩定使用，在中小油田設備改造
中具有廣闊的應用前景，對類似的復雜工況物位檢測也具有借鑒意義。
本項目產生的直接經濟效益不低于10 萬元
