封闭体内动态液体用量的实时检测方法 【技术领域】
本发明涉及一种液体用量的实时检测方法，尤其是适合用于封闭体内动态液体用量的实时检测。
背景技术
液体的动态用量检测是在线实时监控的一种重要技术。传统的液体用量技术采用了脉冲声波回波法：以声弹作为声源，靠火药的爆炸产生声波脉冲，通过油管与套管之间环隙中的压缩天然气向井下传播。整根油管由上百个管段和接箍拼接而成，接箍之间的距离，即管段的长度，是确定和已知的。声波在传播过程中，每遇到一个接箍就会产生一个小回波；最后到达液面会反射一个强回波。安装的检波器接收到大量的回波，经过转换放大、滤波处理之后显示波形，由人工识别各个波形的种类。根据声脉冲到达油井液面之前被接箍反射的数目以及油管接箍的平均间距，计算出液面的深度，进而确定液体的总量及用量情况。这种脉冲测距的方法易受杂波干扰，测量的精度与深度受到限制。因此人们采用很多方法，如硬件滤波、小波变化、神经网络等处理回音信号，提高测量的精度(参考文献：Rowlanol，Mccoyjn，Podioal.Acoustic liquid-level determination of liquid loading in gas wells[C].SPE WesternRegional AAPG Pacific Section/GSA Cordilleran Section Joint Meeting，Anchorage，AK，UnitedStates，May 8-10，2006：374-378；何顺昌，王茂.基于小波变化的油井油液面深检测[J].仪器仪表学报，2006，26(5)：453-456；DIETR B，ROWLAN O L，MCCOY J N.Advanced teachniques foracoustic liquid-level determination[C].Proceedings-SPE Production and OperationsSymposium，Oklahoma City，OK，United State，Mar22-25，2003：127-138.)。
目前，世界上常用的液体用量检测方法：时域反射(TDR)测量法，其原理是利用电波在传输过程中遇到液面的反射特性来测量液体用量。其特点是发射端和接收端为同一端.当电脉冲波沿传输线传播至液面时，由于介质的不同，电波被反射至发射端，通过测量发射脉冲和反射脉冲的时间间隔来测量液面的高度进而得到液体的总量及用量(参考文献：许琳莉，王建华，华超.TDT液位检测研究[J].研究与开发，2007，26(9)：34-36)。
在封闭体内动态液体用量的测量过程中，常规的测试方法常常难以准确实时地监测动态的液体用量。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种利用气态方程原理，可实现对封闭体内动态液体用量进行实时准确检测的封闭体内动态液体用量的实时检测方法。
所述封闭体是指在一个已知体积的封闭体内填充了液体和少量气体，且封闭体内气体部分是密封的，不与外界进行气体交换，也没有补充的气体充入，那么封闭体应该满足气态方程。当液体排放掉后，气体的压力就会下降，体积会增大，从而达到一个新的平衡。
本发明包括以下步骤：
1)将温度传感器安装于待测的装有液体的封闭体上并与封闭体内的气体接触，将安装接合部密封防止漏气；
2)将压力传感器安装于待测的装有液体的封闭体上并与封闭体内的气体接触，安装接合部密封防止漏气；
3)将温度传感器及压力传感器所采集到的模拟信号通过信号调理放大电路进行调理放大；
4)将调理放大后的模拟信号输入数据采集卡进行A/D转换；
5)将通过A/D转换得到的数字信号数据根据气态方程V2＝(P1×T2/P2×T1)×V1及变化值V2-V1，计算得到动态液体的实时用量，其中P1、T1、V1分别为开始时封闭体上方气体的压力、温度、体积，P2、T2、V2分别为某个时刻封闭体上方气体的压力、温度、体积；变化值V2-V1即为液体用量值。
所述温度传感器的测量温度范围最好为-200～850℃，测量精度误差≤0.5％，输出信号为电压信号或电流信号(输出电流信号需要接入电阻将其转换成电压信号)。
所述压力传感器的测量压力范围最好为0～1.2MPa，精度误差≤0.5％FS(满量程)，温度补偿为-20～65℃，零点漂移小于±0.05％FS/℃，量程漂移小于±0.05％FS/℃，输出信号为电压或电流信号(输出电流信号需要接入电阻将其转换成电压信号)。
所述数据采集卡的输入电压范围最好为±5V、0～10V、0～5V，输入阻抗＞100MΩ，A/D转换时间＜8.5μS，A/D转换精度优于±0.1％。
本发明的突出优点在于：能够准确实时地监测封闭体内动态的液体用量，尤其在危险品的长途运输中，不可避免会遇到路况、温度变化等一些实际问题，那么整个封闭体内就会呈现一个动态的变化过程，采用本发明就可以对封闭体内的压力、温度及动态液体量进行实时检测及监测，从而可使运输着随时清楚封闭体内的压力、温度情况以及是否有其它危险现象，便于采取相应措施来保证整个危险品运输过程安全。
【附图说明】
图1是本发明仿真封闭体在常压常温下截取地膨胀系数随压力的变化图。在图1中，横坐标表示压力(MPa)，纵坐标表示膨胀系数；曲线a为275K，曲线b为285K，曲线c为295K。
图2是本发明仿真封闭体在常压常温下截取膨胀系数随温度的变化图。在图2中，横坐标表示温度(K)，纵坐标表示膨胀系数；从上至下，各曲线分别代表仿真封闭体内的压力P为0.1、0.12、0.16、0.18(MPa)。
图3是本发明仿真封闭体在常温常压下的灵敏度仿真图。在图3中，横坐标表示压力(MPa)，纵坐标表示膨胀系数。
【具体实施方式】
下面通过对仿真封闭体进行液体用量的实时检测及分析来对本发明的原理进行详细说明。
在仿真封闭体没有外界补充气体充入的情况下进行检测.开始时，仿真封闭体上方气体状态为P1、T1、V1，至某个时刻时，仿真封闭体上方气体状态为P2、T2、V2.气态方程为：V2＝(P1×T2/P2×T1)×V1，其中P1、T1的值可知；P2、T2的值可由传感器测得，易知V2进而可知仿真封闭体内液体的体积.其检测灵敏度计算公式为：(V1-V2)/V1＝1-(P1×T2/P2×T1)即体积膨胀系数.在常压常温下进行灵敏度分析：其中P1、T1已知，随着压力的增大，曲线向下平移，即表示当温度变化相同时罐内压力越大，测量精度要求就越高.当压力变化相同时，随着温度的升高其变化率不明显.随着温度的升高，压力小于常压时其膨胀系数慢慢减小，压力大于常压时其膨胀系数慢慢增大；当温度变化相同时，压力越大其变化率越明显.具体结果参见图1～3.
图1是仿真封闭体在常压常温下分别在T＝275K、285K、295K截取的膨胀系数随压力的变化图。由图1可见，随着温度的升高，压力小于常压时其膨胀系数慢慢减小，压力大于常压时其膨胀系数慢慢增大；当温度变化相同时，压力越大其变化率越明显。
图2是仿真封闭体在常压常温下分别在P＝0.1、0.12、0.16、0.18(MPa)截取膨胀系数随温度的变化图。由图2可见，随着压力的增大，曲线向下平移，即表示当温度变化相同时罐内压力越大，测量精度要求就越高。当压力变化相同时，随着温度的升高其变化率不明显。
图3是仿真封闭体在常温常压下的检测灵敏度仿真图。由图3可见，当仿真封闭体上方气体压力0.07MPa以上的时，测量误差很小；气体气压0.04～0.07MPa时，测量误差比较小；气体气压0.025～0.04MPa时，测量误差略微增大(其中在0.025～0.03MPa时，误差增大的幅度比较大)；0.025MPa以下时，误差明显增大，尤其是在0.01MPa以下更为显著。
整个检测系统中利用压力传感器和温度传感器采集仿真封闭体内气体的压力与温度传感信号，假设初始气压为0.1MPa，整个过程中温度变化比值T2/T1不变(若温度变化只要乘以整个过程中的温度比值T2/T1即可)。其检测灵敏度计算公式为：(V1-V2)/V1＝1-(P1×T2/P2×T1)。P1、T1、V1为封闭体上方气体初始状态，P2、T2、V2为某个时刻时封闭体上方气体的状态。则有：(V1-V2)/V1＝1-1/P2，当P2依次降至0.099、0.095、0.09、0.085、0.08、0.075、0.07、0.065、0.06、0.055、0.05、0.045、0.04、0.035、0.03、0.025、0.02、0.015、0.01、0.005、0.001(MPa)时，常温常压下的膨胀系数如下：
P2＝0.099：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.010101；P2＝0.095：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.052631；
P2＝0.09：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.111111；P2＝0.085：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.176470；
P2＝0.08：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.25；P2＝0.075：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.333333；
P2＝0.07：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.428571；P2＝0.065：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.538461；
P2＝0.06：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.666666；P2＝0.055：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝0.818181；
P2＝0.05：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝1；P2＝0.045：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝1.222222；
P2＝0.04：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝1.5；P2＝0.035：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝1.857142；
P2＝0.03：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝2.333333；P2＝0.025：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝3；
P2＝0.02：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝4；P2＝0.015：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝5.666666；
P2＝0.01：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝9；P2＝0.005：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝19；
P2＝0.001：|(v1-v2)/v1＝1-1/p2|＝99。
常温常压下检测精度的结果如下：
1.0.099→0.095:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.099-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0950.099-0.095|=0.01063225;]]>
2.0.095→0.09:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.095-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.090.095-0.09|=0.011696;]]>
3.0.09→0.085:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.09-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0850.09-0.085|=0.01307187;]]>
4.0.085→0.08:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.085-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.080.085-0.08|=0.014706;]]>
5.0.08→0.075:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.08-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0750.08-0.075|=0.0166666;]]>
6.0.075→0.07:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.075-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.070.075-0.07|=0.0190476;]]>
7.0.07→0.065:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.07-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0650.07-0.065|=0.021978;]]>
8.0.065→0.06:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.065-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.060.065-0.06|=0.025641;]]>
9.0.06→0.055:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.06-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0550.06-0.055|=0.030303;]]>
10.0.055→0.05:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.055-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.050.055-0.05|=0.0363638;]]>
11.0.05→0.045:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.05-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0450.05-0.045|=0.0444444;]]>
12.0.045→0.04:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.045-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.040.045-0.04|=0.055556;]]>
13.0.04→0.035:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.04-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0350.04-0.035|=0.0714284;]]>
14.0.035→0.03:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.035-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.030.035-0.03|=0.0952382;]]>
15.0.03→0.025:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.03-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0250.03-0.025|=0.1333334;]]>
16.0.025→0.02:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.025-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.020.025-0.02|=0.2;]]>
17.0.02→0.015:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.02-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0150.02-0.015|=0.3333332;]]>
18.0.015→0.01:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.015-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.010.015-0.01|=0.6666668;]]>
19.0.01→0.005:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.01-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0050.01-0.005|=2;]]>
20.0.005→0.001:||(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.005-|(v1-v2)/v1=1-1/p2|p2=0.0010.005-0.001|=16.]]>
由所体现的精度分析可知：当仿真封闭体上方气体压力0.07MPa以上的时，测量误差很小；气体气压0.04～0.07MPa时，测量误差比较小；气体气压0.025～0.04MPa时，测量误差略微增大(其中在0.025～0.03MPa时，误差增大的幅度比较大)；0.025MPa以下时，误差明显增大，尤其是在0.01MPa以下更为显著。
下面再以日常生活中常用的饮水机罐作为封闭体模型进行检测来对本发明作进一步说明。
通过测量V2，可测得饮水机罐内的液体用量值，实验结果的数据参见表1。
表1
P1 (Pa) V1 (m3) T1 (K) P2 (Pa) V2 (m3) T2 (K) V2-V1 (mL) A (mL) 1 100000 0.001 293 95000 0.001053 293 53 52.8 2 95000 0.001053 293 90000 0.0011115 293 58.5 58.3 3 90000 0.0011115 293 85000 0.001177 293 65.5 65.2 4 85000 0.001177 293 80000 0.0012506 293 73.6 74.1 5 80000 0.0012506 293 75000 0.001334 293 83.4 82.2 6 75000 0.001334 293 70000 0.001429 293 95 94.6 7 70000 0.001429 293 65000 0.001539 293 110 108.8 8 65000 0.001539 293 60000 0.00166725 293 128.25 130.5 9 60000 0.00166725 293 55000 0.0018188 293 151.55 153.2 10 55000 0.0018188 293 50000 0.00200068 293 181.88 185.2 11 50000 0.00200068 293 45000 0.002223 293 222.32 230 12 40000 0.002223 293 35000 0.002541 293 318 332.2
P1为气体初始压力，V1为气体初始体积，T1为气体初始温度，P2为气体某时刻压力，V2为气体某时刻体积，T2为气体某时刻温度，(V2-V1)为液体用量测量值，A为液体实际用量。
由表1的实测数据可知，利用气态方程对以饮水机罐作为封闭体所进行的液体用量测量值与液体实际用量值基本符合。测量中随着饮水机罐(封闭体)内液体的消耗，饮水机罐内腔上部的密闭空气腔的气体压力会逐步减小，随着气体压力的逐步减小，是不利于液体的排放的，测试误差也会随着压力变低迅速上升。可以采用充补气体的方式增加这个封闭腔体的气体，提高检测灵敏度。利用气态方程理论：P1V1/T1＝R1，为维持压力充入气体，R2变成R1。由P2V2/T1＝R2＝R1可知V2＝(P1×T2/P2×T1)×V1其中V1为初始灌注气体体积并可以通过备用高压气罐补充气体，补充量可以通过流量计精确检测。V2为封闭体内气体体积。封闭体内液体的用量为V-V2，其中V为封闭体的体积。
通过上述模拟检测分析，可以得出结论：这种动态液体用量的实时检测方法可以运用到实际工作中的，并具有十分重要的意义。尤其是可以应用到危险品运输过程中的实时监测，例如在油罐车的长途运输中，不可避免会遇到路况、温度变化等一些实际问题，那么整个油罐体内就会呈现一个动态的变化过程，采用本发明就可以对油罐体内压力、温度及动态油量进行实时的检测及监测，从而可使运输着随时清楚油罐体内压力、温度情况以及是否有漏油现象，从而便于采取相应措施来保证整个危险品运输过程安全。实际应用时，可再待检测封闭体上实时安装或事先安装好温度传感器和压力传感器。