一种油水分界面升降位置监测装置制造方法
【专利摘要】一种油水分界面升降位置监测装置，由界面随动标识浮体(7)和护筒(11)组成。界面随动标识浮体(7)由界面浮筒(8)、标识杆(9)和标识盘(10)组成，同轴套装在护筒(11)内，垂直悬浮在油水分离箱的油水混合物中。护筒(11)由外筒(12)和上界限盘(15)、下界限盘(14)和信号开关(16)组成，与油水分离箱壁固连，上界限盘(15)和下界限盘(14)同轴设置在外筒(12)内，分别平行于标识盘(10)的上、下方。信号开关(16)安装在上界限盘(15)、下界限盘(14)与标识盘(10)相对的一面。本发明适用于比重不同且互不相容的两种液体分界面位置的监测。
【专利说明】一种油水分界面升降位置监测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种监测油水分界面升降位置的装置。
【背景技术】
[0002]现有的海洋溢油回收分离装置如图1所示，一般都把油水一起送入油水分离箱。由于油的比重比水轻且油水互不相容，油上浮集中在上层，形成油水分层，且在油水之间存在油水分界面。随着溢油回收的进程，油水分离箱中积集的油层不断增厚，不含油的水从水箱底部的出水口排出，油水分界面随 之不断下降；当水面的油层达到一定厚度时，需把油从油水分离箱中排出；随着排油的进程，水面的油层不断变薄，而油水分界面不断上升，当油层薄到一定程度时，需要停止排油。为了确定排油和停止排油时刻，以及防止水与油一起排出，需监测油水分界面的升降位置。中国专利201210073954.6利用油与海水导电性能的差异，采用电极探针法监测油水分界面的升降。这种方法存在如下缺点:首先是电极在海水中通电时存在电解过程，会不断产生电化学反应，电极表面腐蚀、易沉积一些不导电的物质，且油水分离箱上层的泡沫状油水气混合物易积集在电极表面，这些因素严重影响了电极探针监测的灵敏度和实时性；其次，这种方法不能监测油水分界面升降的全过程，也不适用于不导电的水(如湖水和河水)与油分界面的监测。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于浮体稳定平衡原理监测油水分界面升降位置的装置。
[0004]本发明装置主要由界面随动标识浮体和护筒组成，界面随动标识浮体同轴套装在护筒内。本发明装置垂直竖立在油水分离箱的油水混合物中，且与油水分离箱的箱壁固连。所述的界面随动标识浮体由界面浮筒、标识杆和标识盘组成，界面浮筒、标识杆和标识盘同轴套装在护筒内。所述的界面浮筒为轴对称的浮筒，其上、下底面封闭，比如圆筒形浮筒。界面浮筒内的下半部填有附加物，附加物的密度为水或海水密度的数倍，以降低界面浮筒的重心，使界面随动标识浮体的重心低于浮心，垂直悬浮在油水分离箱的油水混合物中。当未积集油时，界面浮筒的上底面与水面齐平，界面浮筒完全浸入水或海水中的浮力等于界面随动标识浮体的重量。所述的标识杆为中空的细直杆，同轴垂直固定在界面浮筒的上底面，且与界面浮筒连结为一体。标识杆与界面浮筒内腔连通，以便通过从标识杆向界面浮筒内填加附加物的方法，准确地调整界面浮筒的浮力，使界面浮筒完全浸入水或海水中的浮力等于界面随动标识浮体的重量；标识杆的横截面面积Sb小于界面浮筒的横截面面积Sf，界面浮筒的横截面面积Sf与标识杆的横截面面积Sb之比kl = Sf/Sb?l，一般为80~200。所述的标识盘为一圆形盘片，同轴套装在标识杆上且盘片的平面与标识杆轴线垂直，标识盘可沿标识杆轴线上下移动定位且定位后可方便地固定，以便调整它在标识杆的垂向位置。
[0005]所述的护筒由外筒、界限盘以及信号开关组成，护筒同轴套装在界面随动标识浮体的外面且与油水分离箱的箱壁固连。外筒为上、下开口的管筒，外筒的下段垂直浸入水中，外筒的内径比界面随动标识浮体的外径略大，界面随动标识浮体同轴套装在外筒中，可上下自由浮动。外筒的壁面开有多个通孔，使护筒内外的液体自由连通均压，并对护筒外的液体因流动而推压护筒内界面随动标识浮体有阻隔作用，从而保护界面随动标识浮体能够平稳地随油水分界面的升降而升降浮动。所述的界限盘是一个圆形盘片，圆形盘片的中心开有孔，且孔的直径略大于标识杆外径，界限盘设置在外筒内，与外筒同轴，界限盘的盘面与外筒的轴线垂直，界限盘可沿外筒的轴垂直上下移动定位，且定位后可方便地固定。界限盘共两片，即上界限盘和下界限盘，上界限盘和下界限盘分别设置于标识杆上标识盘的上方和下方，构成标识杆上升、下降的界限。在界限盘上与标识盘相对的一面设置有信号开关，标识盘、界限盘和信号开关与控制系统连接。当标识盘升降压迫界限盘上所述的信号开关时，控制系统发出信号供控制用。信号开关可以是微动开关、轻触开关；标识盘和界限盘也可以都是导电金属盘。当标识盘上升至与上界限盘接触并开启上界限盘上的信号开关时，控制系统发出标识盘上升至上界限的信号；当标识盘下降至与下界限盘接触并开启下界限盘上的信号开关时，控制系统发出标识盘下降至下界限的信号。同时可用肉眼观测标识杆及标识盘的升降，监测油水分界面的升降过程。上、下界限盘之间的垂直距离根据控制的需要而定。
[0006]本发明油水分界面升降位置监测装置监测油水分界面升降的过程如下:
[0007]油水分离箱内未积集油时，界面浮筒的上底面与水面齐平，即界面随动标识浮体的重量等于界面浮筒完全浸入水或海水中的浮力。当油水分离箱水面上积集有厚度为Hl的油层时，由于油层的重力作用将迫使油水分界面下降H3的高度，
[0008]H3 = Hl/k2,
[0009]其中，k2为水或海水密度与油密度之比，且k2 = P s/p y>l，P y为油的密度，P s为水或海水的密度。
[0010]此时，悬浮于油水分离箱中的界面随动标识浮体也随之下降，按浮体稳定原理达到新的平衡。达到新的平衡后，标识杆靠近界面浮筒上底面的长为Ly的部分浸于油中，标识杆受到的浮力为Fy，
[0011]Fy = Ly.Sb.P y.g
[0012]其中:g为重力加速度。
[0013]然而，此时界面随动标识浮体的重量没有变化，而标识杆的浮力有所增加，界面浮筒受到的浮力势必减小。因而，界面浮筒上底面将偏离油水分界面而浸入到水面上的油层中，从而使界面浮筒浮力的减小量等于标识杆浮力的增加量，即:
[0014]H2.Sf.( P S- P y).g = Fy = Ly.Sb.P y.g,
[0015]H2 = Hl-Ly = Hl/[kl (k2_l) +1]
[0016]上式中:H2为界面浮筒浸入油层的垂直高度；Λ H = Η3-Η2为界面随动标识浮体跟随油水分界面下降而下降的高度。
[0017]界面随动标识浮体下降的高度Λ H略小于油水分界面下降的高度Η3，两者相差Η2 ；Η2表征了界面随动标识浮体跟随监测标识实际油水分界面位置的偏差，而且总是负偏差，与油层的厚度成正比。
[0018]Η2/Η3 = k2/[kl (k2_l)+l]表征了界面随动标识浮体监测标识实际油水分界面位置的偏差度。偏差H2和偏差度H2/H3均与kl、k2成反比，由于一般取kl = Sf/Sb = 80?200，k2 = P s/P y>l，所以，这两值都是很小的。
[0019]实用中，在初始时刻油水分离箱内未积集油时的水面高度位置或略低的位置Hs设置上界限盘，在未积集油时的水面高度位置往下Λ H = Η3-Η2的位置设置下界限盘。随着油层厚度的增加，油水界面下降，标识杆及其上的标识盘随油水分界面的下降而下降；当油层厚度为Hl时，标识盘降到下界限盘的位置，压迫其上的信号开关，控制系统发出排油信号。随着油的排出，油层变薄，油水界面上升；当标识盘上升到上界限盘的位置，压迫其上的信号开关时，控制系统发出停止排油信号。如此反复，标识杆及其上的标识盘随油水分界面的升降而升降，通过控制系统控制油水分离箱排油的过程，同时还可以用肉眼从标识杆及其上的标识盘的升降监测油水分界面的升降过程。
[0020]本发明装置采用浮体稳定平衡原理实现了油及与其不相容的导电和非导电液体，如海水和湖水，之间分界面的随动监测，不需在海水中通电，更加安全可靠。通过设定合适的界面浮筒横截面面积与标识杆横截面面积之比，提高控制过程的灵敏度和精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1油水分离箱示意图，图中:1油水分离箱，2油水入口，3海水，4油，5油水分界面，6水出口 ；
[0022]图2油水分界面升降监测装置示意图，图中:7界面随动标识浮体，11护筒，12外筒，13孔，14下界限盘，15上界限盘，16信号开关；
[0023]图3界面随动标识浮体示意图，图中:3水或海水，5油水分界面，即未积集油时的水面，7界面随动标识浮体，8界面浮筒，9标识杆，10标识盘；
[0024]图4界面随动标识浮体工作过程示意图。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0026]如图2所示，本发明由界面随动标识浮体7和护筒11组成，垂直竖立在油水分离箱内。界面随动标识浮体7同轴套装在护筒11内，界面随动标识浮体7垂直悬浮在油水混合物中，可沿垂直方向上下自由浮动。护筒11由外筒12、上界限盘15、下界限盘14以及信号开关16组成，护筒11同轴套装在界面随动标识浮体7的外面，与油水分离箱的箱壁固连，且其下段垂直浸入海水中。
[0027]护筒11的外筒12为上、下开口的管筒，其下段垂直浸入海水中。外筒12的内径比界面随动标识浮体7的外径略大。外筒12的壁面开有多个通孔13。上界限盘15和下界限盘14是圆形盘片，同轴设置在外筒12内，盘片的平面与外筒12的轴线垂直，并可沿外筒12的轴垂直上下移动定位，且定位后可方便地固定；上界限盘15设置于标识杆9上的标识盘10的上方，构成标识杆9的上界限；下界限盘14设置于标识杆9上的标识盘10的下方，构成标识杆9的下界限；在上界限盘15和下界限盘14上与标识盘10相对的一面设置有信号开关16，标识盘10、界限盘和信号开关16与控制系统连接。当标识盘10上升或下降压迫界限盘上的信号开关16时，控制系统发出信号，供控制排油之用。上界限盘15和下界限盘14之间的垂直距离根据控制的需要而定。[0028]如图3所示，界面随动标识浮体7由界面浮筒8、标识杆9和标识盘10组成，总质量为1.63kg,界面随动标识浮体7垂直悬浮在海水3中；标识杆9的直径Db = 8mm,高hb=400mm ；Sf/Sb = (Df/Db) 2 = kl = 156 ;标识盘 10 的外径 Dj = 80_。界面浮筒 8 的直径Df = 100mm,高hf = 200mm,界面浮筒8的内下部充填铁砂，以保证其重心B低于浮心A ；界面浮筒8完全浸没在海水的浮力等于其排水量，为1.63*9.8 = 15.974N，未积油时的水面5与界面浮筒8的上底面齐平。
[0029]如图4所示，界面随动标识浮体7置于海水中，当油水分离箱内未积集油时，由于界面浮筒8的排水量恰好等于界面随动标识浮体7的重量，所以界面浮筒8的上底面与海水表面齐平。随着溢油回收的进程，油水分离箱中积集的油层不断增厚至Hl = 80mm，下层海水密度 Ps = 1040kg/m3,上层油密度 Py = 860kg/m3, k2 = P s/ P y = 1.209。水面上的油层所压致使油水分界面下降H3 = k2.Hl = 66mm。标识杆9靠近界面浮筒8上底面的一部分浸入油中，产生部分附加浮力，致使界面浮筒8的上表面从油水分界面上升H2 =Hl/[kl (k2-l)+l] = 2.3mm。水面上油层厚度为80mm时,实际油水分界面下降H3 = 66mm,而界面随动标识浮体7指示的位置下降为Λ H = 63.7mm,界面随动标识浮体7所标识油分界面位置与实际的油水分界面位置偏差H2 = 2.3mm，相对偏差为H2/H3 = 0.034。
[0030]为了设定排油和停止排油的控制信号，按如下办法设置界限盘与标识盘10的相对位置:在油层厚度为80mm时，调整标识盘10与下界限盘14上的信号开关16接触，控制系统发出排油的信号，即在油层积集至80mm时排油；油层厚度20mm时，调整标识盘10的位置使其与上界限盘15的信号开关16接触，控制系统发出停止排油信号。如此设置可控制油水分离箱的油层在20?80mm之间进行排油与停止排油之间切换，不会把海水与油一起排出。
[0031]本发明装置无需在液体中通电，适用于油与其不相容的导电和非导电液体之间分界面的实时监测。
【权利要求】
1.一种油水分界面升降位置监测装置，其特征在于:所述的监测装置主要由界面随动标识浮体(7)和护筒(11)组成，垂直竖立在油水分离箱内；界面随动标识浮体(7)由界面浮筒(8)、标识杆(9)和标识盘(10)组成，界面随动标识浮体(7)同轴套装在护筒(11)内，界面随动标识浮体(7)的重心低于浮心，界面随动标识浮筒(7)垂直悬浮在油水分离箱的液体中且沿垂直方向上下自由浮动；标识杆(9)同轴垂直固定在界面浮筒(8)的上底面，且与界面浮筒(8)连结为一体；标识杆(9)的横截面面积Sb小于界面浮筒(8)的横截面面积Sf，且界面浮筒(8)的横截面面积Sf与标识杆(9)的横截面面积Sb之比为k1;
ki = Sf/Sb?l ； 标识盘(10)同轴套装在标识杆(9)上；界面随动标识浮体(7)的重量等于界面浮筒(8)完全浸入水或海水中的浮力；界面随动标识浮体(7)在未有油的情况下浸入所述液体中时，界面浮筒(8)的上底面与所述液体的液面齐平。
2.按照权利要求1所述的油水分界面升降位置监测装置，其特征在于:所述的界面浮筒(8)是上、下底面封闭的轴对称的浮筒；标识杆(9)是中空的细直杆，与界面浮筒(8)的内腔连通；标识盘(10)是圆形盘片，盘片的平面与标识杆(9)的轴线垂直，能够沿标识杆(9)的轴线上下移动定位，定位后能方 便地固定；界面浮筒(8)内的下半部填有附加物，附加物的密度为水或海水密度的数倍；界面浮筒(8)的横截面面积Sf与标识杆(9)的横截面面积Sb之比Ii1 一般为80~200。
3.按照权利要求1所述的油水分界面升降位置监测装置，其特征在于:所述的护筒(11)由外筒(12)、上界限盘(15)、下界限盘(14)和信号开关(16)组成；外筒(12)为上、下开口的管筒，外筒(12)的壁面开有多个通孔(13)，外筒(12)的内径比界面随动标识浮体(7)的外径略大，外筒(12)同轴套装在界面随动标识浮体(7)的外面，且与油水分离箱的箱壁固连；上界限盘(15)和下界限盘(14)为开有中心孔的圆形盘片，同轴设置在外筒(12)内；上界限盘(15)和下界限盘(14)分别设置于标识盘(10)的上方和下方，上界限盘(15)和下界限盘(14)的盘面与外筒(12)的轴线垂直，且能够沿外筒(12)的轴垂直上下移动定位，定位后能够方便固定；上界限盘(15)和下界限盘(14)的中心孔的直径略大于标识杆(9)的外径。
4.按照权利要求3所述的油水分界面升降位置监测装置，其特征在于:所述的信号开关(16)安装在上界限盘(15)和下界限盘(14)与标识盘(10)相对的一面；标识盘(10)、上界限盘(15)、下界限盘(14)和信号开关(16)与控制系统连接；当标识盘(10)升降压迫上界限盘(15)或下界限盘(14)上的信号开关(16)时，控制系统发出控制信号；当标识盘(10)上升与上界限盘(15)接触并开启信号开关(16)时，控制系统发出标识盘(10)升达上界限的信号；当标识盘(10)下降与下界限盘(14)接触并开启信号开关(16)时，控制系统发出标识盘(10)下降至下界限的信号；上界限盘(15)和下界限盘(14)之间的垂直距离根据控制需要而定。
5.按照权利要求3所述的油水分界面升降位置监测装置，其特征在于:所述的信号开关(16)为微动开关或轻触开关；所述的标识盘(10)、上界限盘(15)和下界限盘(14)为导电金属盘。
6.按照权利要求1所述的油水分界面升降位置监测装置，其特征在于:所述的监测装置监测油水分界面升降的过程如下:油水分离箱内未积集油时，所述的界面浮筒(8)的上底面恰好与水面齐平；油水分离箱水面上积集有厚度为Hl的油层时，由于油层的重力作用将迫使油水分界面(5)下降H3的高度，
H3 = HlA2 其中:k2为水或海水的密度与油密度之比，且k2 = Ps/Py>l， P y为油密度，P s水或海水的密度； 所述的界面随动标识浮体(7)也随之下降，并按浮体稳定原理达到新的平衡:标识杆(9)靠近界面浮筒(8)上底面高度为Ly的部分浸于油中，产生浮力Fy:
Fy = Ly.Sb.Py_g
其中g为重力加速度； 界面浮筒(8)的上底面偏离油水分界面(5)浸入到水面上的油层中，使界面浮筒(8)浮力的减小量等于标识杆(9)浮力的增加量，即:
H2.Sf.( P s_ P y).g = Fy = Lr Sb.P y.g,
H2 = Hl-Ly = Hl/[kl(k2_l)+1] H2为界面浮筒(8) 浸入油层中的垂直高度；
Δ H = H3-H2 Λ H为界面随动标识浮体(J)跟随油水分界面(5)下降的高度； Η2表征了界面随动标识浮体(7)跟随监测标识实际油水分界面(5)位置的偏差，Η2/Η3 = k2/[kl (k2-l)+l]表征了界面随动标识浮体(7)监测标识实际油水分界面(5)位置的偏差度；偏差H2和偏差度H2/H3均与kl、k2成反比。
【文档编号】G01F23/30GK103954331SQ201410193309
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】赵凌志, 彭爱武, 沙次文, 李然, 刘保林, 李建, 夏琦, 刘江瑾 申请人:中国科学院电工研究所