传感器在海洋平台参数测量上的应用

传感器技术在海洋平台仪控系统中的应用
正如我们所知，海洋平台所处的环境十分复杂，通常在离海岸较远的地方，平台上有许多的设施、设备。

我们必须首先保证这些设施设备的正常工作，进而确保整个海上油气田的正常生产、平稳运行以及安全保障。

在这整个过程中，仪表控制系统充当了关键的作用，在整个生产过程中，存在着许许多多的变量，像温度、压力、流量等等。

通过仪表测量出来的数据，能够检测海上油气田生产过程的主要参数和环境状态，出现问题后能及时处理，确保生产的安全可靠。

在本文中，主要讨论传感器技术在仪控中的应用。

首先介绍传感器的定义：传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

在海洋平台仪控系统中，主要采用物理型传感器。

在海洋平台的仪控系统中，传感器主要应用于温度的测量，压力的测量，流量的测量，液位的测量。

除了在在仪表控制系统中的应用，传感器技术还在应急开关系统、火灾与可燃性气体探测报警系统设计等等中有着广泛的应用。

首先介绍传感器在温度测量上的应用以及其原理。

用于温度测量的方法有很多，最常见的有两种：接触式和非接触式。

接触式的测量仪表较为简单，测量精度高，但是由于被测介质需要与测量元件进行充分的热交换，此过程需要一定的时间，不适合于作业现场。

下面着重介绍非接触式温度测量仪表，非接触式测量仪表主要分为以下几类：1，压力式；2、双金属温度计；3、热电阻；4，热电偶。

这几种测量仪表都采用了传感器的原理。

压力式温度计是将温度的变化转变为气体或者液体受热后体积膨胀或者压力变化作为检测信号；双金属温度计将固体受热产生几何位移作为测温信号，这两种温度测量仪表都只是简单的应用了传感器技术。

热电阻和热电偶则很好的利用了传感器的原理。

热电阻是利用电阻与温度成一定的函数关系的金属导体或者半导体制成的感温元件来测量温度的。

此仪表的关键部件就是感温元件，金属导体热电阻的感温元件主要为铂、铜、镍；半导体热电阻的感温元件为锗、碳、热敏电阻等。

在这其中，金属材料的热电阻目前应用较为常见，最常用的为铂热电阻，它的物理性能稳定而且复线性好，测量精度高，还能测量较高的温度。

相比之下铜热电阻测量温度范围小，但是温度系数大，价格便宜，应用也比较广泛。

热电阻测温一般由热电阻、导线、显示仪表组成，需要注意的是热电阻和显示仪表的分度号必须一致。

热电阻测量精度高；复线性好，可保持多年温度性、精确度；响应速度快；但是热电阻价格较贵，热惯性较大，不适合在有机械振动的场合使用。

总体来说，热电阻将温度通过感温元件转变为了电信号，不仅精确度较高，而且可以非常直观的观测到温度的变化。

热电偶是将两种不同导体A和B串联在一个闭合回路中，如果结合点出现温差，则回路中就会产生电流，这种因为温差而产生热电势的现象称为“热点效应”。

导体组合称之为热电偶。

同热电阻一样，热电偶也是将温度变化转变为了电信号，但二者原理上是不同的。

热电偶的优点主要有：体积小，安装方便；价格低、精度高，测量范围广。

缺点：电势与温度之间呈非线性关系，精度不如热电阻高。

海洋平台测温仪表的选用，就地温度仪表的选择，在满足测量范围、工作压力、精确度要求下，通常选用双金属温度计；温度检测元件的选择，海上平台大部分使用热电阻。

海洋平台设设施中含有很多高压设备，压力的测量与监控是平台上必不可少的。

压力测量的仪表分为很多种类，常见的有液柱式压力表、弹簧管压力表、膜片压力表、波纹管压力表、压力变送器。

中间三种压力表又可以统称为弹性压力表，他们主要根据弹性元件受压后产生与被测压力大小成比例的形变而制成的，该仪表利用了传感器的原理，将压力转化为直
观的形变大小来测量。

当需要远距离测量或者要求测量精度较高的时候，就应选用压力变送器。

压力变送器是利用了某些物质与压力有关的物理特性，例如：压电式传感器、电容式传感器、电感式压力传感器、单晶硅式压力传感器。

可以看出这些测量压力的方法都采用了传感器的原理。

压力变送器根据检测原理主要分为电感式、电容式、电阻式、压电式、电位式、振频式。

电容式变送器是基于被测量改变线圈的电感量，从而达到检测的目的。

电感式变送器分为磁阻式、差动式和涡流式。

电阻式利用固体的压阻效应做成的。

压电式变送器是基于某些特殊压电材料的压电效应，即压电材料受到机械应力作用时，使物质内部的静电荷发生改变或者电压电势发生改变。

最近几十年，由于传感器技术、计算机技术和数字通信技术的飞速发展，使得智能变送器的技术指标、电气性能远远高于了普通的压力变送器。

智能变送器精度高，功能强，测量范围广，操作方便，还具备完善的自诊功能，广泛应用于海洋石油工程中。

在海洋平台上，配备着各种管道，主要供油气采集和输送使用，在这些管道中，瞬时流量和累计流量的测量对平台上的生产装置的操作和平台经济核算都有着很重要的作用。

平台上流量的测量主要依靠流量计，流量计主要包括差压流量计、涡轮流量计、容积流量计、超声波流量计、质量流量计、转子流量计、涡街流量计、电磁流量计等等。

其中涡轮流量计和电磁流量计主要应用了传感器技术。

二者在原理上是不同的，对于涡轮流量计而言，流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电。

电磁流量计是一种应用法拉第电磁感应定律的流量计。

流量计的测量管是一内衬绝缘材料的非导磁合金短管。

两只电极沿管径方向贯通管壁固定在测量管上，其电极头与内表面基本平齐。

励磁线圈由双向脉冲励磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通密度为B的工作磁场。

此时，如果具有一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E。

电动势E正比于磁通密度B、测量管内径D与平均流速的乘积，电动势E(流量信号)由电极检出并通过电缆送至转换器。

转换器将流量信号放大处理后，可显示流量、总量，并能输出模拟、脉冲等信号，用于流量的控制与调节。

在海洋平台上，液位的测量也是非常重要的，测量液位的方法有很多，这里主要介绍利用传感器原理的测量方法和测量仪表。

利用了传感器技术的液位测量仪表主要包括：电接点式液位计、磁致伸缩式液位计、电容式液位计。

磁致伸缩液位计的传感器工作时，传感器的电路部分将在波导丝上激励出脉冲电流，该电流沿波导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。

在磁致伸缩液位计的传感器测杆外配有一浮子，此浮子可以沿测杆随液位的变化而上下移动。

在浮子内部有一组永久磁环。

当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场想遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。

通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。

电容式液位变送器适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下连续检测各种液体。

适合测量污水、酸碱溶液、和锅炉的水位,整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高。

可替代传统的浮球式、投入式、差压式等液位变送器在各种场合下应用。

其核心部件采用先进的射频电容检测电路经过16位单片机经过精确的温度补偿和线性修正，转化成标准的电信号。

传感器技术在海洋平台上有着广泛的使用，本文只是粗略的介绍了传感器在平台测量控制系统上的应用以及某些仪表的原理，在未来，相信传感器技术在海洋石油行业将会有更为
广阔的前景。

----------------许正立
海工08-3班。