一种原油储罐油水液位测量装置及方法技术领域
本发明属于自动测量技术领域，具体涉及一种原油储罐油水液位测量装置及方
法，主要应用于原油储罐油水液位测量。
背景技术
石油从开采到分离提炼，再到生产消费有非常复杂的过程，仅开采就是一道纷繁
复杂的工序。开采出来的石油是油、气、水的混合物，常伴有少量泥沙，需要采取工艺除去其
中的气、水和泥沙等杂质。一般说来，去除泥沙和气体是比较容易的，而去除其中的水却是
一件很复杂的工艺，油水分离技术应运而生。油水液位测量技术是根据油和水的物理或化
学性质不同，利用某种物理或化学原理辨别测量原油储罐(沉降罐、分离罐、污水罐、储存罐
等)内油水液位的一种技术。油水液位测量技术应用于油水液位测量系统，该系统包含两部
分内容，一方面需要借助油水液位测量技术开发油水液位测量装置采集测量油水液位数
据，另一方面需要将采集接收上来的数据加以整理、存储和管理。目前，国内外研究油水液
位测量的方法有很多，根据测量方式的不同，原油储罐油水液位测量装置大致可分为接触
式和非接触式两种类型，测量方法各有利弊。主要有研究油水液位测量技术主要有浮子式、
电容式、差压式、超声波式、射频导纳式、电磁波式等油水液位测量技术。
1)浮子式分离法。利用油和水的密度不同，所产生的浮力差异，通过调整浮球配重
使浮球漂浮在油水界面上，然后测量浮子的位置来测量油水界面的位置，由于油水的密度
差异很小，浮子的配重很难调整，而且原油生产工程中，油水不断搅动，浮子不能准确浮在
油水界面上。此外还需人工操作，不仅劳动强度大，难以精确控制，也会增加生产成本。
2)电容式分离法。主要依据电介质变化引起电容变化的原理，测量电容值与界面
成线性关系。这种方法应用范围较小，它不能反映油水乳化带的状态信息，并且由于挂油的
严重影响，其维护操作非常困难。目前市场上出现了分段式电容传感器，改进的目的主要是
检测乳化带的状态信息，然而，在实际应用中，其仍然无法克服挂油的影响。
3)差压式分离法。可以通过检测不同位置的压力以反映储油罐不同位置的油水混
合物密度，从理论上来讲，通过水和油的密度关系不但可以测量界面位置，还可以计算出不
同位置的含水。然而，在实际生产过程中发现，目前市场上适用于储油罐测量的压力表很难
满足精度要求，同时，由于矿化度、破乳剂、各种聚合物的影响，油和水的密度很接近(特别
对于稠油而言)并且油的密度也是变化的，而且这一变化很难在仪表中进行实时的补偿。
4)超声波式分离法。超声波在不同密度介质中传播速度不同。该方法将超声波发
生器和接收器放入油罐中，利用超声波在油和水中传播速度不同测量界面位置。其优点是
有效地克服了挂油问题，但由于发送和接收距离限制使其精度下降，并且不能实现储油罐
油量的准确计量。
5)射频导纳式分离法。通过被测介质呈现的阻抗特性反映油水界面位置。由于其
具有测量范围大、可以克服矿化度和挂油影响等优点而应用广泛。不过，仅通过电导率一个
参数很难完全反映油水乳化液的状态，无法跟随乳化带的变化，在现场应用中其误差通常
为几十厘米，最大误差可达l米左右，这样的误差很难满足实际要求。
6)电磁波式分离法。电磁波型油水液位测量技术是一种利用电磁场在不同介质中
的传播特性量化识别介质的新型液位测量技术。变化较敏感的电场、磁场；那么电场、磁场
物理量的变化将会间接的反映并代表介质单位体积及介质特性的变化。对电磁场量进行接
收分析就可以识别出不同的物质或物质状态，当介质确定后电磁波能量的消耗反映了液位
的深度。电磁波式分离法优点是测量误差较小，缺点是造价相对昂贵，且稳定性不高，需要
后期进行程序优化数据。
以上所述油水液位测量技术相对比较成熟，对应的油水液位测量装置也得到广泛
的应用，然而在实际测量过程中存在挂料、粘稠、受温度湿度影响大、漂移大、易卡死、不稳
定以及现场调试时需要反复放液、注液等弊端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原油储罐油水液位测量装置及方法，以克服现有技术
中的问题，本发明利用光在不同介质中传播和被吸收的不同差异原理，通过感光传感器采
集被介质吸收的光信号，获取不同介质之间的差异数据，区分气、油、水以及油水混合介质，
实现原油储罐油水液位稳定、高效、精确测量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种原油储罐油水液位测量装置，包括原油油罐以及设置在原油油罐中的油水液
位测量装置本体，所述油水液位测量装置本体包括并列设置在原油油罐内部介质中的光源
光照阵列和感光传感阵列，所述光源光照阵列包括若干串联的发光二极管，所述感光传感
阵列包括若干串联的光敏电阻器，光源光照阵列和感光传感阵列的顶部连接有数据采集模
块，且数据采集模块位于原油油罐顶部。
进一步地，发光二极管的外侧和光敏电阻器的外侧均设有有机玻璃。
进一步地，相邻的发光二级管之间的距离为0.5～2cm。
进一步地，相邻的光敏电阻器之间的距离为5～10cm。
进一步地，所述光源光照阵列和感光传感阵列之间的距离为5～10cm。
进一步地，光源光照阵列和感光传感阵列的底部与原油油罐底部之间的距离为20
～50cm。
进一步地，所述数据采集模块包括与感光传感阵列连接的感光检测电路，感光检
测电路的输出端连接有信号调理电路，信号调理电路的输出端连接有模数转换电路，且信
号调理电路和模数转换电路均与单片机相连。
进一步地，单片机上还连接有RS485串行接口、显示模块、键盘、报警模块以及外设
控制。
一种原油储罐油水液位测量方法，采用上述的一种原油储罐油水液位测量装置，
包括以下步骤：
步骤一：接通电源后，光源光照阵列、感光传感阵列和数据采集模块进入工作状
态；
步骤二：数据采集模块程序初始化，并进行自检处理，当有问题时则重新初始化设
置并自检，当无问题时则进入步骤三；
步骤三：输入数据采集指令，光源光照阵列作为光源发出光照信号，通过感光传感
阵列感知介质中的光照强度，获取感光数据；
步骤四：根据所获取的感光数据得到水层、油水混合层、油层以及气层所对应的传
感数据统计个数；
步骤五：通过水层、油水混合层、油层以及气层所对应的感光数据个数计算水层、
油水混合层、油层以及气层的高度。
进一步地，步骤五中计算水层、油水混合层、油层以及气层的高度具体为：
H1＝n1×h
H2＝n2×h
H3＝n3×h
H4＝n4×h+L
其中，H1、H2、H3、H4分别表示气层高度、油层高度、油水混合层高度、水层高度；n1、
n2、n3、n4分别表示气层对应的传感数据统计个数、油层对应的传感数据统计个数、油水混合
层对应的传感数据统计个数、水层对应的传感数据统计个数；h表示感光传感阵列中相邻两
个光敏电阻器之间的距离；L表示光源光照阵列和感光传感阵列的底部与原油油罐底部之
间的距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
采油厂工人在对原油储罐监管过程中，必须实时掌握原油储罐油水液位变化，稳
定、高效、精确获取原油产量。本发明装置利用光在介质中的吸收原理辨别介质性质，实现
油水液位测量自动化，减少人力物力，有利于工人实时监测原油储罐油水液位状态，适用于
测量原油储罐油水液位，特别是沉降罐、分离罐、污水罐、储存罐等油罐的油水液位的测量，
为采油厂自动化、信息化、网络化管理提供技术帮助。
进一步地，发光二极管的外侧和光敏电阻器的外侧均设有耐腐蚀透明有机玻璃，
在保证光源通过的同时保证了对发光二极管和光敏电阻器的保护。
进一步地，通过设置感光检测电路、信号调理电路、模数转换电路以及单片机，对
数据进行处理，得到有效传感数据。
本发明方法利用光源光照阵列作为光源发出光照信号，光在气、油、水及油水混合
等不同介质中传播一段距离到达感光传感阵列，感光传感阵列作为感光器件感知光照强
度，不同介质吸收光的能力不同，感光传感阵列感光器件反映出不同的光照强度物理量，当
介质确定后光照强度的消耗反映了液位的深度，利用不同介质对光的吸收程度不同的原理
检测油水液位，现油水液位测量自动化，减少人力物力，有利于工人实时监测原油储罐油水
液位状态。
附图说明
图1为本发明的油水液位测量装置安装示意图；
图2为本发明的油水液位测量装置结构图；
图3为本发明的光源光照阵列结构图；
图4为本发明的感光传感阵列结构图；
图5为本发明的数据采集模块结构图；
图6为本发明的油水液位测量装置硬件运行结构图；
图7为本发明的油水液位测量装置软件运行流程图；
图8为本发明的油水液位测量装置采集数据分析图。
其中，1、原油储罐；2、油水液位测量装置本体；3、水层；4、油水混合层；5、油层；6、
气层；7、数据采集模块；8、光源光照阵列；9、感光传感阵列；10、有机玻璃；11、光敏电阻器；
12、发光二极管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
由于相同强度的光在一定介质中传播时，光能为物质所吸收发生光吸收现象，即
原子在光照下会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。光被介质吸收后呈现出不
同的光照强度，那么光照强度物理量的变化将会间接的反映并代表介质单位体积及介质特
性的变化。根据布给-朗伯定律和比尔定律可知，对于光的吸收，重要的不是物质层的厚度
而是光通过的物质层中包含的吸收物质的质量，对于气体或溶解于不吸收的溶剂中的物
质，线性吸收系数正比于单位体积中的吸收分子数，也就是正比于吸收物质的浓度。实验证
实，光在空气、原油、水和油水混合介质中的光吸收系数是不同的，相应的，光被介质吸收后
呈现出的光照强度有明显差异的。感光传感油水液位测量装置就是利用不同介质对光的吸
收程度不同的原理检测油水液位。
利用上述光在不同介质中的吸收原理，设计矩阵式分布的光源光照阵列8，和矩阵
式分布的感光传感阵列9，由多段感光器件接收探测光穿透某一介质时被吸收后的光照强
度，并与原油储罐壁之间构成N个层面检测横断面，每个横断面中的光传输被介质吸收后，
光照强度均与介质的性质有关，如水中最大，混合层次之，纯油层再减小，空气中最小等，油
水液位测量装置工作在CPU的控制下，通过矩阵式探极结构，自上而下有序发出带有防错识
别码的横向恒定的扫描光照信号，在介质中光源发出横向光照的同时，感光端开始接收经
过被测介质吸收后的光照信号强度。油水液位测量装置上的感光传感器件把接收到的强弱
光照信号转化为电阻值变化信号，进而转化为电流脉冲信号，经过抗干扰电路过滤掉因环
境本身叠加的无效电场电流信号，剩余的纯净有效测量信号再经过解调器还原为防错识别
码脉冲电压信号，最后经过高速高精度模数转换电路变为数字信号并加以存储，接着油水
液位测量装置进行下一个矩阵点数据的收集，反复上述过程，直至完毕。对所有的数据信息
进行分析和整理，按照一定的规律进行量化处理，并做转化和归一化处置，得到我们易于观
察的数据信息，对这些信息进行相应的计算即可实现油水液位精确测量。通过数据计算可
得到油位、水位、油水混合位、油量、水量、油水混合量及含水率等油水液位数据。
因此，油水液位测量装置硬件包含三部分结构，光源光照阵列8、感光传感阵列9和
数据采集模块7。光源光照阵列8作为光源发出光照信号，光在气、油、水及油水混合等不同
介质中传播一段距离到达感光传感阵列9，感光传感阵列9作为感光器件感知光照强度，不
同介质吸收光的能力不同，感光传感阵列9感光器件反映出不同的光照强度物理量，当介质
确定后光照强度的消耗反映了液位的深度。
如图1所示，原油储罐1中含有气层6、油层5、油水混合层4和水层3，油水液位测量
装置本体2安装在原油储罐1内。如图2所示，油水液位测量装置本体2由光源光照阵列8、感
光传感阵列9和数据采集模块7三部分构成。如图3所示，光源光照阵列8内置LED光源，即发
光二极管12，外置耐腐蚀透明有机玻璃10，自顶向下等间距矩阵式排列；如图4所示，感光传
感阵列9内置光敏电阻器11，外置耐腐蚀透明有机玻璃10，自顶向下等间距矩阵式排列；如
图5所示，数据采集模块内置感光传感扫描电路，信号调理电路，模数转换电路，单片机控制
电路和RS485串口通信接口。油水液位测量装置整体模块框图如图6所示，矩阵光源LED灯和
矩阵光敏电阻器构成光源光照阵列和感光传感阵列提供介质采集信号供数据采集模块检
测、分析、转换、处理、显示和发送，数据采集模块以单片机模块为中心，包含显示模块、键
盘、报警模块、外设控制、RS485串行接口和感光检测电路、由恒流源电路、555定时器组成的
方波产生电路、放大电路和多路模拟开关构成的信号调理电路、模数转换电路等。
油水液位测量装置的数据采集程序设计方法与硬件设计相对应，采用模块化的设
计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，分别进行设计、调试，增强程序的可移植性。
整个软件系统主要有以下几部分：主程序、初始化设置子程序、自检子程序、数据采集子程
序、数据获取子程序、数据运算子程序、数据优化子程序、数据显示子程序、数据发送子程序
等。程序设计流程图如图7所示，程序经过初始化设置后，进行自检处理；若自检没有通过，
则重新初始化并进行自检处理；若自检通过，则发送数据采集指令顺序扫描感光传感阵列
并获取感光数据；再经过数据处理、数据运算，判断获取数据是否为有效数据，若不是有效
数据，则返回重新扫描获取数据；若是有效数据，则对数据进行整理、排序；最后检查感光传
感阵列数据是否获取完毕，若没有，则返回继续发送指令获取数据；若采集完毕，则对数据
进行计算、优化后，将结果显示在显示屏上，完成感光传感阵列所有数据的一次采集。
下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：
结构原理：沉降罐、分离罐、污水罐、储存罐等原油储罐中，油罐内介质含有气、油、
油水混合和水，油水液位测量装置安装在原油储罐内，如图1所示。油水液位测量装置硬件
包含三部分结构，光源光照阵列8、感光传感阵列9和数据采集模块7，如图2所示。数据采集
模块7位于原油储罐1顶部，光源光照阵列8和感光传感阵列9平行位于原油储罐1内部介质
中，之间保持5～10cm的距离，距离原油储罐底部有20～50cm的距离，可根据原油储罐实际
高度确定。
光源光照阵列8是一个带状光源，作用是为感光传感阵列9提供光信号。因LED光源
是高节能、寿命长、多变换的高新技术新型绿色环保光源，同传统光源相比有很多优势，故
而，光源光照阵列内置等间距的LED光源带，自顶向下等间距矩阵式排列，根据实际需要选
择0.5～2cm的间距；外置耐腐蚀、耐油污、不易渗透、高透明的有机玻璃材料，作为LED光源
带的保护罩，形状可做成方形或圆形形状，如图3所示。
感光传感阵列9是一个带状感光体，作用是感知从光源光照阵列经介质传来的光
信号。内置光敏电阻传感器件，自顶向下等间距矩阵式排列。光敏电阻器作为光电式传感器
的一种，具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗
过载能力强和寿命长等特点。无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很
小；当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小，其阻值随光照增强而减小。所以选择
光敏电阻采集光照信号，把不同的光照强度转化为不同的电阻值，把光敏电阻器串联在直
流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值处理。光敏电阻器之间根据实际需要选
择5～10cm的间距；感光传感阵列外置耐腐蚀、耐油污、不易渗透、高透明的有机玻璃材料，
作为内部感光传感电路的保护罩，形状可做成方形或圆形形状，如图4所示。
数据采集模块7是油水液位测量装置的大脑，内置感光传感扫描电路，信号调理电
路，模数转换电路，单片机控制电路和RS485串口通信接口，如图5所示。矩阵光源LED灯和矩
阵光敏电阻器构成光源光照阵列和感光传感阵列提供介质采集信号供数据采集模块检测、
分析、转换、处理、显示和发送，数据采集模块7以单片机模块为中心，包含显示模块、键盘、
报警模块、外设控制、RS485串行接口和感光检测电路、由恒流源电路、555定时器组成的方
波产生电路、放大电路和多路模拟开关构成的信号调理电路、模数转换电路等，单片机采用
AT89C51，价格低廉，且性能高、稳定性好，如图6所示。数据采集模块整个软件系统主要由主
程序、初始化设置子程序、自检子程序、数据采集子程序、数据获取子程序、数据运算子程
序、数据优化子程序、数据显示子程序、数据发送子程序等部分构成。程序设计流程图如图7
所示。
工作原理：油水液位测量装置光源光照阵列8作为光源发出光照信号，光在气、油、
水及油水混合等不同介质中传播一段距离到达感光传感阵列9，感光传感阵列9作为感光器
件感知光照强度，不同介质吸收光的能力不同，感光传感阵列9感光器件反映出不同的光照
强度物理量，当介质确定后光照强度的消耗反映了液位的深度。
油水液位测量装置具体工作步骤如下。
步骤一：油水液位测量装置开通电源后，光源光照阵列8、感光传感阵列9和数据采
集模块7进入工作状态。
步骤二：数据采集模块7程序初始化，并进行自检处理，油水液位测量装置各部分
硬件状态正常，方可进入下一步，若有问题启动报警，重新初始化设置并自检，直至各硬件
状态正常为止。
步骤三：通过键盘人工随机输入或程序间隔自动输入发送数据采集指令，感光传
感阵列8顺序扫描光敏电阻器感知介质中的光信号数据，经信号转换电路，信号处理电路，
多路模拟开关控制，模数转换电路获取感光数据。
骤四步：获取数据后，对数据进行处理、运算并判断获取数据是否为有效数据，数
据为零或为明显差异化数据，则返回重新扫描获取数据；反之为有效数据，则对数据进行整
理、排序。
步骤五：按照上述步骤三、步骤四进行反复操作，直至检查感光传感阵列数据获取
完毕为止。
步骤六：获取完数据后，对数据进行计算、优化，并将结果显示在液晶显示屏上，完
成一次完整的数据采集工作。
步骤七：下一次采集工作过程从步骤三开始进行，直至步骤六完毕，必要时，可关
闭电源，油水液位测量装置停止工作。
油水液位测量装置工作后，可获得如图8所示的测量数据。具体计算油水液位数据
的方法如下：
H1＝n1×h
H2＝n2×h
H3＝n3×h
H4＝n4×h+L
其中，H1、H2、H3、H4分别表示气层高度、油层高度、油水混合层高度、水层高度；n1、
n2、n3、n4分别表示气层对应的传感数据统计个数、油层对应的传感数据统计个数、油水混合
层对应的传感数据统计个数、水层对应的传感数据统计个数；h表示感光传感阵列9中相邻
两个光敏电阻器11之间的距离；L表示光源光照阵列8和感光传感阵列9的底部与原油油罐1
底部之间的距离。以5个感光数据为例，测量与实际存在误差，高度可能最小为4h，最大约为
6h，本发明目前取平均值5h，感光传感器越多，越密集，h越小，越精确。一般来说，油水液位
测量，只需要进行油层、水层和油水混合层的测量即可，气层也可以不进行测量。