磁致伸縮液位計(jì)在界面測(cè)量中的應(yīng)用

摘 要:介紹磁致伸縮液位計(jì)的工作原理、特性,并和相應(yīng)的測(cè)量方式作分析和比較。在化工生產(chǎn)當(dāng)中精確測(cè)量反應(yīng)器及儲(chǔ)罐中介質(zhì)的液面以及同一容器內(nèi)多種介質(zhì)的界面,尤其是重要的化合反應(yīng)器和大容積儲(chǔ)罐,其界面測(cè)量尤為重要。該液面的測(cè)量準(zhǔn)確與否直接影響到企業(yè)的能源消耗、成本核算等重要問(wèn)題。

在初期我們使用浮筒液位對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量,但是在動(dòng)態(tài)過(guò)程當(dāng)中,大多數(shù)的浮筒液位計(jì)在測(cè)量液位時(shí)反復(fù)的存在著以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)由于液體比重的變化引起了嚴(yán)重的輸出誤差。

(2)由于有的物料具有腐蝕性導(dǎo)致浮筒扭力管焊接處的滲透泄漏而引起輸出誤差。

(3)物料積聚在扭矩管或浮子上導(dǎo)致輸出偏低或滯后。對(duì)于容器中多種介質(zhì)界面的測(cè)量我們常應(yīng)用差壓變送器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量但是由于物料比重的變化引起了嚴(yán)重的輸出錯(cuò)誤。針對(duì)以上在生產(chǎn)當(dāng)實(shí)際中存的問(wèn)題,我們初期提出了多種解決方案但是在界面測(cè)量的問(wèn)題中出現(xiàn)了較大誤差,造成了較大損耗?；谶@種背景,我們對(duì)此進(jìn)行反復(fù)分析、實(shí)踐,終于成功地用磁致伸縮式液位計(jì)解決了這一難題。

1 磁致伸縮液位計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理

1 . 1 磁致伸縮液位計(jì)的構(gòu)成

磁致伸縮式液位計(jì)是一種可對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的連續(xù)液位、界面進(jìn)行測(cè)量,并提供用于監(jiān)視和控制模擬信號(hào)輸出的高精度測(cè)量?jī)x表,由360度內(nèi)磁浮子;傳感器(壓磁傳感器和磁致傳感管):塑封全智能化電子裝置組成。液位計(jì)的核心部分是由一定的磁致伸縮物質(zhì)構(gòu)成的波導(dǎo)管。

1 . 2 磁致伸縮液位計(jì)的工作原理

磁致伸縮意指一些金屬(如鐵或鎳)在磁場(chǎng)作用下具有伸縮能力。磁致伸縮的原理是利用兩個(gè)不同的磁場(chǎng)相交時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào),然后計(jì)算出這個(gè)信號(hào)被控測(cè)所需的時(shí)間周期,從而換算出準(zhǔn)確的位置。這兩個(gè)磁場(chǎng)一個(gè)來(lái)自活動(dòng)永磁鐵,另一個(gè)則來(lái)自由傳感器的電子部件產(chǎn)生的電流脈沖(該電流脈沖同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng))即“詢問(wèn)信號(hào)”。當(dāng)“詢問(wèn)信號(hào)”同波導(dǎo)管上的浮子內(nèi)的永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)產(chǎn)生相互作用,波導(dǎo)管發(fā)生磁致伸縮現(xiàn)象,產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖我們稱之為“返回信號(hào)”。從產(chǎn)生詢問(wèn)信號(hào)的一刻到返回信號(hào)被控測(cè)到所需的時(shí)間周期乘以固定的聲音速度,我們便能準(zhǔn)確的計(jì)算出磁鐵的位置變化。由于輸出信號(hào)是一個(gè)絕對(duì)值,而不是比例的或需要再放大處理的信號(hào),所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況,所以此類(lèi)儀表不必和其他類(lèi)型的位移傳感器一樣需要定期重新標(biāo)定。其工作原理如圖1所示

2 單法蘭變送器與磁致伸縮液位計(jì)測(cè)量界面的分析、比較

爭(zhēng)對(duì)工藝裝置的運(yùn)行及生產(chǎn)特點(diǎn),過(guò)程控制工藝參數(shù)的檢測(cè)要求選用高精度、維修少以及成本合理的變送器是首要考慮的因素,由于磁致伸縮變送器具有高精度,測(cè)量范圍廣,耐高溫,耐高壓的特點(diǎn),因此幾乎適用于所有的過(guò)程控制應(yīng)用。同時(shí)這類(lèi)儀表可選用hart,honywell de,ff現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議與上位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字連接。

2 . 1 單法蘭變送器的界面測(cè)量

在化工生產(chǎn)當(dāng)中反應(yīng)器以及儲(chǔ)罐的界面的測(cè)量是一個(gè)難點(diǎn)。如圖2是本裝置當(dāng)中二氯乙烷儲(chǔ)罐液位測(cè)量示意圖。該儲(chǔ)罐下面是二氯乙烷液體,由于二氯乙烷在常溫下易氣化故需要對(duì)二氯乙烷和大氣進(jìn)行隔離。在其上面是液封(本裝置當(dāng)中采用水作為液封)。由于二氯乙烷的密度比水大,所以兩種物料會(huì)自動(dòng)分離。這個(gè)液位值必須精確控制在一定的范圍內(nèi),否則會(huì)造成二氯乙烷氣化使儲(chǔ)罐周?chē)鷧^(qū)域存在嚴(yán)重的安全隱患。對(duì)于該儲(chǔ)罐我們一直采用單法蘭變送器對(duì)界面進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量原理如圖2所示。

采用單法蘭變送器測(cè)量,差壓變送器測(cè)量時(shí)要用水的密度和二氯乙烷的密度來(lái)確定差壓變送器的零點(diǎn)和量程,而這兩個(gè)值都是通過(guò)理論計(jì)算出來(lái)的。如圖2所示,當(dāng)該儲(chǔ)罐全部充滿輕介質(zhì)即水的時(shí)候該變送器lt1的零點(diǎn)(p1)。

p1=ρ 2h2g+p0-p0

ρ2為水的密度;

h2為該儲(chǔ)罐的高度 ;

p0為大氣壓力。

當(dāng)該儲(chǔ)罐中全部充滿二氯乙烷時(shí)該儲(chǔ)罐的壓力為該變送器的量程(p2)。

p2=ρ 1h2g+p0-p0

ρ2為二氯乙烷的密度;

h2為該儲(chǔ)罐的高度 ;

p0為大氣壓力 ;

其誤差原因分析如下。

(1)在實(shí)際儲(chǔ)罐中上面的水中含有部分二氯乙烷,下面的二氯乙烷中也含有部分水,且在水與二氯乙烷的界面處存在這一個(gè)過(guò)渡層,該過(guò)度層的厚薄不一、且該過(guò)渡層的密度也是不確定的。由于上述原因?qū)嶋H兩種物質(zhì)的密度和理論值存在著誤差。因此,上述理論計(jì)算公式中的ρl、ρ2是一個(gè)不確定的值,由于密度的變化造成了變送器的測(cè)量值存在較大的測(cè)量誤差。

(2)該儲(chǔ)罐不可能出現(xiàn)全部充滿二氯乙烷的時(shí)候,二氯乙烷在常溫下會(huì)被氣化。若出現(xiàn)此種情況儲(chǔ)罐中的二氯乙烷將被氣化對(duì)周?chē)h(huán)境造成嚴(yán)重的的安全隱患,同時(shí)操作人員對(duì)該液位也不好控制。

(3)此測(cè)量方式的測(cè)量精度低 ,所測(cè)得的液位誤差較大?？垢蓴_能力差,液位波動(dòng)較大,工藝操作難度大。

根據(jù)以上原因的分析為了安全及測(cè)量準(zhǔn)確度的考慮我們對(duì)該儲(chǔ)罐液位測(cè)量進(jìn)行實(shí)地觀察,研究,反復(fù)論證發(fā)現(xiàn)該測(cè)量方式在一定的條件下是不能滿足測(cè)量界面的目的。

2 . 2 磁致伸縮液位計(jì)在界面測(cè)量當(dāng)中的應(yīng)用

爭(zhēng)對(duì)單法蘭液位計(jì)在測(cè)量界面方面存在測(cè)量精度低,誤差大,抗干擾能力差等缺點(diǎn)。由于磁致伸縮變送器具有高精度,測(cè)量范圍廣,耐高溫,耐高壓的特點(diǎn),采用磁致伸縮液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量該界面。其測(cè)量原理如圖3所示。

根據(jù)該儲(chǔ)罐的上下兩種介質(zhì)的實(shí)際密度確定磁致伸縮式液位計(jì)的浮子的密度,該密度介于上下兩種介質(zhì)的密度之間,即浮子的密度ρ2<ρ3<ρ1。由于浮子所處位置的密度是相對(duì)固定的,即含水與含二氯乙烷的百分率是相對(duì)固定的,浮子所受到的浮力也是固定的。根據(jù)浮子所受到的浮力和該浮子的重力相等的原理,浮子將漂浮在所要測(cè)量的界面位置。

浮子精確的浮在界面上從而保證了磁致伸縮式液位計(jì)的高精度測(cè)量。同時(shí)磁致伸縮液位計(jì)上再加裝一個(gè)浮子就可以同時(shí)測(cè)量水封的高度。這樣不但為工藝提供了精確的界面高度同時(shí)還可以提供精確的液封高度?？梢允构に嚥僮魅藛T對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的情況了解的更清楚。

通過(guò)以上分析可以看出,磁致伸縮液位計(jì)在界面測(cè)量方面不但消除了,由于介質(zhì)比重發(fā)生變化引起的測(cè)量值與實(shí)際只存在較大偏差的問(wèn)題,在測(cè)量精度方面也大大地提高了,為工藝操作人員提供了更為準(zhǔn)確的界面及儲(chǔ)罐內(nèi)的液位。抗干擾能力強(qiáng),工藝操作人員操作方便同時(shí)能及時(shí)掌握儲(chǔ)罐內(nèi)的具體情況。

3 結(jié)語(yǔ)

磁致伸縮式變送器作為一種新興的測(cè)量?jī)x表,具有精度高、穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？梢赃m用于界面液位測(cè)量,精確定位系統(tǒng),以及智能機(jī)翼、機(jī)器人、自動(dòng)化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門(mén)、泵、波動(dòng)采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。