磁致伸缩液位计在界面测量中的应用

摘 要:介绍磁致伸缩液位计的工作原理、特性,并和相应的测量方式作分析和比较。在化工生产当中精确测量反应器及储罐中介质的液面以及同一容器内多种介质的界面,尤其是重要的化合反应器和大容积储罐,其界面测量尤为重要。该液面的测量准确与否直接影响到企业的能源消耗、成本核算等重要问题。

在初期我们使用浮筒液位对液位进行测量,但是在动态过程当中,大多数的浮筒液位计在测量液位时反复的存在着以下几个问题。

(1)由于液体比重的变化引起了严重的输出误差。

(2)由于有的物料具有腐蚀性导致浮筒扭力管焊接处的渗透泄漏而引起输出误差。

(3)物料积聚在扭矩管或浮子上导致输出偏低或滞后。对于容器中多种介质界面的测量我们常应用差压变送器对其进行测量但是由于物料比重的变化引起了严重的输出错误。针对以上在生产当实际中存的问题,我们初期提出了多种解决方案但是在界面测量的问题中出现了较大误差,造成了较大损耗。基于这种背景,我们对此进行反复分析、实践,终于成功地用磁致伸缩式液位计解决了这一难题。

1 磁致伸缩液位计的结构特点及其工作原理

1 . 1 磁致伸缩液位计的构成

磁致伸缩式液位计是一种可对动态系统中的连续液位、界面进行测量,并提供用于监视和控制模拟信号输出的高精度测量仪表,由360度内磁浮子;传感器(压磁传感器和磁致传感管):塑封全智能化电子装置组成。液位计的核心部分是由一定的磁致伸缩物质构成的波导管。

1 . 2 磁致伸缩液位计的工作原理

磁致伸缩意指一些金属(如铁或镍)在磁场作用下具有伸缩能力。磁致伸缩的原理是利用两个不同的磁场相交时产生的一个应变脉冲信号,然后计算出这个信号被控测所需的时间周期,从而换算出准确的位置。这两个磁场一个来自活动永磁铁,另一个则来自由传感器的电子部件产生的电流脉冲(该电流脉冲同时产生一个磁场)即“询问信号”。当“询问信号”同波导管上的浮子内的永磁体所产生的磁场相交时产生相互作用,波导管发生磁致伸缩现象,产生一个应变脉冲我们称之为“返回信号”。从产生询问信号的一刻到返回信号被控测到所需的时间周期乘以固定的声音速度,我们便能准确的计算出磁铁的位置变化。由于输出信号是一个绝对值,而不是比例的或需要再放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,所以此类仪表不必和其他类型的位移传感器一样需要定期重新标定。其工作原理如图1所示

2 单法兰变送器与磁致伸缩液位计测量界面的分析、比较

争对工艺装置的运行及生产特点,过程控制工艺参数的检测要求选用高精度、维修少以及成本合理的变送器是首要考虑的因素,由于磁致伸缩变送器具有高精度,测量范围广,耐高温,耐高压的特点,因此几乎适用于所有的过程控制应用。同时这类仪表可选用hart,honywell de,ff现场总线通讯协议与上位系统进行数字连接。

2 . 1 单法兰变送器的界面测量

在化工生产当中反应器以及储罐的界面的测量是一个难点。如图2是本装置当中二氯乙烷储罐液位测量示意图。该储罐下面是二氯乙烷液体,由于二氯乙烷在常温下易气化故需要对二氯乙烷和大气进行隔离。在其上面是液封(本装置当中采用水作为液封)。由于二氯乙烷的密度比水大,所以两种物料会自动分离。这个液位值必须精确控制在一定的范围内,否则会造成二氯乙烷气化使储罐周围区域存在严重的安全隐患。对于该储罐我们一直采用单法兰变送器对界面进行测量。其测量原理如图2所示。

采用单法兰变送器测量,差压变送器测量时要用水的密度和二氯乙烷的密度来确定差压变送器的零点和量程,而这两个值都是通过理论计算出来的。如图2所示,当该储罐全部充满轻介质即水的时候该变送器lt1的零点(p1)。

p1=ρ 2h2g+p0-p0

ρ2为水的密度;

h2为该储罐的高度 ;

p0为大气压力。

当该储罐中全部充满二氯乙烷时该储罐的压力为该变送器的量程(p2)。

p2=ρ 1h2g+p0-p0

ρ2为二氯乙烷的密度;

h2为该储罐的高度 ;

p0为大气压力 ;

其误差原因分析如下。

(1)在实际储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,且在水与二氯乙烷的界面处存在这一个过渡层,该过度层的厚薄不一、且该过渡层的密度也是不确定的。由于上述原因实际两种物质的密度和理论值存在着误差。因此,上述理论计算公式中的ρl、ρ2是一个不确定的值,由于密度的变化造成了变送器的测量值存在较大的测量误差。

(2)该储罐不可能出现全部充满二氯乙烷的时候,二氯乙烷在常温下会被气化。若出现此种情况储罐中的二氯乙烷将被气化对周围环境造成严重的的安全隐患,同时操作人员对该液位也不好控制。

(3)此测量方式的测量精度低 ,所测得的液位误差较大。抗干扰能力差,液位波动较大,工艺操作难度大。

根据以上原因的分析为了安全及测量准确度的考虑我们对该储罐液位测量进行实地观察,研究,反复论证发现该测量方式在一定的条件下是不能满足测量界面的目的。

2 . 2 磁致伸缩液位计在界面测量当中的应用

争对单法兰液位计在测量界面方面存在测量精度低,误差大,抗干扰能力差等缺点。由于磁致伸缩变送器具有高精度,测量范围广,耐高温,耐高压的特点,采用磁致伸缩液位计进行测量该界面。其测量原理如图3所示。

根据该储罐的上下两种介质的实际密度确定磁致伸缩式液位计的浮子的密度,该密度介于上下两种介质的密度之间,即浮子的密度ρ2<ρ3<ρ1。由于浮子所处位置的密度是相对固定的,即含水与含二氯乙烷的百分率是相对固定的,浮子所受到的浮力也是固定的。根据浮子所受到的浮力和该浮子的重力相等的原理,浮子将漂浮在所要测量的界面位置。

浮子精确的浮在界面上从而保证了磁致伸缩式液位计的高精度测量。同时磁致伸缩液位计上再加装一个浮子就可以同时测量水封的高度。这样不但为工艺提供了精确的界面高度同时还可以提供精确的液封高度。可以使工艺操作人员对储罐内的情况了解的更清楚。

通过以上分析可以看出,磁致伸缩液位计在界面测量方面不但消除了,由于介质比重发生变化引起的测量值与实际只存在较大偏差的问题,在测量精度方面也大大地提高了,为工艺操作人员提供了更为准确的界面及储罐内的液位。抗干扰能力强,工艺操作人员操作方便同时能及时掌握储罐内的具体情况。

3 结语

磁致伸缩式变送器作为一种新兴的测量仪表,具有精度高、稳定性和可靠性强等优点。可以适用于界面液位测量,精确定位系统,以及智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。