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        液位檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

        2013-08-10 02:57:46葛君山
        船電技術(shù) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:液位計差壓變送器

        葛君山

        (江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系,南京 211170)

        0 引言

        液位檢測包括液位信號器和連續(xù)液位測量兩種。液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測量,如上、下限指示,連續(xù)液位測量是對液位進行連續(xù)地測量。液位測量方法很多,有電容法、電阻法、磁致伸縮法、磁翻板法、振動法、浮子液位計法、液位開關(guān)法、安全閥法、伺服液位計法等。本文介紹了工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的幾種液位測量方法,并分析、比較這幾種檢測方法的特點,指出了液位檢測的發(fā)展趨勢。

        1 差壓式液位測量

        差壓法是目前最常用的測量儲罐內(nèi)液位的方法之一,差壓式液位計測量原理圖如圖 1。差壓計一端接液相,另一端接氣相,根據(jù)流體靜力學原理,P1= P2+Hρg。式中: H為液體高度;ρ為被測介質(zhì)密度;g為被測當?shù)氐闹亓铀俣取tΔP=P1- P2=Hρg。

        圖1 差壓式液位測量原理圖

        該方法只有在液體密度恒定不變的條件下,差壓ΔP與液體的高度 H成正比關(guān)系,而液體密度是液體組份和溫度的多元函數(shù),當液體組份和溫度變化導致密度改變時,將引起差壓式液位測量的誤差。為此采用雙差壓法[1],如圖 2所示。其中差壓傳感器 1用于測量未知液位高度 H 產(chǎn)生的差壓, 即密閉容器底部和液面上方的壓力差P1-P2=Hρg,差壓傳感器2用于測量已知液位高度h 產(chǎn)生的差壓, 即容器底部和液面下方取壓點的壓力差P1-P3=Hρg。

        圖2 雙差壓法測量液位的原理圖

        由上兩式可得

        式中:H為容器內(nèi)被測液面高度;h為液面下方兩固定取壓點間的垂直距離。

        由上式可見, 雙差壓法可消除液位密度變化對液位測量的影響。

        在測量容器或貯罐液位時,往往取壓口與變送器引壓室不在同一水平線上。當變送器安裝的位置低于取壓口時,就會把引壓管中存在的一段附加液柱壓力引到變送器內(nèi)并產(chǎn)生測量誤差,稱為正遷移;反之,變送器安裝的位置高于取壓口的位置時,為負遷移。在實際應用中差壓變送器一般放在下取壓口的下面,由于下取壓口到變送器的正壓室的引壓管已被被測介質(zhì)充滿,而上取壓口到變送器負壓室的引壓管理論上是氣相,由于液位波動或氣相冷凝會有液體聚集在負壓的引壓管內(nèi),使變送器的負壓始終受到積液壓力的影響,從而形成不穩(wěn)定的零點漂移??朔闫挠行Х椒ㄊ窃谪搲汗苤泄酀M液體,但同時增加了附加的液柱壓力。從上、下取壓口到變送器的正負遷移相抵消一部分,余下部分為遷移,采用遷移機構(gòu)或電路消除此附加壓力的影響。在實際應用中,為防止容器內(nèi)液體和氣體進入變送器而造成管線堵塞或腐蝕,并保持負壓室的液位高度恒定,在變送器正、負壓室與取壓點之間分別裝有隔離罐,并充以隔離液。

        差壓式液位測量,具有精度高(0.7%),漂移小,抗過載能力強等特點[8]。目前,生產(chǎn)差壓液位計的廠家較多。

        2 超聲波法液位測量

        超聲波頻率在2×104~2×1013Hz,在氣體中傳播衰減少。超聲波測量液位的方法比較多,其中應用比較廣泛的是脈沖回波法。該方法是從聲波源發(fā)出超聲波,超聲波經(jīng)介質(zhì)傳播到被測界面時,會在液體表面反射形成反射波,反射波被超聲波檢測器接受,測量超聲波從發(fā)射到接受所需時間,再根據(jù)介質(zhì)中超聲波傳播速度和換能器的安裝高度計算出液位高度,如圖3。

        圖3 脈沖回波法原理圖

        從圖3中可見液位的高度計算公式為:L= L0-V·t/2,式中:V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;t為超聲波往返傳播時間。

        超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、壓力、溫度、濃度等因素影響。實際應用中,可采用多個換能器,將上式中的傳播速度V抵消掉,避免超聲波傳播速度的影響。

        超聲波法液位測量結(jié)構(gòu)簡單,方便安裝及維護,屬于非接觸式測量,可用于有毒、腐蝕性氣體、高粘性液體的液位測量,響應時間短,具有實時性。但不宜用于含氣泡或固體顆粒的液體[2]。

        3 光纖液位測量

        光纖傳感器是近幾年迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器,從根本上克服了電氣測量方法帶來的火災隱患,可用于易燃易爆的惡劣環(huán)境。其基本檢測原理是利用光學技術(shù),發(fā)光器件發(fā)出的光通過光纖傳送到被測表面,一部分透射,另一部分被反射,反射光經(jīng)光纖接收傳回,被光電器件接受,根據(jù)反射光量判定液面高度。目前國內(nèi)已有許多廠家生產(chǎn)光纖液位計,已用于生產(chǎn)過程的有:雙波紋管結(jié)構(gòu)光纖液位計、浮筒式光纖液位計、反射式動柵光纖液位計等。

        光纖液位測量具有靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾、耐腐蝕,尤其適用于易燃易爆的惡劣環(huán)境,適用于多種液體的液位測量。其缺點是不能探測污濁液體以及會粘附在測頭表面的粘稠物質(zhì)的液位。

        4 激光液位測量

        激光本質(zhì)上屬于電磁波,具有高亮度、高方向性、單色性好、高相干性的特點。激光頻率范圍6×1011~3×1016Hz,其傳播速度為光速。激光測距主要有脈沖法和相位法,用得較多是脈沖法。

        激光脈沖法測量液位的原理類似于超聲波法,激光發(fā)射頭向被測液面發(fā)出激光脈沖,液面反射或散射回來的激光脈沖被激光器接收端接受,根據(jù)測得的激光脈沖往返一次所需時間Δt,由h= c ·Δ t /2(c為光速)換算得到液面高度h,在實際應用中常常在液體的表面放一個浮子。

        激光液位測量是將檢測信號施加于安全功率的激光上,適用在油罐液位測量等易燃易爆的環(huán)境,具有很好的安全性,同時無活動部件,維護方便,系統(tǒng)抗干擾性強,價格相對較低。不足之處,光學鏡頭易受污染,影響測量結(jié)果。

        5 雷達波法測量液位

        雷達波法測量液位,利用喇叭狀波導管發(fā)射低功率微波(幾十微瓦),遇到被測液面后,部分微波反射回來,被同一天線接受,通過測量發(fā)射、接受的時間差來間接測量液位。

        由于微波的傳播速度很快,要精確地測量雷達波的往返時間比較困難,目前采用微波脈沖法和連續(xù)波調(diào)頻法來解決。微波脈沖法的工作原理是雷達波發(fā)送器發(fā)出一系列脈沖信號,接收到的反射波與發(fā)射波進行合成,得到合成脈沖雷達波,然后通過測量發(fā)射波和反射波的頻率差間接計算脈沖波的往返時間。

        雷達波法測量液位時,常采用導波管,一方面,若被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)比較小,會在物料表面產(chǎn)生反射和折射,使得物料表面有效的反射信號強度被衰減,嚴重時會導致無法正常工作,采用導波管,用來提高反射回波的能量,以提高測量的準確度;另一方面,導波管還可以消除由于容器的形狀而導致多種回波所產(chǎn)生的干擾。

        由于微波在傳輸過程中受灰塵、煙霧及強光的影響很小,雷達波法測量液位可用于腐蝕性、高黏度和有毒液體的液位以及固體料位的測量,測量裝置沒有可動部件,無測量盲區(qū),雷達波傳播速度取決于介質(zhì)的相對介電常數(shù)和磁導率,因此不受溫度、壓力等影響,屬于非接觸測量,實時性好。不足之處,價格較高。

        6 液位檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

        隨著自動控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,對液位檢測技術(shù)的要求也越來越高,液位檢測的方法及相應的儀表也在不斷改進和更新,出現(xiàn)了很多液位測量方法,如新型電容陣列式液位傳感器[5],利用集成開關(guān)式霍爾元件研制的一種基于串行擴展技術(shù)的液位測量傳感器[6],采用線陣CCD通過對液面反射光斑的位置測量實現(xiàn)了對黏稠液體液位的精確測量[7],利用儲罐內(nèi)液體加注時所激發(fā)聲音的頻率變化進行罐體內(nèi)液位的測量[3]等等?,F(xiàn)場情況錯綜復雜,沒有哪一種檢測方法能適應所有的介質(zhì)和環(huán)境,需結(jié)合實際情況和精度要求選用技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的測量方法。

        隨著計算機應用的普及,直接輸出數(shù)字信號的數(shù)字化液位傳感器越來越受到重視,納米技術(shù)、生物工程技術(shù)的發(fā)展拓展了液位測量的方法。總之,為滿足現(xiàn)場液位測量要求,液位檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢[8],一方面新的測量原理運用,擴大檢測的手段;另一方面,檢測儀表方面向數(shù)字化、智能化,實現(xiàn)適時、在線、高精度的測量,提高對惡劣環(huán)境的適應能力。

        [1]江通, 胡海峰. 差壓原理液位精確測量的應用. 工業(yè)計量, 2008, 18(5).

        [2]賈麗, 袁小平, 陳燁, 鄧昆, 張繼森. 常用液位檢測方法的研究. 能源技術(shù)及管理, 2009, (1).

        [3]賈鵬,張杰,陳侃,童峰. 一種儲罐液位聲學測量新方法. 廈門大學學報(自然科學版), 2007, (8)

        [4]聶華, 李衛(wèi), 首曉潔, 劉曉麗, 任曉峰. 差壓式液位計取壓方法的研究. 石油工程建設(shè), 2010, (2).

        [5]唐正茂,王惠玲,劉志遠,蔡春麗,崔體波. 一種電容陣列式液位傳感器的設(shè)計與實現(xiàn). 傳感器與微系統(tǒng),2010, (3).

        [6]淮文博. 基于串行擴展技術(shù)的霍爾液位傳感器. 寶雞文理學院學報(自然科學版), 2010, (3).

        [7]郭少朋, 徐魯寧, 韓立, 方光榮. 基于 CCD 的液位測量方法. 技術(shù)與應用, 2008, (2).

        [8]楊朝虹, 李煥. 新型液位檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢. 工礦自動化, 2009, (6).

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