（化学工程专业论文）非接触式浆料密度和物位测量方法研究.pdf

四j l i 大学硕士毕业论文 誓 7 7 9 3 4 3 非接触式浆料密度和物位测量方法研究 化学工程专业 研究生：杨远飞指导教师：朱家骅教授 随着电子和测量技术的发展，现有的密度或物位测量仪器多种多样，一般 具有精度高、量程广、灵敏度高、耐腐蚀、多用途等特点。但在石油、化工、 食品等加工过程中涉及一类特殊的流体，它具有高温、高粘稠、强腐蚀的特性。 不宜采用接触式方法测量其密度，因为长期使用会有少量物质粘附在传感器膜 表上，使传感器与流体主体隔离，测量灵敏度无法体现：而依据光学、声学、 放射性原理工作的非接触式测量方法需要复杂的附属设备，并要求流体均匀分 散，在保证测量准确性的同时难以保证经济性，所以研究一种经济适用、操作 简单的非接触式浆料密度和物位测量方法成为一个重要的课题。国内有学者提 出相关的解决方案：用纯净的水做隔离介质，该方法只能测量密度比水小，且 与水不相溶的流体，测量范围有局限；吹气法是用气体作隔离介质，需要有稳 定的气源，在使用中因无法观测到气泡的稳定性，且对压力波动变化不明显而 无法广泛应有。 本文针对特殊工况下的测量要求，提出一种空气作为隔离介质的高温、高 粘度、强腐蚀性介质的密度和液位测量方法，基于静压测量液位的原理，利用 空气的可压缩性和压力传输性质，在管路需要测量液相静压的位置垂直流动方 向设置一根测量管，管内预存一定量气体，管的盲端安装空气压力传感器，开 口端直接插入待测点，用光纤将被测量信息传输至远离测量现场的二次仪表端 进行处理，管内气体将传感器的敏感膜片和粘性流体分隔开。从根本上解决了 传感器的敏感膜片被腐蚀和粘附的问题，使测量系统具有本质安全性。 本文详细推导了测量管内气相组成，液位高度h l 的变化规律，发现这种变化 四川大学硕士毕业论文 主要与初始和稳定状态的温度、压力、液相的饱和蒸汽压有关；提出了起隔离 作用的气体在测量管内稳定存在，无气泡溢出的判定公式，确定了本方法的应 用范围。 根据稳定条件测量管内的气相空间稳定存在的必要条件是在该条件下的液 相的饱和蒸汽压小于外界压力，对于粘性料浆其液相的饱和蒸汽压远小于纯水， 所以在空气水体系可以安全使用的条件，对粘性料浆一定适用，可以简单地将 结论推广到其他体系。 由于装置的特殊性，液封在测量管内的气体存在通过液相溶解扩散的问题 本文根据分子扩散理论建立了气体通过液相的溶解扩散传质模型，求解出空气 分子在液相的浓度分布；并计算出在为期9 0 天的工作周期，气体因溶解扩散造 成的损失。 以水一空气体系为对象，在温度为3 0 8 0 、压力1 2 0 2 5 0k p a ，实验测得 密度的相对误差小于2 ，符合工程密度测量的精度要求；实验验证了理论推导 的测量管内液位高度h l 的计算方法可行，实验值和理论计算值之差小于5 。 作为一种测量方法，本文最后用误差分析的方法得出测量方法本身的误差 在2 ，符合工程应用的i 9 j | l 量精度要求，为该方法的工程实践提供理论基础。 该测量装置安装在某大型磷酸一铵生产装置的高温粘稠料浆管路上，在长 达9 0 天的连续工作过程中，其灵敏度与现场安装的西门子p d s 4 2 3 h 压力传感 器保持良好同步，观测值相当一致。 总之，研究表明，设计的料浆密度测量系统完全能够满足实际测量的需要， 精度可以这郅百分之五左右，盈具有良好的工作稳定性，充分证明了利用空气 作为隔离介质的料浆密度测量方法是切实可行的。 关键词：非接触式粘稠料浆密度测量物位测量测量方法 婴型查兰堡主望些笙苎 s t u d yo nu n c o n t a c t e dd e n s i t ya n dl e v e l m e a s u r e m e n tf o r t h ef l o ws y s t e mo fv i s c o u ss l u r r y m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：y a n gy u a n f e i s u p e r v i s o r ：p r o f z h u j i a h u a w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ca n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , t h e r ea r em a n y d e n s i t ya n dl e v e lm e a s u r e m e n tm e t h o dw i mt h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hp r e c i s i o n w i d e r a n g e ，e r o s i v ee n d u r i n g i nt h ef i e l do ft h ep e t r o l e u m ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，f o o d i n d u s t r ya n de t c ，f lf l u i d 、i t l ls p e c i a lc h a r a c t e r s ，s u c ha sh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g h v i s c o s i t y , h i g he r o s i o n ，c a n n o tb em e a s u r e db yc o n t a c tm e t h o d ，b e c a u s et h e m e m b r a n eo ft h es e n s o rw a sa d h e r e db yt h ev i s c o u sm a t e r i a l ，l e a d i n gt ot h ei s o l a t i o n o ft h ef l u i da n dt h es e n s o r e v e nt h es e n s i t i v i t yw a si n f l u e n c e d o t h e rm e t h o d s w o r k i n go nt h ep r i n c i p l eo fo p t i c s ，a c o u s t i co rr a d i o a c t i v i t yn e e dc o m p l e xe q u i p m e n t s a n dc a no n l yb eu s e dt om e a s u r et h eu n i f o r ma n ds e p a r a t e df l u i dw h i c hc a nn o t g u a r a n t e et h ee c o n o m i c a lc h a r a c t e ra sw e l la sp r e c i s i o n s oi ti sq u i t ei m p e r a t i v et o p r o v i d ean e wk i n do fu n c o n t a c t e dm e a s u r e m e n tm e t h o dt om e a s u r ed e n s i t yo rl e v e l w i t hl o wp r i c ea n de a s yo p e r a t i o n t h e r ea r es o m er e l a t i v ei d e a sw i ms o m el i m i t a t i o n f o re x a m p l eu s i n gp u r ew a t e r a si s o l a t i o nm a t e r i a l c a no n l yb eu s e dt om e a s u r et h ef l u i du n s o l v e di nw a t e ra n d l i g h t e rt h a nw a t e r ，s o m em e t h o df r o ma i rp u r g eh a db e e np r o p o s e db ys c h o l a r s d o m e s t i co ra b r o a d ，s t e a d yg a ss o u r e ew a sn e e d e d ，a n dt h eg a sb u b b l ec a nn o th e v i e w e db ye a s i l ya n ds t e a d i l y , s ot h i sm e t h o dc a nn o tb eu s e dw i d e l y c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h em e a s u r e m e n ts i t eu n d e rs p e c i f i cw o r k i n g c o n d i t i o n ，as c h e m eo fa nu n c o n t a c t e dm e t h o dw a sd e v e l o p e dt om e a s u r et h es t a t i c p r e s s u r ei nf l o w i n gv i s c o u ss l u r r ys y s t e mb yu s i n gau a n s d u c e rf i l l e d w i t ha i r p r o p o s e db yt h i sp a p e r i nv i e wo fh y d r o s t a t i ct a n kg a u g i n gm e t h o d ，t h ep r o b ei s o p t i c a l l yp o w e r e d ，a n dt h e nt h ei n f o r m a t i o ni st r a n s m i t t e dt h r o u g ho p t i c a lf i b e rt o 1 1 1 四川大学硕士毕业论文 m i c r o - c o n t r o lu n i tf a rf r o mt h es i t e t h em e m b r a n eo ft h es e n s o ra n dt h ev i s c o u s f l u i dw a ss e p a r a t e db yt h ea i r , s ot h es t i c k ya n de r o s i o np r o b l e mc a nb es o l v e d ，t h e s y s t e mi ss a f ei nn a t u r e b a s e do nt h et h e r m o d y n a m i cl a wf o ri d e a lg a sa n dm a s st r a n s f e rt h e o r y ，t h e m e a s u r e m e n te q u a t i o n sw e r ed e d u c e d ，t h ep r e d i c t i o n sf o rt h ev a l u eo fs t a t i cp r e s s u r e a tt h em e a s u r i n gp o s i t i o na r ew e l lc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s w i t ha 1 1e r r o rl e s st h a n 5 t a k ea i r w a t e rs y s t e ma sa n e x a m p l e w i t h i nt h e t e m p e r a t u r er a n g eo f5 0 8 0 6 ca n dp r e s s u r er a n g eo f1 2 0 - 2 5 0k p a ，t h ev o l u m e c h a n g eo fw o r k i n gm e d i u mi n s i d et h et r a n s d u c e rw a sl e s st h a n5 d u r i n gap e r i o do f 9 0d a y s i ti n d i c a t e dt h a tt h em e t h o dw a sf i t t e dw e l lw i t ht h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n tf o r a p p l i c a t i o ni no i l ，m i n e r a la n ds o m eo t h e rp r o c e s si n d u s t r ys e c t o r s i ti n d i c a t e db yt h e e x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nt h a tt h es a t u r a t e dv a p o rp r e s s u r eo fl i q u i di st h e m o s ti m p o r t a n tc o n d i t i o nt od e t e r m i n et h es t a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t ，a st ot h es l u r r y s y s t e mo fw h i c hs a t u r a t e dv a p o rp r e s s u r ew e r em u c hl e s st h a np u r ew a t e r ，s ot h e s t a b i l i t yw a sm u c hh i g h e rt h a na i r - w a t e rs y s t e m s ot h ee q m p m e n tc a nb eu s e di n o t h e rs y s t e mw i t hl i t t l el i m i t a t i o n t h ee q u i p m e n th a db e e ni n s t a l l e do ns o m ep l a n tp i p e l i n ew i t hh i g ht e m p e r a t u r e a n dv i s c o u ss l u r r yf l o w i n gi n s i d e t h es e n s i b i l i t yo ft h ee q m p m e n ta g r e e d 、i t l lt h a to f s e m i sp d s 4 2 3 h p r e s s u r es e n s o r , t h er e s u l tw a sf a i r l ya c c o r d a n t i nc o n c l u s i o n ，t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sh a sp r o v e dt h a tt h el a b o r a t o r ys l u r r y d e n s i t ym e a s u r i n gs y s t e mp r o p o s e dc a na b s o l u t e l ym e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nb e c a u s ei t sm e a s u r i n gp r e c i s i o nc a na c h i e v e5 p e r c e n ta n di th a sg o o d w o r k i n gs t a b i l i t y a l lo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a le x p e r i m e n t sh a v e s u f f i c i e n t l yv e r i f i e dt h a tu t i l i z i n ga i ra st h ei s o l a t i o nm a t e r i a lt om e a s u r et h es l u r r y d e n s i t yi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：u n - c o n t a c t e dm e t h o d ，v i s c o u ss l u r r y ，s t a t i cp r e s s u r em e a s u r e m e n t ， d e n s i t ym e a s u r e m e n t ，l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t 四川大学硕士毕业论文 1 前言 密度是物质固有的特性参数之一，在冶金、石油和化工等工业中，物质的 密度测量是进行物质计量和物类鉴别的一种重要方法。液体密度测量有两种最 基本的方式，即静态测量和动态测量：一般静态测量结构简单，费用较低，且 测量精度高，分辨率大，但它不能反映液体密度随时间变化的性质；动态测量 具有实时测量的优点，所以在液体密度随时间变化时就必须进行动态测量。随 着电子技术的迅速发展，依据各种物性测量原理制造而成的传感器成为测量系 统中最重要的一个环节，它的测量精度对最终的测量结果有决定性的影响。 按测量原理，测量方法可以分为接触和非接触的两种：接触式的测量，传 感器带有特殊的敏感膜片，与接触的物质发生一定的物理或化学变化，得到测 量结果：非接触式测量方法，有超声波、射线法、振动法，通过探测波频的改 变来确定物质的密度、种类。对于普通物质，总能在众多的测量方法中选出一 种最合适的。本文更加关注的是高温、高粘稠、强腐蚀性流体密度的在线检测， 无论采用何种测量方法，与流体接触传感器的敏感膜片都会被料浆黏附，无法 感受流体主体物性参数的变化，出现测量假象【l 2 】；而从安全、环保和成本的角 度分析，很多流体不易采用超声波、放射线等方法。如何找到一种方法能有效 将传感器膜片与苛刻测量介质分离，又能进行实时测量，成为一个有待解决的 问题。 为了满足隔离作用，本文提出一种用惰性气体或直接用空气传递液相压力 信号的测量方法，简单地将接触式测量方法转变为非接触式测量。从初步的实 验结果看，对于粘性较大流体的密度测量，这是一种切实可行且成本低廉的方 法。 本文将介绍这种测量方法的原理，探讨测量装置的可行靠性和稳定性，找 出描述测量管内气体变化的规律及空气在测量管内稳定存在的周期，为这种方 法的工业应用提供扎实的理论基础。 四川大学硕士毕业论文 2 文献综述 2 1 常用的流体密度测量方法及原理 流体密度测量方法多种多样，其测量的工作原理也各不相同，以下是一些 常用的密度测量方法的原理简介【4 】： 2 1 1 比重计法 比重计是一个带有水银和铅球的量筒。当测量密度或特定的比重时，比重 计浸没在流体中，由高出液面的简体比例来判断被测液体的密度。比重计很少 用于高精度测量。因为在一般条件下是不可能进行如此特殊和仔细的观察的而 这又是获得高精度的测量结果所必须的。另外，在用比重计测量密度的时候还 应该对当时当地的温度进行监测，以修正比重计在不同温度下由于自身的膨胀 而引起的读数误差。由此可见，用比重计对液体进行密度测量只适用于地面离 线、且对精度要求不是很高的测量情况。 2 1 2 振动筒式密度传感器法 振动筒式密度传感器的测量原理是将振动筒置于被测液体中，由于振动筒 在密度不同的液体中的谐振频率不同，通过测量振动筒的谐振频率，可以计算 出该液体的密度，。 这种方法的优点是测量结果直接以数字量的形式输出，测量的精度比较高。 而缺点是这种方法属于接触式测量，传感器表面极易受到液体的污染，从而影 响到测量的精度，尤其不适用粘性料浆的密度测量。 2 1 3 间接参数补偿法 由于流体的温度、压力参数等的变化会引起燃油密度的改变，经过理论分 析，料浆的密度与温度和大气压力有一定的关系，可以作为间接测量料浆密度 的理论基础。通过测量这些与料浆密度相关的、相对来说比较容易精确测量的 四川大学硕士毕业论文 物理量，能够解算出料浆密度，但是由于温度、压力等其他有关参数与密度的 关系错综复杂，在实际应用中只能利用经过一定近似处理后的简化模型，因此 测量精度不高。 2 ，1 4 放射性同位素测量法 该方法【7j 是用放射性同位素作为辐射源，利用物质对辐射射线的吸收原理， 即当放生性元素通过料浆时，因料浆密度不同造成辐射衰减量的差别，通过测 量从料浆中透射出来的辐射射线的强弱来判别待测料浆密度的大小。可以利用 电子仪器和计算机对核辐射探测器的输出信号进行处理最终解算出料浆的密 度。这种测量方法能够实现料浆密度的实时测量，且不会对料浆的流动和物性 产生影响，可测量多相液体密度。主要缺点是需要放射性射线源、有一个较长 的时间稳定性、分辨率不太高，精度多为1 0 0 9 c m 3 左右。 2 1 5 超声波式液体密度传感器 超声波是频率高于2 0 k h z 的一种机械波，超声波在液体介质中只能以纵波 的形式传播。其传播的速度、频率、相位、阻抗及衰减度等均受介质性质的影 响。因此可以用液体密度和超声波的某些关系来测量液体密度。根据所用方式 的不同，大致可分为：阻抗法、速度法、阻抗一速度法。 这种测量方法的优点是：可实现非接触测量：响应快、测量精度高：无放 射性，对人体无害，无运动部件，测量稳定性好。缺点是：液体介质中的杂质， 如气泡等可引起超声波信号严重衰减，使测量有时不稳定；对粘性介质，精密 测量时必须考虑介质粘度的影响；寄生信号或电磁干扰对测量有影响。国外对 这种测量方法研究较多，并有专门的超声波期刊【7 j 。 四川大学硕士毕业论文 上述测量方法从不同的角度利用机械或电子的方法，采用接触或非接触的方 式对流体的密度进行测量，根据待测流体的特点可以有不同的选择。 接触式测量方法 非接触式测量方法 图1 测量技术分类 f i g 1c a t e g o r i e so fl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y 2 2 常用的流体液位测量方法及原理 浮沉式液位测量方法 光电式液位测量方法 红外式液位测量方法 根据所选液位敏感元件的不同，液位计量方法有多种，主要分为直接测量 法和间接测量法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化，所用器具 结构简单，直接用与被测容器旁通的玻璃管线或夹带缝的玻璃板显示容器内的 四川大学硕十毕业论文 液位高度，但方法原始，不能满足自动化要求。间接液位测量方法是通过测量 与液位变化有关的物理参数的变化来实现液位高度的测量。它能远传，便于显 示和记录，可以巡回检测、计算和控制，因而成为自动化工程中不可缺少的检 测技术。间接测量法按照液位敏感元件与被测液位的接触形式可分为接触测量 和非接触测量两大类，并得到了广发的应用，液位测量方法的具体分类如图所 示【9 1 。 间接测量法中，接触测量的特征是仪表的液位敏感元件直接与被测液体接 触，其结构有杆式、绳索式、跟踪式、沉浮式、电容式、电阻式、电感式等。 非接触式测量是借助于超声波、r 射线、微波、激光等新技术发展起来的液位测 量技术，由于传感器结构简单、安装方便、无可动部件和适用于特殊情况下的 液位测量，及冶金、石油化工、原子能带有强酸强碱、强腐蚀、强辐射条件下 的液位测量，近年来发展迅速。 多种液位测量技术已成熟应用于生产实际之中，各种测量仪表适用于不同 类型的设备，每一种测量原理各有优势，因此，各种技术之间存在着更多的互 补性，而不是孰优孰劣，目前，实用的液位测量技术和方法主要有以下几种： 2 2 1 人工检尺 油罐测量始于人工检尺，这种方法原始而繁琐，尤其在环境恶劣的情况下， 给工人带来不安全因素，但它仍可作为其他液位计性能校验的工具之一，由于 不适应实时液位测量的要求，已经被取代，或辅以雷达装置进行测量【1 0 】。 2 2 2 浮子钢带液位计 这种机械式测量仪表的典型精度为l o m m 量程宽，安装底座大，需要温度 和密度校正，机械摩擦影响计量精度，可靠性差1 “1 ，没有广泛的应用。 2 2 3 伺服式液位计 这种液位计比起浮子驱动式液位计有很大改进，可以测量液位，油水界面、 密度等，在大于4 0 m 测量上限的装置上，一般可得到1 m m 的准确度，可靠性好， 四川大学硕士毕业论文 同时也存在需浸a n 量，受点运动影响、维修率高的局限性m 、”】，在油水界面的 测量中有比较广泛的应用。 2 2 4 雷达液位计 利用雷达测量液位是一项新技术，属非接触测量，无活动部件，可靠性高： 适用高精度、易结晶及高温高压的有害介质【l 。采用数字输出技术、测量精度 高，适用于监测遥控，安装便捷，维护简单，但是液体的湍动和泡沫大小对微 波有散射和吸收作用，造成对微波信号的衰减，影响液位计的正常工作，而且 价格昂贵。 2 2 5 静压式液位测量( h t g ) h t g 系统利用静压式测量原理m 】，采用2 3 个高精度静压传感器，一个温 度传感器，将测得的数据经计算处理后得到装置储量自动计量的问题，且计量 精度较其他测量方式要高，但h t g 方法不适用于液化石油气等高压储罐，因为 液位高度引起的静压变化相对于储罐压力十分微小，将引起很大的测量误差。 h t g 系统的另一个缺点是其密度测量是在一个接近罐底的有限范围内得出的。 与传统储罐计量系统的本质区别在于h t g 系统的直接测理对象是储罐介质的质 量而不是液位。高精度的质量在线计量，辅以高、低位液面的报警，实为园区 监测的主要目的。 2 2 6 混合式h t g 计量系统 混合式计量管理系统将现代化油罐液位测量技术与h t g 方法结合起来，对 于高精度的计量管理，液位测量是最根本的，将压力测量与液位相结合，可以 提供一个全液位范围内的真正的平均密度测量值，进而对质量进行测算。测量 温度用来计算在参考温度下的标准体积和密度。时至今日，在世界各地，不计 其数的各种储罐安装了h t g 系统，它也因此被国际标准化组织和英国石油协会 正式批准为自动储罐剂量国际标准。h t g 系统仪器精确的质量、容积计算、完 善的管理功能在国际石化储运领域取得了巨大的经济效益。智能化h t g 系统已 四川大学硕士毕业论文 经成为世界油罐及其他液体储罐测量仪表发展的主流。 2 2 7 吹气式液位高度和密度的测量方法 吹气法i s 】一种很经典的测量方法，结构简单可靠，特别是在被测介质有腐蚀 性、放射性、引压管易堵塞( 当采用差压法时) 、敏感部件易被粘附等特殊情况 下，吹气装置是一种合适的选型。我国核工业某些工程早期采用杆式仪表，近 年来吹气法测量装置在国内外核工业领域及船用仓储计量等方面获得广泛应 用。 吹气法基本原理如图l 所示，净化气源经过流量测控，恒定地吹入导压管。 开始时，调整减压阀，使吹气压力大于介质的压力，这时吹气压力将充满导压 管和差压变送器的正压室，并且应使吹入的气体缓慢地从容器中鼓泡排出液面， 一般每分钟最多几十个小气泡，即可满足要求。由于从导压管排出的气体流量 很小，导压管内气体压力与导压管口的液体介质压力相等，这时差压变送器( 或 压力变送器) 所反映的差压( 压力) 就是被测液位的压力。通过压力的准确检测而 获得容器中的液位、密度、界面等参数。 液位 对于开口容器 1 一容器2 一过滤器3 一减压阀4 一稳压器5 一转子流量计 图2吹气法基本原理图 f i g 2s k e t c ho f a i rp u r g em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e 四川火学硕士毕业论文 对于密闭容器 p = ，h ：卫l p l = ，h + p o ( 2 一1 ) h ：旦二堕( 2 2 ) y 式中：p ，为变送器乃的压力 k p a r 为介质重度 k g m 3 h 为液位高度( 未计固定的起始液位)m 肋为密闭容器顶部压力 k p a 密度修正 当介质密度产生变化，锄= ，h i ，：垒1 h ( 2 3 ) 或因温度变化而引起密度变化时，须增加两根吹气管及变送器t 2 ，检测介质密 度，从而修正液位的数值。 将式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) 中，得 扣卸p ：l 五。= h i 砑p l 通过运算可及时获得h 值。 界面 测界面原理如图2 所示n 啊+ 儿红= 舰 吃= 矗+ 红 式中：r ，为主介质重度 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 四川大学硕士毕业论文 r 。为非主介质重度 h ，为主介质层高 h ? 为非主介质层高 h 3 为界面测量变送器乃吹气管固定液位差值 4 p 3 为界面测量变送器乃差压值 图3 吹气法界面测量原理 f 晾3i n t e r f a c el e v e lt ob em e a s u r e db va i rp u r l , e 通过上述运算，可测得h ，及圯的数值。事实上，要得到界面值比较复杂， 可能需要4 到5 根管子和3 到4 台变送器。在计算公式中，要加入固定的起始 液位的参数值。 从以上论述中可看出，吹气装置具有下述作用： 起了隔离作用，从某种意义上可理解为非接触测量； 起传递压力作用，通过测量压力而获得液位。 2 _ 3 传感器被腐蚀或黏附而导致测量失效的问题 2 3 1 尿素生产中液位高度控制 在尿素生产过程中，二段蒸发分离器的液位测量参数是非常重要的一个工 艺参数。根据该点参数的正确测量值，工艺人员即可通过操作分离器出口熔融 泵或泵出口阀门来控制熔融尿素到造粒工序的负荷，从而达到稳定尿素的产量 和质量的目的。但由于该点工艺参数( 操作压力为0 2 m p a ，温度为1 4 0 。c ) 的工艺 叭m m m 幽 蜘m m m 胁 四j i i 大学硕士毕业论文 检测点距离高达十几米，检测仪表需要具有2 0 m 的量程上限，且介质腐蚀性强、 容易结晶。在中小型尿素生产装置中一般均采用双法兰差压变送器来检测。由 于工艺提供的检测位置及毛细管长度的限制，实际安装时稍有不慎，变送器的毛 细管就容易发生断裂、漏油以致损坏，且现场根本无法修理”。 2 3 2 粗四氯化钛生产液位高度的控制 粗四氯化钛的特性如下： 1 ) 由溶盐氯化生成的粗四氯化钛，因含游离氯及氯化物而具有强腐蚀性。 2 ) 粗四氯化钛中含有溶盐泥浆，而使粘度增加。 3 ) 四氯化钛遇空气极易生成一种呛人的白烟。 实践表明，在调试吹气法测液位时，无法观察到气泡数量，而使测量精度 大大降低；另外吹气法测液位正常使用时，导压1 3 常堵，造成测量假液位而报 警。这是因为，粗四氯化钛除钒是在密闭容器里完成的，加之四氯化钛遇空气 极易生成呛人白烟，根本无法观察。因此，在开始调试时，就摸索着设定吹气 流量和压力的大小，结果发现，即使保证所供吹气的氮气经节流件后的压力p 2 与节流前的压力p l 之h s p 2 p l ，小于或等于0 5 2 8 ，也就是吹气的供气量恒定不 变，也不能保证检测仪表准确检测出粗四氯化钛的液位。 吹气法测粗四氯化钛液位的导压管内径为中6 的不锈钢管，其管内壁光滑。 但是，粗四氯化钛与矿物油间接蒸汽加热至1 3 6 c 除钒过程中，生成一种类似 炭黑物质与粗四氯化钛泥浆结合，及易粘附金属内管壁。结果，使得吹气管内 径粘附层加厚并逐渐堵死，致使检测气压上升，导致检测仪表输出值达2 0 m a ， 造成假液位而报警。这种现象的发生最短周期为4 0 分钟，且长周期也不超过4 小时。显然，吹气法用于四氯化钛液位检测不能连续除钒工艺要求i l ”。 2 3 3 碳化塔液位高度测量 1 浮子式液位计测量【1 9 】： 采用引进技术制造的这种液位计的运行性能、指标符合要求。，由于温度较高的 塔液本身是强腐蚀性介质，而浮球壁薄容易因点腐蚀穿孔使仪表失效；另一方 四川大学硕士毕业论文 面，由于传感器直接安装在塔旁，要求仪获本身的可靠性较高。 2 电容液面计测量m 】： 曾试用过两种型式的电容液面计，一种是电极棒直接插入塔中，由于塔液 对电极捧表面来讲属浸润性液体，而且电极捧表面还有结晶物沉积的可能，使 其测量不准，另外，电介质塑料的气密性仍不很高，造成液体能渗透到内电极， 最后象漏电的电解电容器那样因电极间的局部短路而使测量失效：另种是利 用现有的玻璃管液面计，在玻璃管外壁覆石墨涂层或薄铜箔固化，它与被测介 质形成一对电极，亦由于液体浸润玻璃管壁等原因而限制了这种方法的应用。 3 超声波液面计测量： 国内曾有用国产超声波液面计试过的例子，因声波发生装置本身经受不住 塔顶处将近0 1 m p a 的压力而损坏。 4 吹气法： 由于碳化塔被测介质本身具有强腐蚀和温度较低时易结晶的特点，故首先 必须尽可能地避免被测介质与传感器的敏感元件直接接触，过去亦曾用隔离液 的办法进行隔离，但由于隔离所在空间及引压管仍是一个死区，容易析出结晶 物及其它不溶物沉积，造成导压管路堵塞，使测量失效。 2 4 国内外相关研究 对于粘性流体的密度和液位的在线检测方法，国内外都有相关的改进措施： 柯元明等对于迅速、可靠地测量流体的密度和粘度并且连续、动态地记录 其变化的问题，已经提出了一个压差式液体密度在线测量系统方案。依靠的基 本原理是流体静力学原理：利用压力传感器采集系统( 例如管道) 内部压力值，将 其转变为电信号后输入数据处理系统，经过运算求解并记录流动液体的密度。 该方法可以对管道内流动液体的密度，并进行连续、在线测量和记录。 张淼等。”提出的一种新型的压差式密度测量法，克服了传统压差法测量流 体密度时因管道压力损失造成的精度问题，并且据此研制成功结构简单、成本低 廉的密度测量装置。此外，该装置的取压方法也颇具特点：新型压差式测量原理 如图4 所示。流体经过“0 ”型中进垂直测量管，分成上、下两个流动方向，最后 汇流到出口。流体在对称的上、下两管道中流动，产生的压力损失大小相等，方 四川大学硕士毕业论文 向相反，相互抵消后就可以通过测量图示位置的差压a p 来准确地换算出流体 的密度。这种方法在只使用一个差压传感器的条件下，不需要加大测量管的内径 就能准确地计算出流体密度，使测量装置具有结构简单、测量准确、成本低廉的 优点。主要特点：取压装置的主要功能是把两个液位高度不同的压力引到同一 水平面上，以满足压差变送器的测量要求。 图4 新型压差式测量方法 f i g 4s k e t c ho fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e a s u r e m e n t 国外在压差式流体密度测量方面研究的很少，主要以研究检测超声波信号 强度的方法来避免接触式测量发生腐蚀，以下是几个有代表性的研究例子： 法国的p o l i n a r 和r a i n o n d i 做了放射性和腐蚀性流体密度在线检测装置的可 靠性和稳定性研究：他们开发了一个在线检测铀在浓缩的硝酸溶液中的含量的 密度计。在这个装置中使用了一个靠磁性悬浮并稳定在中央位置的浮囊，使该 装置不需要通过容器壁面的电子和机械连接就能正常工作，并且满足所测流体 特殊的安全性和稳定性要求，实验结果表明在非常广泛的浓度范围内可以满足 1 的测量精度”1 i 。 太平洋西北国家实验室的工作人员开发了一种高灵敏性，非接触在线监测 式传感器通过管壁来测量浆态流体密度，声速，和超声波的衰减，这种方法也 可以用在容器测量上。传感器直立的安装在不锈钢管壁，并且管道成为测量系 统的一部分在无暇钢铁壁面的大量反射被用来确定液体的声阻，在这里声音的 阻力被定义为产品的密度合声速。由于脉冲电压变化不会影响测量，这种测量 方法有自身校准的特性，这个特性决定了测量的稳定性，并且只需要很少的时 间去校正。另外，刻度可以保持稳定，因为它不依脉冲电压的变化。根据这种 测量方法，测量的准确性大大体高，对于固含量小于1 的测量结果非常好，对 四川大学硕士毕业论文 于固含量更高的这种测量装置也有足够的灵敏性口“。 吹气方法是压差式测量方法衍生出的一种测量方法，关于这种方法国外早 期有相关的报导：p l m a r i a m t 2 3 1 介绍了在恶劣环境或腐蚀性介质中液位测量的几 种方法，吹气装置是其中一种。吹气装置可测量开口容器也可测量密闭容器中 的液位，虽然有些吹气装置可用手动泵控制来进行周期性的读数，但大多数情 况下需要有连续的空气流或气体流。由于压力表不与容器中的介质接触，故只 要吹气管耐腐蚀即可。在停机或停气时要注意避免介质引入传感器。同时可以 在供气管路上安装截止阀以防倒流。 r c f l e m i n 9 1 2 4 1 认为吹气装置是液位测量中最便宜却是最可靠的方法，但当 液体密度变化时，需要两根吹气管及两只压力表才能较准确地测量液位高度及 长短两根吹气管之间那部份液体的密度。同时他认为为了减少吹气管出口气泡 的堆积，吹气管口常采用聚四氟乙烯材料。 b g l i p t a k t ”】在他主编的仪表工程师手册中，介绍了不同情况下几种吹气系 统的组成及安装方式，吹气系统的最大优点是简单、方便，其读数仪表可安放 在便于读数的地方，其精度为士( 0 5 船2 绚f s ，取决于压力表的读数精度。在没 有压缩空气的罐区，最简单的办法是用- - + 的手动泵及压力表即可测量液位， 故吹气装置广泛用于污水、食品行业及储罐，用来测量开口或密闭容器中腐蚀 性、浆液或粘稠介质的液位、密度、界面及与静压有关的变量，可用于就地显 示、开关报警或远传显示及监控。但由于劳动力成本的上升，吹气装置的安装 及维护成本较以前高，故在流程工业领域，电子仪表用的越来越多，而吹气装 置在这领域的应用就不如以前普遍了。 s g a l l a n l 2 6 1 申请了专利的吹气系统由两根吹气管、泵、差压传感器、两只控 制阀、带微处理器的控制单元及显示器所组成，用来测量固定的或机车上移动 的密闭罐的液位，如机车上的密闭燃料罐。此系统分辨率高，使用寿命长，且 对储罐的侵入达到最小的程度。通过控制单元及控制阀的控制，差压传感器可 以测量罐底与大气间的压差及罐底与罐顶气体问的压差，也可测量罐项气体与 大气间的压差用于某些机车上的罐顶气体压力管理。由于没有引入其它气体进 入罐内，故不影响燃料罐罐顶气压的规定，且由于不需要连续地运行泵来检测 传感器的数据，泵只需周期性的运行。当泵不运行时，差压传感器的两侧通大 四川大学硕士毕业论文 气，这样可减少传感器与有害气体的接触，从而延长了传感器的使用寿命 2 5 本课题的研究内容及意义 在掌握了密度和液位的常用测量方法的原理、了解其在实际使用中的弊端、 并分析了测量方法因流体的粘性与腐蚀性而使测量装置失效的例子之后，有必 要提出一种全新的测量方法，或对原有的测量装置进行改进，使之能适用于具 有特殊性质的流体，如高温、高粘度、强腐蚀性流体，的密度或液位高度的在 线检测。 根据生产的需要，提出在线实时测量密度的要求： 1 工业生产中，不论对流体的产品性质的检定还是作为对中间流量的控制， 都需要一种能在线实时测量密度，快速得出结论，以便调整工艺参数的仪器， 要求仪器不仅在实验室条件下可以测量密度，同时适应工业现场环境； 2 要求测量仪适应工业环境，应用范围广，可同时测量牛顿流体和非牛顿流 体； 3 应用灵活，可与计算机通讯，将数据输入工艺控制中心，又可在现场检测 密度或液位： 4 测量精度高，重复性好。 5 操作简单，排除人为因素干扰，减少人力需求； 6 成本低，在自动化测量密度仪器上实现国产化。 2 5 1 测量原理 根据可压缩性气体的压力传输性质，在装置需要测量液相压力的部位设置 - - n 量管，管内预充一定量空气；管的盲端安装空气压力传感器，开口端直接 插入测点处的液相之中。根据可压缩性气体的性质，测量管内一定质量气体的 压力p 和体积v 之间应满足状态方程 p v = n r t ( 2 7 ) 等温压缩后的体积要求满足一定的高度以起到隔离传感器的膜面与流体的作 用，应该满足状态方程 四川大学硕二已毕业论文 p v 3 c( 2 8 ) 当气体在外界压力和温度条件的共同改变时，如气体不发生泄漏，气体的体积 可随外界条件自由发生变化，测量管的安装应能保证管内空气柱自由伸缩且可 以忽略其运动阻尼，因此可以将与液相介质接触处的静压等值地传导到空气压 力传感器膜表面，从而方便地测到测点处液相的静压。如此可以避免传感器膜 表面直接与腐蚀性或黏附性流体直接相接触，确保传感器的正常使用寿命 ”l 。 另一方面，根据流体静力学原理，用上述方法在液相连通的装置的两个不 同水平高度位置1 和2 处测得的静压力p ，、p 2 与测点高差h 、液相密度p 之间 应满足 p i 罗2 = p g h( 2 9 ) 日为定值，所以可以通过计算得到液相密度p p = l 砘) g h 从上述方法测得的液相密度p 出发，利用上述测点位置1 或2 的液相静压 测量值p ，或d ，与同一装置的气相压力进行差压计算，即可得到测点位置1 或2 距液面的高度研或胁 h i5c p , - - p a j o g或 1 t 2 0 2 p 。j p g( 2 一l o ) 2 5 2 测量装置示意图 本