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差壓液位變送器與射頻導納液位計組合使用于測量水中含油
差壓液位變送器與射頻導納液位計是工業測量中兩種很重要也很常見的液位測量儀表，差壓液位變送器是采用的靜壓液位測量原理，射頻導納液位計采用的是電容測量原理，基于兩種不同的測量原理的液位計配合使用可以實現更多的功能。本文就是通過射頻導納和差壓液位變送器測量水中含油性介質的原理, 監測冷卻水罐內是否有大量油性介質, 從而判斷苯乙烯冷卻器內熱交換管有無泄漏, 根據水和苯乙烯的介電常數與密度解決這一問題。
在苯乙烯冷卻系統設計中, 工藝專業要求監測冷卻水罐內是否有大量的油性介質苯乙烯, 以判斷苯乙烯冷卻器內熱交換管有無發生泄漏。由于苯乙烯不溶于水,無法采用水分析儀測量水中化學性質變化來判斷,所以需要考慮一種特殊的方法。通過比較水和苯乙烯的物性數據, 發現水的介電常數為80 ,遠大于苯乙烯的介電常數2.45 ;水的標準狀態下密度為1 000 kg/m3 ,與苯乙烯的密度909 kg/m3 差不多。可以用水和苯乙烯的介電常數與密度為出發點來解決問題。
2 測量原理
應用電容原理測量物位是成熟的技術。電容物位測量方法就是直接將物位變化轉換為檢測元件的電容量變化, 然后再將電容量轉換為統一電信號進行傳輸、處理, 后顯示物位。電容檢測元件是根據圓筒電容器原理進行工作, 由于被測介質水為導電性液體, 結構形式如圖1 所示。電極要用絕緣物(如聚四氟乙烯)覆蓋作為中間介質, 而液體和金屬外圓筒一起作為外電極[ 1] 。
圖1 電容物位測量結構形式
檢測元件所具有的電容量C 可用式(1)表示:
C = 2πε1 l/lnRr(1)
式中 ε1 ———介電常數;
l ———電極被導電液體浸沒的長度;
R , r ———絕緣覆蓋層外半徑和內電極外半徑。
由于ε1 為常數, 所以C 與l 成正比。由C 的大小即可知道l 的數值。
應用靜壓原理測量物位是通過液柱靜壓對液位進行測量, 是一種應用十分廣泛的方法。其原理如圖2 所示。
圖2 物位測量原理
根據流體力學原理可知, A 、B 兩點的壓差:
Δp = pB -pA =Hρg (2)
式中 pA ———密閉容器中A 點的靜壓(氣相壓力);
pB ———B 點的靜壓;
H ———液柱高度;
ρ———液體的密度;
g ———密閉容器所在地的重力加速度。
如果圖2 為敞口容器, 則p A 為大氣壓, 因此式(2)可變為:
p = pB -pA =Hρg (3)
式中 p ———B 點的表壓。
在測量中, 如果ρg 為常數, 則在密閉容器中A 、B 兩點的壓差Δp 與液位高度H 成正比;而在敞口容器中則B 點的表壓p 與H 成正比。也就是說測出Δp 或者p 就可以知道密閉容器或者敞口容器中的液位高度。
3 具體應用
射頻導納液位變送器是應用電容原理測量物位的儀表, 而差壓液位變送器則是采用靜壓原理測量物位。
現在來討論罐內水中是否含有苯乙烯的情況。在同一罐上安裝射頻導納液位變送器和差壓液位變送器, 使其測量范圍低限一致。如果罐內水中未混有其他介質, 在變送器誤差影響范圍內, 兩變送器測量液位結果是相同的。如果罐內水中混有苯乙烯,先設H1 為罐內水柱高度和, H2 為罐內苯乙烯液柱高度和, ε1 為水的介電常數, ε2 為苯乙烯的介電常數, ρ1 為水的密度, ρ2 為苯乙烯的密度。根據式(1)得射頻導納液位變送器的測量元件所具有的電容C2 =2πε1 H1 /lnRr+2πε2 H2 /lnRr
(其中lnRr是常數), 與變送器本身特性有關。由于射頻導納液位變送器預設為水的介電常數, 所以變送器這時測得罐內液體高度H測1 = lnRrC2 /2πε1 = ε1 H1 +ε2 H2 /ε1 =H1 +(ε2 /ε1)H2 。
因為ε2 遠小于ε1 , 射頻導納液位變送器測得罐內液體高度H測1小于罐內液體實際高度H1 +H2 , 而且在一定范圍內, 罐內苯乙烯液柱高度H2 越大,之間的差值就越明顯。
再看差壓液位變送器的情況。水罐為敞口容器, 根據式(3)得變送器這時測得表壓p2 =H1ρ1 g +H2 ρ2g 。差壓液位變送器的預置值為水的密度, 所以變送器測得罐內液體高度H測2 =p2 /ρ1 g =(H1ρ1 +H2 ρ2)/ρ1 =H1 +(ρ2/ρ1)H2 。因為ρ1 與ρ2 的值相差不大, 差壓液位變送器測得罐內液體高度H測2與罐內液體實際高度H1 +H2 的值也相差不大。由此可見, 在罐內混有苯乙烯的情況下,差壓液位變送器測得罐內液體高度H測2 實際上是大于射頻導納液位變送器測得罐內液體高度H測1 , 而且隨著罐內苯乙烯液柱高度H2 的增加, 兩變送器測量值之間的差值就越來越大。
綜上所述, 苯乙烯冷卻系統正常工作, 冷卻器內熱交換管未發生泄漏時, 冷卻水罐內只有水, 其射頻導納液位變送器和差壓液位變送器的測量值基本一致;當兩變送器測量值發生偏差、而且越來越大時,可以判斷為冷卻器內熱交換管發生了泄漏。
4 結束語
在同一化工裝置或者儲罐, 選用2 臺或者3 臺變送器測量同一參數是石油化工設計中常用的做法, 本設計也是從常用做法出發, 而且采用的變送器亦為常見儀表, 價格并不高。不過考慮到2 臺采用不同測量原理的變送器之間的誤差因素, 需要積累一定時間, 兩變送器測量值才出現比較明顯的偏差, 所以不能用于重要設備或者緊急停車系統。該設計中, 射頻導納液位變送器需采用測量水等導電介質的探頭, 不適宜采用測量非導電介質的探頭。