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基于微压变送器的液体介质密度连续自动检测装置的设计

作时间:2019-07-01  来源:  作者:
   
摘   要: 本文设计一种基于微压变送器的连续自动检测装置,可以实现被测液体介质密度的连续在线检测,并介绍装置结构及检测原理。
0 引言
不同的物质密度一般都不相同,由于密度不随质量和体积而变化,因此密度是检测物质的重要指标。物质的密度不易直接精确连续地检测出,对于液体物质来说,如果能够引入与被测介质密度相关的量,确定其余的几个量为定值或是已知量,通过测量得出相关的量数值的大小,在DCS (或 PLC )模拟量运算中建立一元函数的数学模型,就可以计算出被测物质密度的值。这种测量方式可以实现连续在线的自动检测,可以在大规模连续生产中推广使用。
检测密度必须要知道两个物理量,即被测物质的质量和体积。通常的测量方法有:实验室法、比重杯法、阿基米德定律法等。这些测量方法非常繁琐,测量周期长,非常大的缺陷是无法实现连续在线自动检测,在工业化大规模连续生产中无法推广和普及。为了实现物质密度的连续自动准确地测量,可以通过比值仪来检测出物质的百分含量,然后再根据物质的百分含量与密度的函数关系计算出密度。从经济角度来看,无论是紫外法还是红外法的比值仪价格都很高,而且光源的寿命普遍较短,属于消耗品,在后续的使用中还会产生费用,这让很多企业难以接受。从技术角度来看,红外法在测量部分介质的过程中还需要用水来稀释,会产生系统误差,影响测量精度。为此,研发一款实用、价格低廉、精度较高、可以连续自动在线检测密度的仪器是广大工程技术人员面前的课题。
1 检测装置设计
由于液体的易流性和不可拉性,静止的液体内部没有拉应力和切应力,只能有压应力,即压强。根据压强公式p = ρ g h ,重力加速度 g 是个定值,当高度 h 是定值时,被测介质密度 ρ 和压强 P 呈线性的函数关系。检测装置设计如图1所示。
检测装置图
从工艺管道中流出的液体介质经减压阀减压后,流入连接在微压变送器膜盒法兰上的溢流围堰,溢流出来的被测介质流入回收罐中,回收罐底安装有液位计,操作人员根据液位开启回收液泵,把回收液打回工艺管道。溢流围堰的结构尺寸如图2所示。
溢流围堰结构尺寸
溢流围堰内从工艺管线流出的被测液体介质所产生的压强 P 值可以通过微压变送器测量出, DCS对其采集处理后可以进行模拟量运算。溢流口处有刻度,用以修正、减小被测介质液体表面的张力对测量的影响。溢流堰内被测液体介质的高度 h 是围堰板高度 h 1 与液体表面张力产生的高度 h 2 之和, h 2 的值可以通过溢流口的刻度测量得出。由 p = ρ g h 可以推导出 ρ = p / g h , h = h 1 + h 2 ,则密度 ρ= p /( h 1 + h 2 ) g , p 的值通过测量和 DCS 采集处理是已知的, g 为常数, h1 的值是溢流围堰板的高度,也是已知量, h2 的值可以通过溢流围堰口刻度测量得出。计算部分可以在 DCS 或 PLC 的模拟量运算中通过建立一元函数的数学模型来实现,计算结果就是被测液体介质的密度。当流进溢流围堰的流量稳定时,被测介质流出溢流围堰时的张力产生的高度 h 2 是个定值,流量很小时 h 2 的值趋近于0 。
2 测量值不确定度的消除
应选用 2″ 的法兰膜盒式微压变送器,以减少测量滞后的情况,保持水平安装,以确保膜盒受压均匀,安装的环境温度应固定。溢流围堰采用316或304材质。应尽量减小被测液体介质经减压阀流进溢流围堰的距离,缩短测量滞后的时间。为了减轻液体由势能转化成动能对变送器测压膜片的冲击,管道与变送器测压膜片的距离应小于1.5cm ,被测液体介质从管道中流出时的落点应避开变送器测压膜片,距离微压变送器测压膜片中心距离 ≥3cm 。溢流围堰的溢流口边缘设计成由外侧向内成 ≤45°的锐角,以减小被测介质的表面张力。溢流围堰和微压变送器法兰连接的密封使用 PVC液体胶,减小溢流高度变化对测量造成的系统误差。
3 结语
该设计方案从实际应用出发,投入低,能够实现被测液体介质密度的连续在线检测。在线检测装置的投运极大减轻了人工取样检测的劳动强度,缩短了检测时间,提高了生产效率。不足之处在于,由于在检测过程中液体被测介质处于开放的空间,因此该装置不具备防火防爆的功能,不适于防爆场所。
 
 
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