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在企业生产中磁翻板液位计测量结果偏差较大的情况分析

发布时间:2018-09-26   点击次数:

在石油、化工、制药等工业企业中,会大量使用磁翻板液位计用于液位的测量与控制,磁翻板液位计仪表反应速度快,读数直观方便。该仪表的工作方式基于浮力与磁耦合原理,由于在测量中存在种种影响其物理量的情况,因此普遍存在液位测量结果与实际液位存在偏差的发生,根据企业在生产中出现的磁翻板液位计测量结果偏差较大的情况予以分析,以期解决此类问题。
一、问题背景
在AHP(高压加热器)001BA(用001BA指代实际的罐)中有两个液位测量装置,分别为AHP001MN和AHP001LN(用001MN和001LN指代实际的测量装置),其中AHP001MN为超声波液位测量装置,AHP001LN为就地显示的磁翻板液位计,两个液位计测量同一液位。
 在工作过程中遇到了001LN测量的液位值比实际设定的液位值要高10cm,在测量通道中水温会低于罐中的水温,水温下降会导致水的密度上升,水的密度上升会产生两个相反的作用:测量通道中水位下降,001LN测量值偏低;001LN浮球有更多部分浮在水面上,造成测量值偏高。在本文中会对这一现象做出分析,并提出解决方案。
二、 原因分析
假设罐子的实际液位为h2,由于AHP001中为高温高压的水,在引出测量管线测液位的过程中,由于保温套管或是其它方面的原因会造成001MN和001LN测量管中的水温低于001BA中的水温,由常识可知在压力不变的情形下水的温度反向作用于水的密度,在该问题中就是由于测量端的水温下降,测量装置中水的液位由设定值h2降低为h1。在问题分析中我们必须做出一个假设,那就是测量装置001MN和001LN中的水温是一样的,这样可以保证两个装置的水位一致。AHP001MN测量到的水位为h1,低于设定值,此时水位控制系统开始工作,将测量装置中的水位提升到h2。
水位进行调整时,将测量装置中的水位调整到了h2,此时实际001BA中的水位为h3。设备正常工作时,在001BA中的水位究竟为多少是不可知的,我们只能假设AHP001MN测量设备非常先进,它所测量的即为001BA中的实际液位,在测量通道的水位由于温度下降而降低时,控制作用会增加001BA中的水,直达001MN测量的水位为设定值。而AHP001LN和AHO001MN两个测量管道中的水位是一致的,因此不管测量管道中的温度下降到什么程度,可能会在短时间内测量通道的水位低于设定值,但经过调整都会达到设定值的水位,因此测量通道的水位下降不会直接导致001LN液位测量值下降。
当水温下降,水的密度提高时会影响浮球在水中的位置,进而影响到测量的水位。磁翻板液位计的浮球是由三节空心不锈钢圆筒构成,其中最上面一节圆筒中线位置含有磁性材料,它带动外边磁翻板动作,产生液位指示信号[1]。假設每个浮球的中心部分近似为一段圆柱,浮球按照安装方向竖直放置时,h1为顶部浮球中心点,h2为液面对应高度,Δh为两者相对高度(Δh=h2-h1),底部到h1高度对应浮球的体积为V1,液面高度所对应浮球的体积为V2,两者的相对体积为ΔV(ΔV=V2-V1),假设液面所对应的位置处于浮球圆柱部分,则有以下公式:
由于浮球是浮在液位中的,因此满足阿基米德原理,即物体浸在液体中排开液体的重力等于物体浸在液体中受到的浮力,满足公式
当浮球在顶端中线附近浮动时,可将浮球近似为一个圆柱体,因此由公式
将公式进一步简化,可得:
在公式中,Δh为实际液位偏离浮球顶端中线的距离,m为浮球的重量,r为浮球的半径,ρ为实际液体的密度。
对以上参数进行测量,实际结果如下所示:
在测量的过程中,由于工具所限,在质量测量上可能会有一定的偏差,范围在10g以内,我们以10g的偏差对最终的结果影响如下:
当m=850g,ρ=860kg/m3,时,计算所得Δh=-1.8cm;当m=840g,ρ=860kg/m3时,计算所得Δh=-2.2cm,因此测量过程中浮球质量的精度对实际液位测量不会很大。
由于本文将浮球近似为一个圆柱体,因此只有液面在浮球轴向一定范围内(设为L)才有效,本模型才够适用。
为了求出密度变化的允许范围,利用公式可得,当-≤Δh≤时,求得液体的密度取值范围为710kg/m3≤ρ液≤944kg/m3。各个功能位置密度ρ与浮球高度Δh如表2所示,由公式可得液体密度与相对高度的关系,如图1所示:
横坐标为液体的密度,纵坐标为浮球的相对高度,由图可知,液体的密度越大,浮球在液面以上的部位越多,测量得到的液位值越大。
三、原因小结
001MN测量管道的温度低于001LN测量管道温度,这样可以会使001MN处液位低于001LN处,造成磁翻板液位计测量值偏高。
001LN测量管道温度低,液体密度升高,导致磁翻板液位计测量值升高。
既然测量到的磁翻板液位计总是比设定值高,此时应采取有效措施将该液位计的示数降下来,在这里选用的是最简单的方法——给浮球增加重量。
可采用两个不锈钢316L圆饼,直径3cm,高度1cm,密度8.03g/cm3每个圆饼重量约55g,将这个不锈钢圆饼焊接在浮球的底部可以增加浮球的重量。
假设液体的密度为860mg/m3,此时由公式可知相对高度Δh与浮球质量的关系如公式所示:
 由公式可知,在密度确定的情况下,浮球重量每增加55g,相对高度变化1.9cm,即观测到的磁翻板液位计指示值下降1.9cm,该情形下假如要消除10cm的测量需要挂上5个不锈钢圆饼,但是由于原模型有-≤Δh≤的限制,为了保证精度,Δh的取值应小于4.7cm,液体的密度为860mg/m3,浮球默认相对高度为-1.8cm,所以总共有6.5cm的裕度,可以挂3个不锈钢圆饼,将测量指示值拉下来5.7cm。此时若挂上第4个不锈钢圆饼,浮球的总质量达到1060g,而浮球的总体积(含加上去的不锈钢铁饼体积)约为1280ml,在密度为860mg/m3的液体下,最大浮力为1100g,在该情形下浮球基本上绝大部分浸在液体内部,且一旦液体的密度稍作改变,浮球就有下沉的危险,不适合做液位指示,倘若在浮球上加5个不锈钢圆饼,浮球将直接沉入液体底部。
四、解决方案
可以在浮球底部焊接不锈钢铁饼,增加浮球重量,使浮球更多部分浸在液体中,从而降低磁翻板液位计的指示值,但是不能过多地增加浮球的重量,因为有可能会造成浮球的重力大于浮力而导致其直接沉入液底。

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