吹氣式液位計

　　“吹氣法”是非接觸的測量方法之一。吹氣液面計是靜壓式液位計的一種,它將液面高度(或液體密度)的測量轉(zhuǎn)化為差壓的測量,所以,利用吹氣法可測量設(shè)備中介質(zhì)的液位、密度、界面等參數(shù)。

　1　測量原理及方法

　　吹氣測量裝置的原理如圖1。

　　凈化后的壓縮空氣經(jīng)過減壓閥后,進入恒流器,再經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計后,以一定流量均勻地送入吹氣測量管,當長吹氣測量管內(nèi)氣體壓力高于其下端到液面的液柱靜壓時,該吹氣測量管下端便連續(xù)不斷地吹出氣泡,由于吹氣量很小,在忽略管道阻力等其它影響因素的情況下,可以認為差壓變送器的高壓腔所受的壓力等于長吹氣測量管內(nèi)的壓力。由于另外一個吹氣測量管插入較淺且不和液體接觸,雖然有一定流量的氣體通過,但是在忽略了管道阻力等影響因素的情況下,差壓變送器低壓腔所受的壓力就等于大氣壓力(測量環(huán)境在常壓時),即不受壓力。因此,差壓變送器所測量的差壓值ΔP就等于長吹氣測量管下端到液面的液柱靜壓值。

　　該差壓ΔP和液位h有如下關(guān)系:

　　h =ΔP/ρg

　　式中:ρ———液體密度;g———當?shù)刂亓铀俣取?/p>

　設(shè)常數(shù)K=1/ρg,則h = K·ΔP即被測液體的液位與差壓變送器的差壓測量值有線性關(guān)系。

　　由于吹氣壓力、吹氣流量、介質(zhì)溫度、密閉容器的壓力等因素對測量精度有影響;因此,需要通過實驗合理地選擇吹氣流量、吹氣壓力、工作壓力等參數(shù)值的范圍,以滿足吹氣裝置精度、穩(wěn)定性的要求。對溫度的影響可以給出修正參數(shù)。

       下面用圖2所示原理圖,說明用吹氣法測量液位和密度時的理論公式。

　　(1)測液位時,用Ⅰ、Ⅲ吹氣管即有:

　　PⅠ= P0,PⅢ= P0+ρgh

　　ΔPⅢ1= PⅢ- P1= P0+ρgh- P0=ρgh                            (1)

　　式中P1———Ⅰ吹氣管中的壓力值PⅢ———Ⅲ吹氣管中的壓力值;ΔPⅢⅠ———Ⅲ吹氣管與Ⅰ吹　氣管之間的壓力差P0———大氣壓力;ρ———液體密度;g———重力加速度;h———被測液位高度。

則:h =ΔPⅢⅠ/ρg                                                  (2)

　　當被測液體密度為常數(shù)時,設(shè)常數(shù)K1=1/ρg。

　　則:h = K1·ΔPⅢⅠ                                                 (3)

　　(2)測密度時,用吹氣管Ⅱ、Ⅲ即有:

　　PⅡ= P0+ρg(h-H)　PⅢ= P0+ρgh

　　式中PⅡ———Ⅱ吹氣管中的壓力值;ΔPⅢⅡ———Ⅲ吹氣管與Ⅱ吹氣管之間的差壓值;H———Ⅱ、Ⅲ吹氣管的高度差。

　　則有:ΔPⅢⅡ= PⅢ- PⅡ= P0+ρgh-(P0+ρgh-ρgH) =ρgH                   (4)

　　則:ρ=ΔPⅢⅡ/gH                                                  (5)

　　設(shè)K2=1/gH

　　由于H為已知,g為常數(shù),則K2為常數(shù)

　　則:ρ= K2·ΔPⅢⅡ                                                  (6)

　　由式(3)、(6)可見,分別測出差壓ΔPⅢⅠ、ΔPⅢⅡ,即可相應(yīng)地測出不同狀況下的液位h和液體密度ρ。

　　(3)當被測液體密度為變量時,將式(5)代入式(2),可得:

　　h =ΔPⅢⅠ/ΔPⅢⅡ·H                                            (7)

　　即可以用式(7)來修正密度變化時液位值。

　　由此,可以進一步演化,根據(jù)吹氣管的不同組合,還可以測量被測液體的分界面,雙密度,液位上、下限報警等參數(shù),并使用帶微壓的密封容器(帶壓時,上面推導(dǎo)中的P0應(yīng)等于容器內(nèi)的壓力)。

　　由于吹氣壓力、吹氣流量、界面溫度、密閉容器壓力等因素對測量精度有影響,因此要通過實驗選擇合理的工藝參數(shù)值,以滿足吹氣裝置精度和穩(wěn)定性的要求,至于溫度的影響,也可通過實驗找出修正的方法。

2　吹氣裝置的設(shè)計

　　在選定元件后,根據(jù)元件的尺寸,設(shè)計一不銹鋼外殼,把元件按照原理圖布置安裝在殼體內(nèi)部,殼體上有窺視窗。通過窺視窗可以觀察到玻璃轉(zhuǎn)子流量計的示值,其裝置內(nèi)部的氣源壓力,也可以通過殼體外部的觀察孔進行觀察。

　　吹氣裝置的殼體外部留有氣源接頭和吹氣管的接口,裝置為壁掛式。

　　3　吹氣裝置的試驗

　　(1)試驗?zāi)康?。吹氣裝置在不同條件下能否達到精度要求,是否穩(wěn)定運行等。

　　(2)實驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)有以下部分組成:

　　a.自制Ф30、高1.5 m有機玻璃圓筒和不銹鋼圓筒一個,三根不同長度的不銹鋼管Ф10×1插入其中;

　　b.吹氣裝置一套;

　　c.CECC-410G電容式差壓變送器2臺,測量范圍2~250 kPa;

　　d.XMT-Ⅲ型智能數(shù)字顯示儀表2臺;

　　e.溫度計、1 000W加熱器1個,比重計1只;

　　f.試劑:工業(yè)用堿;

　　g.配件:尼龍管Ф10×1 200 m,管道接頭10個,截止閥4個。

　　試驗系統(tǒng)如圖3所示。

　　(3)試驗內(nèi)容。

　　a.在氣源壓力一定時,通過調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計,試驗吹氣流量對液位、密度的測量精度及穩(wěn)定性的影響,找出合理的吹氣流量范圍;

　　b.在吹氣流量一定時,通過調(diào)節(jié)減壓閥,試驗吹氣壓力對液位、密度的測量精度及穩(wěn)定性的影響,找出合理的吹氣壓力范圍;

　　c.在確定的吹氣流量、壓力范圍內(nèi):①液位測量上下行程值的誤差考核試驗;②容器內(nèi)介質(zhì)溫度變化(20~80℃)的液位測量試驗;③容器內(nèi)壓力變化(包括正壓及負壓變化)的液位測量試驗;

　?、艽禋庋b置穩(wěn)定程度的考核試驗。

　　4　注意事項

　　(1)吹氣管的長管管口應(yīng)距離設(shè)備底部5~10 cm之間,以利于吹氣管中氣泡的逸出。這部分的高度為液位測量的盲區(qū)。

　　(2)一般情況下,吹氣管的管口采用平口方式,若采用斜口45°方式,液位測量盲區(qū)應(yīng)是斜口上端點到設(shè)備底部的距離。

　　(3)測量帶壓設(shè)備時,吹氣管內(nèi)的壓力P與設(shè)備內(nèi)zui大壓力值P設(shè)備max、氣路元件的壓降P氣路和zui大液位壓力Phmax之間的關(guān)系應(yīng)為:

　P > P設(shè)備max+ P氣路+ Phmax

　　這樣,設(shè)備中的溶液才不可能倒灌出來,這對放射性介質(zhì)的測量非常重要,所以在測量帶壓容器內(nèi)的介質(zhì)時,一定要在吹氣管上安裝逆止閥,以防止氣流反向。

　　(4)吹氣裝置和差壓變送器的安裝標高要大于設(shè)備內(nèi)zui高液面的標高,以防止液體倒流。

　5　結(jié)　論

　　(1)氣源壓力可以從0.025~0.3MPa進行選擇;吹氣管中的氣體流量可以從5~80 l/h進行選擇。這說明在調(diào)節(jié)氣源壓力時,只要從0.025~0.3MPa中選擇一個就行,并不要求十分準確,而吹氣管中的氣體流量只要選擇兩路(或三路)中的值在5~80 l/h之間相等,便可以滿足精度的要求。這給吹氣裝置工作點的設(shè)置提供了極大的方便。

　　(2)吹氣裝置可檢測壓力在-13.3~+80kPa、溫度為0~80℃之間密閉容器內(nèi)酸性(或堿性)介質(zhì)的液位及密度。這時根據(jù)前面的試驗可知,吹氣裝置的工作點設(shè)置在壓力:0.3MPa;流量:60ml/min。

　　(3)根據(jù)試驗,可選用2、3、4路吹氣管測量裝置與差壓變送器配套使用測量液位、密度、界面及帶密度補償?shù)囊好?。吹氣管的引壓管可達30m。

　　(4)通過實驗得出,當被測液體中,氣泡(它可以是吹氣管來的壓空,也可以是液體的蒸發(fā)過程或放氣,也可以是攪拌過程用的壓空)過多,形成局部的通路時,此時氣泡不再是一個一個孤立地冒出,而顯線性,儀表指示降低,并隨著氣泡量的增加誤差越大。

  所以吹氣液位計對有劇烈放氣反應(yīng)的液體不適用。