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    磁性浮子磁翻板液位計的液位示值誤差分析及解決方法

    發布時間:2020-12-30 13:07:51??點擊次數:617次

    在AHP(高壓加熱器)001BA(用001BA指代實際的罐)中有兩個液位測量裝置,分別為AHP001MN和AHP001LN(用001MN和001LN指代實際的測量裝置),其中AHP001MN為超聲波液位測量裝置,AHP001LN為就地顯示的磁性浮子磁翻板液位計,兩個液位計測量同一液位。
    在工作過程中遇到了001LN測量的液位值比實際設定的液位值要高10cm,在測量通道中水溫會低于罐中的水溫,水溫下降會導致水的密度上升,水的密度上升會產生兩個相反的作用:①測量通道中水位下降,001LN測量值偏低;②001LN浮球有更多部分浮在水面上,造成測量值偏高。在本文中會對這一現象做出分析,并提出解決方案。
    1、原因分析 
    假設罐子的實際液位為h2,由于AHP001中為高溫高壓的水,在引出測量管線測液位的過程中,由于保溫套管或是其它方面的原因會造成001MN和001LN測量管中的水溫低于001BA中的水溫,由常識可知在壓力不變的情形下水的溫度反向作用于水的密度,在該問題中就是由于測量端的水溫下降,測量裝置中水的液位由設定值h2降低為h1。在問題分析中我們必須做出一個假設,那就是測量裝置001MN和001LN中的水溫是一樣的,這樣可以保證兩個裝置的水位一致。AHP001MN測量到的水位為h1,低于設定值,此時水位控制系統開始工作,將測量裝置中的水位提升到h2。
    水位進行調整時,將測量裝置中的水位調整到了h2,此時實際001BA中的水位為h3。設備正常工作時,在001BA中的水位究竟為多少是不可知的,我們只能假設AHP001MN測量設備非常先進,它所測量的即為001BA中的實際液位,在測量通道的水位由于溫度下降而降低時,控制作用會增加001BA中的水,直達001MN測量的水位為設定值。而AHP001LN和AHO001MN兩個測量管道中的水位是一致的,因此不管測量管道中的溫度下降到什么程度,可能會在短時間內測量通道的水位低于設定值,但經過調整都會達到設定值的水位,因此測量通道的水位下降不會直接導致001LN液位測量值下降。
    當水溫下降,水的密度提高時會影響浮球在水中的位置,進而影響到測量的水位。磁性浮子磁翻板液位計的浮球是由三節空心不銹鋼圓筒構成,其中最上面一節圓筒中線位置含有磁性材料,它帶動外邊磁翻板動作,產生液位指示信號[1]。假設每個浮球的中心部分近似為一段圓柱,浮球按照安裝方向豎直放置時,h1為頂部浮球中心點,h2為液面對應高度,Δh為兩者相對高度(Δh=h2-h1),底部到h1高度對應浮球的體積為V1,液面高度所對應浮球的體積為V2,兩者的相對體積為ΔV(ΔV=V2-V1),假設液面所對應的位置處于浮球圓柱部分,則有以下公式:
    由于浮球是浮在液位中的,因此滿足阿基米德原理,即物體浸在液體中排開液體的重力等于物體浸在液體中受到的浮力,滿足公式
    當浮球在頂端中線附近浮動時,可將浮球近似為一個圓柱體,因此由公式
    將公式進一步簡化,可得:
    在公式中,Δh為實際液位偏離浮球頂端中線的距離,m為浮球的重量,r為浮球的半徑,ρ為實際液體的密度。
    對以上參數進行測量,實際結果如下所示:
    在測量的過程中,由于工具所限,在質量測量上可能會有一定的偏差,范圍在10g以內,我們以10g的偏差對最終的結果影響如下:
    當m=850g,ρ=860kg/m3,時,計算所得Δh=-1.8cm;當m=840g,ρ=860kg/m3時,計算所得Δh=-2.2cm,因此測量過程中浮球質量的精度對實際液位測量不會很大。
    由于本文將浮球近似為一個圓柱體,因此只有液面在浮球軸向一定范圍內(設為L)才有效,本模型才夠適用。
    為了求出密度變化的允許范圍,利用公式可得,當-≤Δh≤時,求得液體的密度取值范圍為710kg/m3≤ρ液≤944kg/m3。各個功能位置密度ρ與浮球高度Δh如表2所示,由公式可得液體密度與相對高度的關系,如圖1所示:
    橫坐標為液體的密度,縱坐標為浮球的相對高度,由圖可知,液體的密度越大,浮球在液面以上的部位越多,測量得到的液位值越大。
    2、原因小結 
    ①001MN測量管道的溫度低于001LN測量管道溫度,這樣可以會使001MN處液位低于001LN處,造成磁性浮子磁翻板液位計測量值偏高。
    ②001LN測量管道溫度低,液體密度升高,導致磁性浮子磁翻板液位計測量值升高。
    既然測量到的磁性浮子磁翻板液位計總是比設定值高,此時應采取有效措施將該液位計的示數降下來,在這里選用的是最簡單的方法——給浮球增加重量。
    可采用兩個不銹鋼316L圓餅,直徑3cm,高度1cm,密度8.03g/cm3每個圓餅重量約55g,將這個不銹鋼圓餅焊接在浮球的底部可以增加浮球的重量。 
    假設液體的密度為860mg/m3,此時由公式可知相對高度Δh與浮球質量的關系如公式所示:
    由公式可知,在密度確定的情況下,浮球重量每增加55g,相對高度變化1.9cm,即觀測到的磁性浮子磁翻板液位計指示值下降1.9cm,該情形下假如要消除10cm的測量需要掛上5個不銹鋼圓餅,但是由于原模型有-≤Δh≤的限制,為了保證精度,Δh的取值應小于4.7cm,液體的密度為860mg/m3,浮球默認相對高度為-1.8cm,所以總共有6.5cm的裕度,可以掛3個不銹鋼圓餅,將測量指示值拉下來5.7cm。此時若掛上第4個不銹鋼圓餅,浮球的總質量達到1060g,而浮球的總體積(含加上去的不銹鋼鐵餅體積)約為1280ml,在密度為860mg/m3的液體下,最大浮力為1100g,在該情形下浮球基本上絕大部分浸在液體內部,且一旦液體的密度稍作改變,浮球就有下沉的危險,不適合做液位指示,倘若在浮球上加5個不銹鋼圓餅,浮球將直接沉入液體底部。
    3、解決方案 
    可以在浮球底部焊接不銹鋼鐵餅,增加浮球重量,使浮球更多部分浸在液體中,從而降低磁性浮子磁翻板液位計的指示值,但是不能過多地增加浮球的重量,因為有可能會造成浮球的重力大于浮力而導致其直接沉入液底。

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