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)的測量轉化為差壓的測量,所以,利用吹氣法可測量設備中介質的液位、密度、界面等參數。

　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過減壓閥后,進入恒流器,再經轉子流量計后,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有如下關系:

　　h =ΔP/ρg

　　式中:ρ———液體密度;g———當地重力加速度。

　設常數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系。

　　由于吹氣壓力、吹氣流量、介質溫度、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、工作壓力等參數值的范圍,以滿足吹氣裝置精度、穩定性的要求。對溫度的影響可以給出修正參數。

       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時,設常數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K2=1/gH

　　由于H為已知,g為常數,則K2為常數

　　則:ρ= K2·ΔPⅢⅡ                                                  (6)

　　由式(3)、(6)可見,分別測出差壓ΔPⅢⅠ、ΔPⅢⅡ,即可相應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,并使用帶微壓的密封容器(帶壓時,上面推導中的P0應等于容器內的壓力)。

　　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值,以滿足吹氣裝置精度和穩定性的要求,至于溫度的影響,也可通過實驗找出修正的方法。

2　吹氣裝置的設計

　　在選定元件后,根據元件的尺寸,設計一不銹鋼外殼,把元件按照原理圖布置安裝在殼體內部,殼體上有窺視窗。通過窺視窗可以觀察到玻璃轉子流量計的示值,其裝置內部的氣源壓力,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)試驗目的。吹氣裝置在不同條件下能否達到精度要求,是否穩定運行等。

　　(2)實驗系統。試驗系統有以下部分組成:

　　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。

　　試驗系統如圖3所示。

　　(3)試驗內容。

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

　　b.在吹氣流量一定時,通過調節減壓閥,試驗吹氣壓力對液位、密度的測量精度及穩定性的影響,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:①液位測量上下行程值的誤差考核試驗;②容器內介質溫度變化(20~80℃)的液位測量試驗;③容器內壓力變化(包括正壓及負壓變化)的液位測量試驗;

　　④吹氣裝置穩定程度的考核試驗。

　　4　注意事項

　　(1)吹氣管的長管管口應距離設備底部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。

　　(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,液位測量盲區應是斜口上端點到設備底部的距離。

　　(3)測量帶壓設備時,吹氣管內的壓力P與設備內zui大壓力值P設備max、氣路元件的壓降P氣路和zui大液位壓力Phmax之間的關系應為:

　P > P設備max+ P氣路+ Phmax

　　這樣,設備中的溶液才不可能倒灌出來,這對放射性介質的測量非常重要,所以在測量帶壓容器內的介質時,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備內zui高液面的標高,以防止液體倒流。

　5　結　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。這說明在調節氣源壓力時,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℃之間密閉容器內酸性(或堿性)介質的液位及密度。這時根據前面的試驗可知,吹氣裝置的工作點設置在壓力:0.3MPa;流量:60ml/min。

　　(3)根據試驗,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、界面及帶密度補償的液面。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的液體不適用。