磁致伸縮液位儀介質密度變化對測量精度的影響
磁致伸縮液位儀具有測量精度高、工作壽命長、價格較低、安裝容易、無須重新標定等優點 ,且能同時測量油水和油氣界面 ,是理想的接觸型大罐液位測量裝置之一。但是 ,由于它采用了浮子作為液位和油水界面的感應元件 ,因而介質密度的變化必將給測量精度帶來影響 ,這種影響有時甚至會遠遠超過液位儀的測量精度。
1、磁致伸縮液位儀的工作原理及測量精度
1.1安裝
柔性不銹鋼外管安裝在液位儀波導管的外部 ,并通過重物或磁鐵及球形固定裝置固定在大罐底部。液面和油水界面浮子穿套在柔性不銹鋼外管外 ,并隨液面和油水界面的變化而上下移動 ,是液位的感應元件。
1.2工作原理
測量時 ,液位計發出低電流“詢問”脈沖 ,產生電流磁場。該電流磁場沿波導管向下傳導 ,與浮子內磁鐵產生的磁場相遇 ,產生“波導扭曲”效應及“返回”脈沖。詢問脈沖與返回脈沖之間的時間差即對應液位和油水界面的高低 。
大罐磁致伸縮液位儀采用的是基于大罐底部的測量技術 ,對大罐外壁和頂部的變形不敏感 ,但會隨著大罐底部的移動而移動。
1.3測量精度
磁致伸縮液位儀的測量精度高 ,量程為 7. 62 m 的產品 ,其測量精度達滿量程的 0. 025 %(測量誤差不超過 0. 8 mm) ;另一種量程為 18. 3 m 的產品 ,其測量精度達 0. 005 % (測量誤差不超過 0. 5 mm) 。
2、介質密度變化對測量精度的影響
對于不同類型的浮子 ,介質密度變化對測量精度產生不同的影響 ,以一種典型的球形浮子來說明介質密度變化的影響。
2.1磁致伸縮液位儀的浮子
一般情況下 ,磁致伸縮液位儀的生產廠家會提供多種密度不同、形狀各異的浮子供用戶選擇。
2.2介質密度變化影響測量精度的公式推導
設浮子浸入介質的深度為 h , 浮子排開介質的體積為 v 1 ,浮子的體積為 v 2 ,δh ,δv 1 ,δv 2 為相應的微增量 ,浮子的密度為ρ1 ,介質的密度為ρ2 ,并假定浮子的密度ρ1 和浮子的體積 v 2 不變 ,且忽略內孔對浮子高度尺寸的影響 ,則利用阿基米德浮力定律和微增以上將 k 定義為 - δρ2/ρ2 →δh 的傳遞系數。由此可見 , 如果介質密度 ρ2 的相對變化量為δρ2/ρ2 ,則浮子浸入深度 h 的變化量為 - kδρ2/ρ2 ,負號表示浮子浸入介質深度隨密度的增加而減小。
2.3仿真分析
利用 ma tlab 程序對浮子進行仿真分析 ,得出 h - k 曲線 可見 ,在液位不變而介質密度變化的情況下 ,浮子的高度 h 會發生變化 ,這就意味著磁致伸縮液位儀的液位讀數會發生變化 ,從而造成測量誤差。例如 ,當 h = 45 mm 時(即浮子約一半浸入介質) , k = 28. 4433 ,即只要介質密度 ρ2 的相對變化量δρ2/ρ2 為 2. 5 % , 就會產生01711 mm 的測量誤差 ,超過上述量程為 18. 3 m 的產品的測量. 5 mm.
3、減小介質密度變化影響測量精度的措施
由于磁致伸縮液位儀測量精度很高 ,因此 ,盡量減小介質密度變化對測量精度的影響非常重要?？紤]到球形浮子內孔徑尺寸主要由波導的截止波長決定 ,可變的范圍較小 ,因此 ,針對浮子 ,主要分析了采用 3 種方法 ,即選擇浮子浸入深度 h 、改變浮子外徑 r 和溫度補償 ,來減小介質密度變化對測量精度的影響。
3.1減小浮子浸入深度 h
浮子浸入介質的深度 h 值越小 ,則 k值越小。因此 ,在選擇浮子時 ,可選擇密度稍小的浮子 ,減小浮子浸入介質的深度 h ,繼而減小 k 值 ,從而減小介質密度變化對測量精度的影響。在使用磁致伸縮液位儀時 ,當介質密度變化時 ,應對液位讀數進行修正。
3.2減小浮子外徑 r
r 為 55 mm、40 mm、30 mm、20 mm 時的h - k曲線 ,對應浮子浸入深度 h 等于 r 時的 k 值分別為 35. 55 、25. 04、17. 60、8. 20 ,因此減小外徑 r 也能減小 k 值。
3.3溫度補償
溫度的變化會造成介質密度的變化 ,從而使磁致伸縮液位儀產生測量誤差。不同介質的溫度特性不同 ,以下僅分析油料介質的溫度補償。油料的比重定義為 t ℃的油料的重量與 4 ℃同體積蒸餾水重量之比 ,用 dt 表示。溫度為 20 ℃的油料的比重稱為標準比重 ,用 d240 表示。dt 與 d240 有如下的關系dt = d240 - α( t - 20) (1)式中α為油料比重的溫度修正系數。不同標準比重的油料的α值不同 , d240 為 0. 78～0. 79 的油料的α值為 0. 000792。因此 ,當溫度變化大于某一臨界值時 ,溫度變化對液位讀數的影響將超過其測量精度。對于上述的量程為 7. 62 m 的產品 ,溫度變化臨界值約為 28 ℃;對于上述的量程為 18. 3 m的產品 ,溫度變化臨界值約為 18 ℃。因此 ,當介質溫度變化后 ,應根據公式 (1) 計算比重的變化量 ,再由前面的仿真結果對磁致伸縮液位儀的液位讀數進行修正。
4、結束語
從本質上看 ,采用浮子作為液位感應元件會帶來介質密度變化影響測量精度的后果。但由于浮子液位儀本身的測量精度較低 ,該影響可以忽略 ;磁致伸縮液位儀由于其測量精度很高 ,致使該影響非常突出 ;伺服液位儀采用靈敏的測重裝置可以部分消除這種影響 ,從而提高測量精度。
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1.3測量精度
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對于不同類型的浮子 ,介質密度變化對測量精度產生不同的影響 ,以一種典型的球形浮子來說明介質密度變化的影響。
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設浮子浸入介質的深度為 h , 浮子排開介質的體積為 v 1 ,浮子的體積為 v 2 ,δh ,δv 1 ,δv 2 為相應的微增量 ,浮子的密度為ρ1 ,介質的密度為ρ2 ,并假定浮子的密度ρ1 和浮子的體積 v 2 不變 ,且忽略內孔對浮子高度尺寸的影響 ,則利用阿基米德浮力定律和微增以上將 k 定義為 - δρ2/ρ2 →δh 的傳遞系數。由此可見 , 如果介質密度 ρ2 的相對變化量為δρ2/ρ2 ,則浮子浸入深度 h 的變化量為 - kδρ2/ρ2 ,負號表示浮子浸入介質深度隨密度的增加而減小。
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3.1減小浮子浸入深度 h
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