通過檢測與液體表面接觸的管中的突然壓力變化來測量液位
返回列表發布日期：2019-02-16 10:38:45 |
提出了一種用于液位測量的動態管壓法。我們內部制造的原型液位測量系統的可靠性進行了小瓶水樣的調查作為初步研究。配備有步進電機和差壓傳感器的原型儀器用于測量管從初始零位置到液面的行進距離。與傳統的起泡器方法不同，我們的動態管壓法基于管壓力的突然變化來直接檢測液體表面。最佳條件是根據不同尺寸管在不同環境基礎壓力和各種下降管速度下的行程距離測量值確定的。此外，我們提出了重量校準方法。在重量校準方法中，使用行程距離代替液位，液位可以從行程距離的測量數據中獲得。行程距離與重量校準曲線顯示出良好的線性關系（R.2=0.9999），并且在整個實驗條件范圍內行程距離的標準偏差小于0.1mm。在進一步的研究中，我們現有的系統還將通過最大限度地減少與高溫和高腐蝕性熔鹽的接觸時間來測量密度和表面張力。
介紹
液位的測量是用于核保障以及過程監測，控制，以及用于安全性和盈利材料存儲非常重要的，在許多普通工業過程[1-8]。液位測量技術可分為三類：機械，機電和電子[1]。浮動，浸入探針，目測計玻璃和帶系統用于機械方法，而置換器，磁致伸縮裝置，電阻帶，旋轉抑制方法和伺服動力液位計用于機電方法。電子方法可分為兩個子類：電子接觸和電子非接觸方法。在電子接觸方法中使用振動叉開關，電容或電導率方法，熱擴散技術，超聲波間隙傳感器和導波雷達;而在電子非接觸方法中使用時域反射計，非接觸式雷達和伽馬射線輻射吸收方法。所有這些方法都有其自身的局限性[9]。例如，基于阿基米德原理的機電置換器很容易受到操作條件的影響，例如溫度，壓力，成分和密度。在非接觸式雷達技術中，介質和表面條件會影響測量，液體中存在的氣泡會顯著影響結果。因此，在考慮過程的特征和每種工藝在每種工藝條件下的適用性之后，應特別注意方法的選擇。
有三種類型的公知的基于壓力的液位測量方法：流體靜壓法，差壓法，起泡[5-8]。在流體靜壓方法和差壓方法中，壓力傳感器與液體直接接觸，而鼓泡器使用浸入液體中的管，因此，管代替傳感器與液體直接接觸。如果液體具有化學反應性或足夠熱以損壞壓力傳感器和管道，則不能使用基于壓力的方法。此外，所有三種常規基于壓力的方法的主要缺點是依賴于液體介質的密度，不均勻性和條件。
在這項研究中，我們提出了一種新的基于壓力的液位測量技術，可以在極端條件下使用，即非常熱，腐蝕性和高放射性環境，通過最大限度地減少液體對管道的損害或污染以及工藝條件。此外，該技術不依賴于大量液體條件，例如液體的溫度，密度，組成和均勻性。我們新的動態管壓方法通過管內突然的內部壓力變化直接檢測液體表面。作為初步研究，我們的原型液位測量系統在室溫下在空氣條件下使用水進行了研究。在不久的將來，實驗動態管壓力測量系統，如圖1所示，由線性步進電機，連接到空氣壓縮機的不銹鋼管和壓力傳感器組成。所有實驗均在室溫下進行。將普通自來水放入圓柱形小瓶中，直徑為26.3mm，長度為92.2mm。通過步進電動機（EMS24-C1036，E-Motor，RepublicofKorea）將管子帶到在室溫下操作的小瓶中的水的表面，以進行精確的定位控制。步進電機由可編程邏輯控制器（XGBCnetI/F，LSIndustrialSystemsCo.，RepublicofKorea）控制。分辨率為1.8°/脈沖的步進電機以0.125-5.0mm/s的速度向下驅動不銹鋼管。步進電機角度增量為1.8°/脈沖，每個脈沖的縱向分辨率為2.5μm。一旦接觸到水面，管就會移回原來的位置。通過管的空氣流量和壓力由針閥控制。使用差壓開關和變送器（PTA202D-D2-D300P，CSCCo.，RepublicofKorea）監測管內的壓力。在第一步中，在零位置（z=0）監測環境空氣氣氛中的管壓。如果z=0時的環境壓力穩定且壓力變化小于5Pa持續10秒，則將最后一個壓力值設定為環境基礎壓力（P大韓民國）。在第一步中，在零位置（z=0）監測環境空氣氣氛中的管壓。如果z=0時的環境壓力穩定且壓力變化小于5Pa持續10秒，則將最后一個壓力值設定為環境基礎壓力（P大韓民國）。在第一步中，在零位置（z=0）監測環境空氣氣氛中的管壓。如果z=0時的環境壓力穩定且壓力變化小于5Pa持續10秒，則將最后一個壓力值設定為環境基礎壓力（P一個），和管然后開始向下移動，直到所測得的管壓力（P之間的壓力差噸）和環境基礎壓力（P一）超過ΔP的預設值大號，這表明該管接觸液體表面。如圖2所示，使用方程式中的簡單關系。（1），液位（H）由z=0和容器底部（L2）之間的長度，z=0和管尖（L1）之間的長度以及距離的行程距離確定管尖到液面（D）[2]。
JNFCWT-13-S-39_F1.tif
圖。1。
原型液位測量系統，配有連接到由PLC（可編程邏輯控制器）控制的步進電機的針。
圖2。
基于該方法的液位測量，測量所述距離（d）的原則行進，直到測量管壓力（P之間的壓力差噸）和環境基礎壓力（P一）超過ΔP的預設值大號時的前端管接觸液體表面。
其中L2和L1可以使用標尺直接預先確定。但是，很難準確地測量這兩個值，特別是在許多現場過程中。
使用四個不同直徑（d）和長度（l）的管（參見圖3）來檢查管尺寸對測量精度的影響。研究了環境基礎壓力和管子下降速度對測量精度的影響。為了準確地提高水樣的液位，采用重量法。在重量校準方法中，使用具有0.001g可讀性的數字天平稱量各種量的水，并將其加入到小瓶中。重量校準方法可以提供用于確定容器中的液體量而無需測量難以測量的L1和L2的方法。
圖3。
各種尺寸的管用于測量液位。（a）d=0.98mm，l=69.5mm，（b）d=0.85mm，l=97.6mm，（c）d=0.34mm，l=97.9mm，（d）d=0.26mm，l=99.6毫米，其中d是管的內徑，l是管長。
結果和討論
本研究的目的是使用內部制造的原型儀器確定熔鹽液位測量的最佳條件。首先，如圖3所示，使用四個不同尺寸的管來檢查環境基礎壓力在某些任意固定實驗條件下的影響，即，使用20g水以0.250mm/s的下降速度。管尖端與水的表面距離調整為約。對于使用實驗室千斤頂的所有四個管，70mm，因為絕對液位值在本實驗中并不重要，并且行程距離的相對值提供了足夠的信息來檢查管尺寸和環境基礎壓力的影響。如表1所示可以開始測量的最小環境基礎壓力隨著管尺寸的減小而增加，因為管壓力應該足夠高以從浸沒在液體中的管產生氣泡。根據以下公式中的Young-Laplace方程，較小的管需要較高的基礎壓力。（2）。
表格1。
使用小瓶中的20g水和不同尺寸的管在不同環境基礎壓力（Pa）下以0.250mm/s的下降速度進行10次重復液位測量的結果
從z=0到液面的距離
其中R是管的半徑，γ是水的表面張力，ΔP是管壓力和流體靜壓之間的壓力差。管壓代表空氣流速。壓力越高，流速越高。在0.26毫米管的情況下，初始環境管壓力（Pa）應高于1,200帕以開始實驗，而150帕足以測量0.98毫米管的液位。如果Pa從150Pa增加到1,000Pa，則由于來自管的強氣流，從z=0行進到液面的距離（D）顯著增加。作為Pa由于強氣流產生大氣泡，10次重復測量的標準偏差也從0.03mm惡化到0.24mm。所有其他三個管都表現出更好的準確度和精度，盡管隨著管直徑的減小，最小Pa增加。在相同的Pa范圍內，當使用0.85mm的管時，D不依賴于Pa，其標準偏差也在0.03mm之內。同樣，0.34毫米和0.26毫米的管在Pa時顯示出良好的精度和精度一個較大的管可以避免灰塵或任何其他污染物堵塞，并且可以通過簡單的針閥精確控制基礎壓力，而在非常小的管中控制基礎壓力則要困難得多。在我們目前的測量系統中，選擇0.98毫米管和250帕作為基礎壓力作為進一步研究的最佳條件。在第二個實驗中，使用0.98mm的管和250Pa作為基礎壓力來研究管的下降速度對液位測量的影響。表2表明管的高速運動增加了D值。在現場應用中，測量時間是有效監控過程的關鍵。如果移動管的速度從0.125mm/s增加到2.5mm/s，則D增加約1mm。選擇0.25mm/s的管速作為液位測量的合理速度，因為可以以亞毫米的精度和精度測量液位，這是我們在高溫過程應用中的主要問題之一。
表2。
使用0.98毫米管在基礎壓力Pa=250Pa下使用20g水測量管的下降速度對液位測量的影響
從z=0到液面的距離
通常，需要關于液位的信息來確定容器中的液體量或監測處理容器中液體體積的任何變化。為此目的，沒有必要測量絕對液位。事實上，我們現有的系統不適合直接測量液位，如圖1所示。然而，為了監測目的，尖端-表面距離（D）的測量足以檢測過程故障。液位（H）可以通過L1，L2和D的直接測量來計算。但是，直接測量L1和L2是測量誤差的主要來源之一。相反，我們提出了一種重量校準方法，用于準確測定液體重量。圖4示出了使用0.98毫米管以0.25mm/s的速度管和250Pa的基礎壓力與15的水的重量相對于距離（d）曲線-對應于液面45g水CA。2.8-通過假設小瓶是完美的圓柱體從小瓶直徑計算的8.3厘米。校準曲線顯示水重和距離（D）之間的非常好的線性關系，測定系數（R2）為0.9999。對于圖4中的所有樣品，10次重復測量的標準偏差小于0.07mm。與傳統的液位計相比，這些值非常令人滿意，傳統的液位計的精度通常超過1毫米。為了確定液位（H）而不是直接測量L1和L2，“無校準”技術的概念在過程監控方面非常有用，因為L2和L2的精確測量L1在現場過程中有時非常困難。通過采用無校準技術的概念，精確確定距離（D）僅足以監測和控制現場過程中的液體量。
圖4。
校準曲線用于從行程距離（D）確定液體量和小瓶中液體的重量，而不需要直接知道液位。所有誤差條都會放大100倍，因為它們太小而無法在曲線中看到。
結論
在常規的基于壓力的方法中，例如流體靜力學方法，差壓和起泡器方法，測量誤差的主要來源是整個測量過程中液體溶液內部的溫度，因為溫度變化會影響液體密度和靜水壓力值。液位不變。液體密度還取決于工藝條件，例如組成變化，相分離，懸浮顆粒的存在和氣泡。然而，我們目前通過氣/液表面的突然壓力變化檢測表面的動態管壓方法不依賴于熔體的這種工藝條件。
作為開發適用于高溫熱化學應用的液位測量系統的初步研究，使用由步進電機控制的簡單單管來研究原型測量系統。為了獲得最佳結果，仔細確定了實驗參數，例如氣體流速，管的下降速度和臨界壓力水平。通常，測量誤差小于0.1mm。管的直徑越小，獲得更好結果所需的氣體流速越高。然而，當氣體流速太高時，精度變差。在該研究中檢查的范圍內，管的下降速度的影響不顯著。我們還開發了一種方法，用于確定容器中液體的重量，測量從管尖到液面的行程距離。在大多數應用中，過程監控中的行程距離信息就足夠了。
在進一步的研究中，我們的液體測量系統原型將得到改進，用電爐測量手套箱內高溫熔鹽的密度和表面張力以及液位。在高溫應用的情況下，應特別小心，因為熔鹽非常熱和腐蝕性。應盡量減少與熔鹽接觸的時間。
介紹
液位的測量是用于核保障以及過程監測，控制，以及用于安全性和盈利材料存儲非常重要的，在許多普通工業過程[1-8]。液位測量技術可分為三類：機械，機電和電子[1]。浮動，浸入探針，目測計玻璃和帶系統用于機械方法，而置換器，磁致伸縮裝置，電阻帶，旋轉抑制方法和伺服動力液位計用于機電方法。電子方法可分為兩個子類：電子接觸和電子非接觸方法。在電子接觸方法中使用振動叉開關，電容或電導率方法，熱擴散技術，超聲波間隙傳感器和導波雷達;而在電子非接觸方法中使用時域反射計，非接觸式雷達和伽馬射線輻射吸收方法。所有這些方法都有其自身的局限性[9]。例如，基于阿基米德原理的機電置換器很容易受到操作條件的影響，例如溫度，壓力，成分和密度。在非接觸式雷達技術中，介質和表面條件會影響測量，液體中存在的氣泡會顯著影響結果。因此，在考慮過程的特征和每種工藝在每種工藝條件下的適用性之后，應特別注意方法的選擇。
有三種類型的公知的基于壓力的液位測量方法：流體靜壓法，差壓法，起泡[5-8]。在流體靜壓方法和差壓方法中，壓力傳感器與液體直接接觸，而鼓泡器使用浸入液體中的管，因此，管代替傳感器與液體直接接觸。如果液體具有化學反應性或足夠熱以損壞壓力傳感器和管道，則不能使用基于壓力的方法。此外，所有三種常規基于壓力的方法的主要缺點是依賴于液體介質的密度，不均勻性和條件。
在這項研究中，我們提出了一種新的基于壓力的液位測量技術，可以在極端條件下使用，即非常熱，腐蝕性和高放射性環境，通過最大限度地減少液體對管道的損害或污染以及工藝條件。此外，該技術不依賴于大量液體條件，例如液體的溫度，密度，組成和均勻性。我們新的動態管壓方法通過管內突然的內部壓力變化直接檢測液體表面。作為初步研究，我們的原型液位測量系統在室溫下在空氣條件下使用水進行了研究。在不久的將來，實驗動態管壓力測量系統，如圖1所示，由線性步進電機，連接到空氣壓縮機的不銹鋼管和壓力傳感器組成。所有實驗均在室溫下進行。將普通自來水放入圓柱形小瓶中，直徑為26.3mm，長度為92.2mm。通過步進電動機（EMS24-C1036，E-Motor，RepublicofKorea）將管子帶到在室溫下操作的小瓶中的水的表面，以進行精確的定位控制。步進電機由可編程邏輯控制器（XGBCnetI/F，LSIndustrialSystemsCo.，RepublicofKorea）控制。分辨率為1.8°/脈沖的步進電機以0.125-5.0mm/s的速度向下驅動不銹鋼管。步進電機角度增量為1.8°/脈沖，每個脈沖的縱向分辨率為2.5μm。一旦接觸到水面，管就會移回原來的位置。通過管的空氣流量和壓力由針閥控制。使用差壓開關和變送器（PTA202D-D2-D300P，CSCCo.，RepublicofKorea）監測管內的壓力。在第一步中，在零位置（z=0）監測環境空氣氣氛中的管壓。如果z=0時的環境壓力穩定且壓力變化小于5Pa持續10秒，則將最后一個壓力值設定為環境基礎壓力（P大韓民國）。在第一步中，在零位置（z=0）監測環境空氣氣氛中的管壓。如果z=0時的環境壓力穩定且壓力變化小于5Pa持續10秒，則將最后一個壓力值設定為環境基礎壓力（P大韓民國）。在第一步中，在零位置（z=0）監測環境空氣氣氛中的管壓。如果z=0時的環境壓力穩定且壓力變化小于5Pa持續10秒，則將最后一個壓力值設定為環境基礎壓力（P一個），和管然后開始向下移動，直到所測得的管壓力（P之間的壓力差噸）和環境基礎壓力（P一）超過ΔP的預設值大號，這表明該管接觸液體表面。如圖2所示，使用方程式中的簡單關系。（1），液位（H）由z=0和容器底部（L2）之間的長度，z=0和管尖（L1）之間的長度以及距離的行程距離確定管尖到液面（D）[2]。
JNFCWT-13-S-39_F1.tif
圖。1。
原型液位測量系統，配有連接到由PLC（可編程邏輯控制器）控制的步進電機的針。
基于該方法的液位測量，測量所述距離（d）的原則行進，直到測量管壓力（P之間的壓力差噸）和環境基礎壓力（P一）超過ΔP的預設值大號時的前端管接觸液體表面。
其中L2和L1可以使用標尺直接預先確定。但是，很難準確地測量這兩個值，特別是在許多現場過程中。
使用四個不同直徑（d）和長度（l）的管（參見圖3）來檢查管尺寸對測量精度的影響。研究了環境基礎壓力和管子下降速度對測量精度的影響。為了準確地提高水樣的液位，采用重量法。在重量校準方法中，使用具有0.001g可讀性的數字天平稱量各種量的水，并將其加入到小瓶中。重量校準方法可以提供用于確定容器中的液體量而無需測量難以測量的L1和L2的方法。
圖3。
各種尺寸的管用于測量液位。（a）d=0.98mm，l=69.5mm，（b）d=0.85mm，l=97.6mm，（c）d=0.34mm，l=97.9mm，（d）d=0.26mm，l=99.6毫米，其中d是管的內徑，l是管長。
結果和討論
本研究的目的是使用內部制造的原型儀器確定熔鹽液位測量的最佳條件。首先，如圖3所示，使用四個不同尺寸的管來檢查環境基礎壓力在某些任意固定實驗條件下的影響，即，使用20g水以0.250mm/s的下降速度。管尖端與水的表面距離調整為約。對于使用實驗室千斤頂的所有四個管，70mm，因為絕對液位值在本實驗中并不重要，并且行程距離的相對值提供了足夠的信息來檢查管尺寸和環境基礎壓力的影響。如表1所示可以開始測量的最小環境基礎壓力隨著管尺寸的減小而增加，因為管壓力應該足夠高以從浸沒在液體中的管產生氣泡。根據以下公式中的Young-Laplace方程，較小的管需要較高的基礎壓力。（2）。
表格1。
使用小瓶中的20g水和不同尺寸的管在不同環境基礎壓力（Pa）下以0.250mm/s的下降速度進行10次重復液位測量的結果
從z=0到液面的距離
其中R是管的半徑，γ是水的表面張力，ΔP是管壓力和流體靜壓之間的壓力差。管壓代表空氣流速。壓力越高，流速越高。在0.26毫米管的情況下，初始環境管壓力（Pa）應高于1,200帕以開始實驗，而150帕足以測量0.98毫米管的液位。如果Pa從150Pa增加到1,000Pa，則由于來自管的強氣流，從z=0行進到液面的距離（D）顯著增加。作為Pa由于強氣流產生大氣泡，10次重復測量的標準偏差也從0.03mm惡化到0.24mm。所有其他三個管都表現出更好的準確度和精度，盡管隨著管直徑的減小，最小Pa增加。在相同的Pa范圍內，當使用0.85mm的管時，D不依賴于Pa，其標準偏差也在0.03mm之內。同樣，0.34毫米和0.26毫米的管在Pa時顯示出良好的精度和精度一個較大的管可以避免灰塵或任何其他污染物堵塞，并且可以通過簡單的針閥精確控制基礎壓力，而在非常小的管中控制基礎壓力則要困難得多。在我們目前的測量系統中，選擇0.98毫米管和250帕作為基礎壓力作為進一步研究的最佳條件。在第二個實驗中，使用0.98mm的管和250Pa作為基礎壓力來研究管的下降速度對液位測量的影響。表2表明管的高速運動增加了D值。在現場應用中，測量時間是有效監控過程的關鍵。如果移動管的速度從0.125mm/s增加到2.5mm/s，則D增加約1mm。選擇0.25mm/s的管速作為液位測量的合理速度，因為可以以亞毫米的精度和精度測量液位，這是我們在高溫過程應用中的主要問題之一。
表2。
使用0.98毫米管在基礎壓力Pa=250Pa下使用20g水測量管的下降速度對液位測量的影響
從z=0到液面的距離
通常，需要關于液位的信息來確定容器中的液體量或監測處理容器中液體體積的任何變化。為此目的，沒有必要測量絕對液位。事實上，我們現有的系統不適合直接測量液位，如圖1所示。然而，為了監測目的，尖端-表面距離（D）的測量足以檢測過程故障。液位（H）可以通過L1，L2和D的直接測量來計算。但是，直接測量L1和L2是測量誤差的主要來源之一。相反，我們提出了一種重量校準方法，用于準確測定液體重量。圖4示出了使用0.98毫米管以0.25mm/s的速度管和250Pa的基礎壓力與15的水的重量相對于距離（d）曲線-對應于液面45g水CA。2.8-通過假設小瓶是完美的圓柱體從小瓶直徑計算的8.3厘米。校準曲線顯示水重和距離（D）之間的非常好的線性關系，測定系數（R2）為0.9999。對于圖4中的所有樣品，10次重復測量的標準偏差小于0.07mm。與傳統的液位計相比，這些值非常令人滿意，傳統的液位計的精度通常超過1毫米。為了確定液位（H）而不是直接測量L1和L2，“無校準”技術的概念在過程監控方面非常有用，因為L2和L2的精確測量L1在現場過程中有時非常困難。通過采用無校準技術的概念，精確確定距離（D）僅足以監測和控制現場過程中的液體量。
圖4。
校準曲線用于從行程距離（D）確定液體量和小瓶中液體的重量，而不需要直接知道液位。所有誤差條都會放大100倍，因為它們太小而無法在曲線中看到。
結論
在常規的基于壓力的方法中，例如流體靜力學方法，差壓和起泡器方法，測量誤差的主要來源是整個測量過程中液體溶液內部的溫度，因為溫度變化會影響液體密度和靜水壓力值。液位不變。液體密度還取決于工藝條件，例如組成變化，相分離，懸浮顆粒的存在和氣泡。然而，我們目前通過氣/液表面的突然壓力變化檢測表面的動態管壓方法不依賴于熔體的這種工藝條件。
作為開發適用于高溫熱化學應用的液位測量系統的初步研究，使用由步進電機控制的簡單單管來研究原型測量系統。為了獲得最佳結果，仔細確定了實驗參數，例如氣體流速，管的下降速度和臨界壓力水平。通常，測量誤差小于0.1mm。管的直徑越小，獲得更好結果所需的氣體流速越高。然而，當氣體流速太高時，精度變差。在該研究中檢查的范圍內，管的下降速度的影響不顯著。我們還開發了一種方法，用于確定容器中液體的重量，測量從管尖到液面的行程距離。在大多數應用中，過程監控中的行程距離信息就足夠了。
在進一步的研究中，我們的液體測量系統原型將得到改進，用電爐測量手套箱內高溫熔鹽的密度和表面張力以及液位。在高溫應用的情況下，應特別小心，因為熔鹽非常熱和腐蝕性。應盡量減少與熔鹽接觸的時間。