在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)物位的測(cè)量可以確定容器設(shè)備中原料成品和半成品的體積和質(zhì)量,以保證連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)所需的物料或進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算?；蛲ㄟ^(guò)物位的測(cè)量監(jiān)視和控制容器內(nèi)的介質(zhì)物位,是它保持在工藝要求的高度上,保證產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)安全。物位的測(cè)量方法也有很多,如玻璃罐液位計(jì)、浮力式物位計(jì)、差壓式液位計(jì)、電容式物位計(jì)、雷達(dá)式物位計(jì)、超聲波物位計(jì)等等,不同的物位計(jì)測(cè)量原理不同,適用范圍和測(cè)量精度也不相同。 下面我們就差壓式的工作原理、誤差產(chǎn)生的原因和處理方法做簡(jiǎn)單討論。并給出了在實(shí)際應(yīng)中采用誤差處理前、后測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差變化。

根據(jù)流體靜力學(xué)原理,一定高度的液體自身的重力作用于底面積上,所產(chǎn)生的壓力和液體的高度有關(guān),壓差式液位計(jì)是通過(guò)測(cè)量液位高度產(chǎn)生的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。

PA為A點(diǎn)的表壓力;

輸出上、下限的與液位的零點(diǎn)、量程相對(duì)應(yīng)。這種方法稱為“零點(diǎn)遷移”。 

當(dāng)H=0時(shí), ΔP =0,差壓變送器未受任何附加靜壓。差壓變送器無(wú)需遷移。

當(dāng)H=0時(shí), ΔP >0,差壓變送器受附加正差壓作用,需進(jìn)行正遷移,遷移量:。

當(dāng)H=0時(shí), ΔP >0,差壓變送器受附加正差壓作用,需進(jìn)行正遷移,遷移量:

在同一地區(qū)的同一高度,任何物體的重力加速度都是相同的。重力加速度的數(shù)值隨海拔高度增大而減小。當(dāng)物體距地面高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球半徑時(shí),g變化不大。而離地面高度較大時(shí),重力加速度g數(shù)值顯著減小,此時(shí)不能認(rèn)為g為常數(shù)。 距離地面同一高度的重力加速度,也會(huì)隨著緯度的升高而變大。由于重力是萬(wàn)有引力的一個(gè)分力,萬(wàn)有引力的另一個(gè)分力提供了物體繞地軸作圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力。物體所處的地理位置緯度越高,圓周運(yùn)動(dòng)軌道半徑越小,需要的向心力也越小,重力將隨之增大,重力加速度也變大。地理南北兩極處的圓周運(yùn)動(dòng)軌道半徑為0,需要的向心力也為0,重力等于萬(wàn)有引力,此時(shí)的重力加速度也達(dá)到***大。

我們通常所說(shuō)的液體密度指的是液體在標(biāo)況 (即溫度為0℃、壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓) 下的密度。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,液體很少是在標(biāo)況下,液體的密度受壓力和溫度的影響也不是一個(gè)標(biāo)況下的常數(shù)。根據(jù)物體熱脹冷收的效應(yīng),溫度升高,體積增加,密度減小。另外,在溫度一定的情況下,壓力增加,體積減小,密度增加。所以液體的密度會(huì)受到壓力和溫度兩個(gè)因素的影響。

嚴(yán)格說(shuō)來(lái),質(zhì)點(diǎn)受到萬(wàn)有引力是質(zhì)點(diǎn)的重力和質(zhì)點(diǎn)隨地球繞自轉(zhuǎn)軸作勻速圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生向心力的矢量和。那么,重力就是質(zhì)點(diǎn)受到萬(wàn)有引力和質(zhì)點(diǎn)隨地球繞自轉(zhuǎn)軸作勻速圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生向心力的矢量差。

假設(shè)地球質(zhì)量是M,質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量是m,質(zhì)點(diǎn)所在緯度是θ, 海拔高度h,此處的地球半徑是R,地球自轉(zhuǎn)的角速度是ω, 萬(wàn)有引力常數(shù)是G,質(zhì)點(diǎn)和地球自轉(zhuǎn)軸之間的距離是r,那么顯然有r=(R+h)cosθ。此時(shí),萬(wàn)有引力F引=GMm/(R+h)2,向心力F向=mrω2=mω2(R+h)cosθ

上式是理論上的公式,實(shí)際應(yīng)用可用下式

不同高度的重力加速度 (m/s2)

液體的密度在相同的溫度、壓力下是一個(gè)固定常熟,但是隨溫度和壓力的變化密度也會(huì)變化。液體密度受溫度的影響較大,在低壓范圍內(nèi)受壓力影響較小,在高壓和超高壓范圍內(nèi)受壓力影響較大。

以測(cè)量石油液體為例,參考石油密度與溫度、壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系找出液體的實(shí)際密度。在一定環(huán)境下,容器內(nèi)液體的溫度基本穩(wěn)定且均一,直接采用溫度傳感器測(cè)出溫度即可。但是液體不同高處的壓力不同,容器內(nèi)各處液體的壓力和液體高度基本成正比,所以計(jì)算時(shí)整個(gè)容器內(nèi)液體的壓力取1/2高H處的壓力為平均壓力可以減小壓力誤差影響。

2013年10月,某長(zhǎng)輸管道投產(chǎn)采用水聯(lián)運(yùn),蓄水罐為剛完工未投產(chǎn)的10萬(wàn)m³外浮頂立式金屬罐,未加裝液位計(jì)。同時(shí)首站出站流量計(jì)均未投用,為了確保投產(chǎn)流量控制方案規(guī)定的范圍內(nèi),必須通過(guò)立式金屬罐的液位來(lái)判斷外輸排量。為此,首站采用在罐底安裝差壓變送器檢測(cè)罐內(nèi)水的壓力變化,并遠(yuǎn)傳至站控SCADA系統(tǒng),完成液位的轉(zhuǎn)換,及時(shí)計(jì)算液位高度變化及外輸排量,在投產(chǎn)期間發(fā)揮了巨大作用。

在罐底部有一個(gè)打壓測(cè)試的接口,連接上0-200k Pa的羅斯蒙特差壓變送器,精度為0.075%。遠(yuǎn)傳信號(hào)采用4-20m A。 上位機(jī)采用BB公司生產(chǎn)的模擬量PLC,并通過(guò)以太網(wǎng)上傳至計(jì)算機(jī)。

通過(guò)VB編寫(xiě)程序,讀取PLC壓力值。通過(guò)公式計(jì)算液位高度然后通過(guò)罐表數(shù)據(jù)庫(kù)查找罐容表自動(dòng)計(jì)算罐容量,再通過(guò)罐容量變化及時(shí)間計(jì)算外輸排量。軟件能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢、 水密度修正、刷新頻率設(shè)置、以及海拔及經(jīng)緯度對(duì)重力加速度的修正。

界面如下:

本地海拔高度為1520米,經(jīng)過(guò)GPS定位,確定經(jīng)度和緯度。水溫為15℃,經(jīng)過(guò)查表密度水的密度為999.1kg/m³。

為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),在投產(chǎn)開(kāi)始時(shí)進(jìn)行手工檢水尺與液位計(jì)必讀,并及時(shí)找出誤差產(chǎn)生的原因,調(diào)整修正參數(shù)。如下表:

經(jīng)過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn),存在一個(gè)恒定的差值0.318m,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查,發(fā)現(xiàn)取壓孔距離罐底高度約為0.3米,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量為0.314米。隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行+0.314m修正。經(jīng)過(guò)再次比對(duì),結(jié)果與檢尺非常接近,修正效果良好。如下表:

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,在使用壓差液位計(jì)測(cè)量液位時(shí),尤其是測(cè)量大容量液體的液位時(shí),考慮測(cè)量誤差及誤差調(diào)整對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量的重要性。