通过检测与液体表面接触的管中的突然压力变化来测量液位
返回列表发布日期：2019-02-16 10:38:45 |
提出了一种用于液位测量的动态管压法。我们内部制造的原型液位测量系统的可靠性进行了小瓶水样的调查作为初步研究。配备有步进电机和差压传感器的原型仪器用于测量管从初始零位置到液面的行进距离。与传统的起泡器方法不同，我们的动态管压法基于管压力的突然变化来直接检测液体表面。最佳条件是根据不同尺寸管在不同环境基础压力和各种下降管速度下的行程距离测量值确定的。此外，我们提出了重量校准方法。在重量校准方法中，使用行程距离代替液位，液位可以从行程距离的测量数据中获得。行程距离与重量校准曲线显示出良好的线性关系（R.2=0.9999），并且在整个实验条件范围内行程距离的标准偏差小于0.1mm。在进一步的研究中，我们现有的系统还将通过最大限度地减少与高温和高腐蚀性熔盐的接触时间来测量密度和表面张力。
介绍
液位的测量是用于核保障以及过程监测，控制，以及用于安全性和盈利材料存储非常重要的，在许多普通工业过程[1-8]。液位测量技术可分为三类：机械，机电和电子[1]。浮动，浸入探针，目测计玻璃和带系统用于机械方法，而置换器，磁致伸缩装置，电阻带，旋转抑制方法和伺服动力液位计用于机电方法。电子方法可分为两个子类：电子接触和电子非接触方法。在电子接触方法中使用振动叉开关，电容或电导率方法，热扩散技术，超声波间隙传感器和导波雷达;而在电子非接触方法中使用时域反射计，非接触式雷达和伽马射线辐射吸收方法。所有这些方法都有其自身的局限性[9]。例如，基于阿基米德原理的机电置换器很容易受到操作条件的影响，例如温度，压力，成分和密度。在非接触式雷达技术中，介质和表面条件会影响测量，液体中存在的气泡会显着影响结果。因此，在考虑过程的特征和每种工艺在每种工艺条件下的适用性之后，应特别注意方法的选择。
有三种类型的公知的基于压力的液位测量方法：流体静压法，差压法，起泡[5-8]。在流体静压方法和差压方法中，压力传感器与液体直接接触，而鼓泡器使用浸入液体中的管，因此，管代替传感器与液体直接接触。如果液体具有化学反应性或足够热以损坏压力传感器和管道，则不能使用基于压力的方法。此外，所有三种常规基于压力的方法的主要缺点是依赖于液体介质的密度，不均匀性和条件。
在这项研究中，我们提出了一种新的基于压力的液位测量技术，可以在极端条件下使用，即非常热，腐蚀性和高放射性环境，通过最大限度地减少液体对管道的损害或污染以及工艺条件。此外，该技术不依赖于大量液体条件，例如液体的温度，密度，组成和均匀性。我们新的动态管压方法通过管内突然的内部压力变化直接检测液体表面。作为初步研究，我们的原型液位测量系统在室温下在空气条件下使用水进行了研究。在不久的将来，实验动态管压力测量系统，如图1所示，由线性步进电机，连接到空气压缩机的不锈钢管和压力传感器组成。所有实验均在室温下进行。将普通自来水放入圆柱形小瓶中，直径为26.3mm，长度为92.2mm。通过步进电动机（EMS24-C1036，E-Motor，RepublicofKorea）将管子带到在室温下操作的小瓶中的水的表面，以进行精确的定位控制。步进电机由可编程逻辑控制器（XGBCnetI/F，LSIndustrialSystemsCo.，RepublicofKorea）控制。分辨率为1.8°/脉冲的步进电机以0.125-5.0mm/s的速度向下驱动不锈钢管。步进电机角度增量为1.8°/脉冲，每个脉冲的纵向分辨率为2.5μm。一旦接触到水面，管就会移回原来的位置。通过管的空气流量和压力由针阀控制。使用差压开关和变送器（PTA202D-D2-D300P，CSCCo.，RepublicofKorea）监测管内的压力。在第一步中，在零位置（z=0）监测环境空气气氛中的管压。如果z=0时的环境压力稳定且压力变化小于5Pa持续10秒，则将最后一个压力值设定为环境基础压力（P大韩民国）。在第一步中，在零位置（z=0）监测环境空气气氛中的管压。如果z=0时的环境压力稳定且压力变化小于5Pa持续10秒，则将最后一个压力值设定为环境基础压力（P大韩民国）。在第一步中，在零位置（z=0）监测环境空气气氛中的管压。如果z=0时的环境压力稳定且压力变化小于5Pa持续10秒，则将最后一个压力值设定为环境基础压力（P一个），和管然后开始向下移动，直到所测得的管压力（P之间的压力差吨）和环境基础压力（P一）超过ΔP的预设值大号，这表明该管接触液体表面。如图2所示，使用方程式中的简单关系。（1），液位（H）由z=0和容器底部（L2）之间的长度，z=0和管尖（L1）之间的长度以及距离的行程距离确定管尖到液面（D）[2]。
JNFCWT-13-S-39_F1.tif
图。1。
原型液位测量系统，配有连接到由PLC（可编程逻辑控制器）控制的步进电机的针。
图2。
基于该方法的液位测量，测量所述距离（d）的原则行进，直到测量管压力（P之间的压力差吨）和环境基础压力（P一）超过ΔP的预设值大号时的前端管接触液体表面。
其中L2和L1可以使用标尺直接预先确定。但是，很难准确地测量这两个值，特别是在许多现场过程中。
使用四个不同直径（d）和长度（l）的管（参见图3）来检查管尺寸对测量精度的影响。研究了环境基础压力和管子下降速度对测量精度的影响。为了准确地提高水样的液位，采用重量法。在重量校准方法中，使用具有0.001g可读性的数字天平称量各种量的水，并将其加入到小瓶中。重量校准方法可以提供用于确定容器中的液体量而无需测量难以测量的L1和L2的方法。
图3。
各种尺寸的管用于测量液位。（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是管的内径，l是管长。
结果和讨论
本研究的目的是使用内部制造的原型仪器确定熔盐液位测量的最佳条件。首先，如图3所示，使用四个不同尺寸的管来检查环境基础压力在某些任意固定实验条件下的影响，即，使用20g水以0.250mm/s的下降速度。管尖端与水的表面距离调整为约。对于使用实验室千斤顶的所有四个管，70mm，因为绝对液位值在本实验中并不重要，并且行程距离的相对值提供了足够的信息来检查管尺寸和环境基础压力的影响。如表1所示可以开始测量的最小环境基础压力随着管尺寸的减小而增加，因为管压力应该足够高以从浸没在液体中的管产生气泡。根据以下公式中的Young-Laplace方程，较小的管需要较高的基础压力。（2）。
表格1。
使用小瓶中的20g水和不同尺寸的管在不同环境基础压力（Pa）下以0.250mm/s的下降速度进行10次重复液位测量的结果
从z=0到液面的距离
其中R是管的半径，γ是水的表面张力，ΔP是管压力和流体静压之间的压力差。管压代表空气流速。压力越高，流速越高。在0.26毫米管的情况下，初始环境管压力（Pa）应高于1,200帕以开始实验，而150帕足以测量0.98毫米管的液位。如果Pa从150Pa增加到1,000Pa，则由于来自管的强气流，从z=0行进到液面的距离（D）显着增加。作为Pa由于强气流产生大气泡，10次重复测量的标准偏差也从0.03mm恶化到0.24mm。所有其他三个管都表现出更好的准确度和精度，尽管随着管直径的减小，最小Pa增加。在相同的Pa范围内，当使用0.85mm的管时，D不依赖于Pa，其标准偏差也在0.03mm之内。同样，0.34毫米和0.26毫米的管在Pa时显示出良好的精度和精度一个较大的管可以避免灰尘或任何其他污染物堵塞，并且可以通过简单的针阀精确控制基础压力，而在非常小的管中控制基础压力则要困难得多。在我们目前的测量系统中，选择0.98毫米管和250帕作为基础压力作为进一步研究的最佳条件。在第二个实验中，使用0.98mm的管和250Pa作为基础压力来研究管的下降速度对液位测量的影响。表2表明管的高速运动增加了D值。在现场应用中，测量时间是有效监控过程的关键。如果移动管的速度从0.125mm/s增加到2.5mm/s，则D增加约1mm。选择0.25mm/s的管速作为液位测量的合理速度，因为可以以亚毫米的精度和精度测量液位，这是我们在高温过程应用中的主要问题之一。
表2。
使用0.98毫米管在基础压力Pa=250Pa下使用20g水测量管的下降速度对液位测量的影响
从z=0到液面的距离
通常，需要关于液位的信息来确定容器中的液体量或监测处理容器中液体体积的任何变化。为此目的，没有必要测量绝对液位。事实上，我们现有的系统不适合直接测量液位，如图1所示。然而，为了监测目的，尖端-表面距离（D）的测量足以检测过程故障。液位（H）可以通过L1，L2和D的直接测量来计算。但是，直接测量L1和L2是测量误差的主要来源之一。相反，我们提出了一种重量校准方法，用于准确测定液体重量。图4示出了使用0.98毫米管以0.25mm/s的速度管和250Pa的基础压力与15的水的重量相对于距离（d）曲线-对应于液面45g水CA。2.8-通过假设小瓶是完美的圆柱体从小瓶直径计算的8.3厘米。校准曲线显示水重和距离（D）之间的非常好的线性关系，测定系数（R2）为0.9999。对于图4中的所有样品，10次重复测量的标准偏差小于0.07mm。与传统的液位计相比，这些值非常令人满意，传统的液位计的精度通常超过1毫米。为了确定液位（H）而不是直接测量L1和L2，“无校准”技术的概念在过程监控方面非常有用，因为L2和L2的精确测量L1在现场过程中有时非常困难。通过采用无校准技术的概念，精确确定距离（D）仅足以监测和控制现场过程中的液体量。
图4。
校准曲线用于从行程距离（D）确定液体量和小瓶中液体的重量，而不需要直接知道液位。所有误差条都会放大100倍，因为它们太小而无法在曲线中看到。
结论
在常规的基于压力的方法中，例如流体静力学方法，差压和起泡器方法，测量误差的主要来源是整个测量过程中液体溶液内部的温度，因为温度变化会影响液体密度和静水压力值。液位不变。液体密度还取决于工艺条件，例如组成变化，相分离，悬浮颗粒的存在和气泡。然而，我们目前通过气/液表面的突然压力变化检测表面的动态管压方法不依赖于熔体的这种工艺条件。
作为开发适用于高温热化学应用的液位测量系统的初步研究，使用由步进电机控制的简单单管来研究原型测量系统。为了获得最佳结果，仔细确定了实验参数，例如气体流速，管的下降速度和临界压力水平。通常，测量误差小于0.1mm。管的直径越小，获得更好结果所需的气体流速越高。然而，当气体流速太高时，精度变差。在该研究中检查的范围内，管的下降速度的影响不显着。我们还开发了一种方法，用于确定容器中液体的重量，测量从管尖到液面的行程距离。在大多数应用中，过程监控中的行程距离信息就足够了。
在进一步的研究中，我们的液体测量系统原型将得到改进，用电炉测量手套箱内高温熔盐的密度和表面张力以及液位。在高温应用的情况下，应特别小心，因为熔盐非常热和腐蚀性。应尽量减少与熔盐接触的时间。
介绍
液位的测量是用于核保障以及过程监测，控制，以及用于安全性和盈利材料存储非常重要的，在许多普通工业过程[1-8]。液位测量技术可分为三类：机械，机电和电子[1]。浮动，浸入探针，目测计玻璃和带系统用于机械方法，而置换器，磁致伸缩装置，电阻带，旋转抑制方法和伺服动力液位计用于机电方法。电子方法可分为两个子类：电子接触和电子非接触方法。在电子接触方法中使用振动叉开关，电容或电导率方法，热扩散技术，超声波间隙传感器和导波雷达;而在电子非接触方法中使用时域反射计，非接触式雷达和伽马射线辐射吸收方法。所有这些方法都有其自身的局限性[9]。例如，基于阿基米德原理的机电置换器很容易受到操作条件的影响，例如温度，压力，成分和密度。在非接触式雷达技术中，介质和表面条件会影响测量，液体中存在的气泡会显着影响结果。因此，在考虑过程的特征和每种工艺在每种工艺条件下的适用性之后，应特别注意方法的选择。
有三种类型的公知的基于压力的液位测量方法：流体静压法，差压法，起泡[5-8]。在流体静压方法和差压方法中，压力传感器与液体直接接触，而鼓泡器使用浸入液体中的管，因此，管代替传感器与液体直接接触。如果液体具有化学反应性或足够热以损坏压力传感器和管道，则不能使用基于压力的方法。此外，所有三种常规基于压力的方法的主要缺点是依赖于液体介质的密度，不均匀性和条件。
在这项研究中，我们提出了一种新的基于压力的液位测量技术，可以在极端条件下使用，即非常热，腐蚀性和高放射性环境，通过最大限度地减少液体对管道的损害或污染以及工艺条件。此外，该技术不依赖于大量液体条件，例如液体的温度，密度，组成和均匀性。我们新的动态管压方法通过管内突然的内部压力变化直接检测液体表面。作为初步研究，我们的原型液位测量系统在室温下在空气条件下使用水进行了研究。在不久的将来，实验动态管压力测量系统，如图1所示，由线性步进电机，连接到空气压缩机的不锈钢管和压力传感器组成。所有实验均在室温下进行。将普通自来水放入圆柱形小瓶中，直径为26.3mm，长度为92.2mm。通过步进电动机（EMS24-C1036，E-Motor，RepublicofKorea）将管子带到在室温下操作的小瓶中的水的表面，以进行精确的定位控制。步进电机由可编程逻辑控制器（XGBCnetI/F，LSIndustrialSystemsCo.，RepublicofKorea）控制。分辨率为1.8°/脉冲的步进电机以0.125-5.0mm/s的速度向下驱动不锈钢管。步进电机角度增量为1.8°/脉冲，每个脉冲的纵向分辨率为2.5μm。一旦接触到水面，管就会移回原来的位置。通过管的空气流量和压力由针阀控制。使用差压开关和变送器（PTA202D-D2-D300P，CSCCo.，RepublicofKorea）监测管内的压力。在第一步中，在零位置（z=0）监测环境空气气氛中的管压。如果z=0时的环境压力稳定且压力变化小于5Pa持续10秒，则将最后一个压力值设定为环境基础压力（P大韩民国）。在第一步中，在零位置（z=0）监测环境空气气氛中的管压。如果z=0时的环境压力稳定且压力变化小于5Pa持续10秒，则将最后一个压力值设定为环境基础压力（P大韩民国）。在第一步中，在零位置（z=0）监测环境空气气氛中的管压。如果z=0时的环境压力稳定且压力变化小于5Pa持续10秒，则将最后一个压力值设定为环境基础压力（P一个），和管然后开始向下移动，直到所测得的管压力（P之间的压力差吨）和环境基础压力（P一）超过ΔP的预设值大号，这表明该管接触液体表面。如图2所示，使用方程式中的简单关系。（1），液位（H）由z=0和容器底部（L2）之间的长度，z=0和管尖（L1）之间的长度以及距离的行程距离确定管尖到液面（D）[2]。
JNFCWT-13-S-39_F1.tif
图。1。
原型液位测量系统，配有连接到由PLC（可编程逻辑控制器）控制的步进电机的针。
基于该方法的液位测量，测量所述距离（d）的原则行进，直到测量管压力（P之间的压力差吨）和环境基础压力（P一）超过ΔP的预设值大号时的前端管接触液体表面。
其中L2和L1可以使用标尺直接预先确定。但是，很难准确地测量这两个值，特别是在许多现场过程中。
使用四个不同直径（d）和长度（l）的管（参见图3）来检查管尺寸对测量精度的影响。研究了环境基础压力和管子下降速度对测量精度的影响。为了准确地提高水样的液位，采用重量法。在重量校准方法中，使用具有0.001g可读性的数字天平称量各种量的水，并将其加入到小瓶中。重量校准方法可以提供用于确定容器中的液体量而无需测量难以测量的L1和L2的方法。
图3。
各种尺寸的管用于测量液位。（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是管的内径，l是管长。
结果和讨论
本研究的目的是使用内部制造的原型仪器确定熔盐液位测量的最佳条件。首先，如图3所示，使用四个不同尺寸的管来检查环境基础压力在某些任意固定实验条件下的影响，即，使用20g水以0.250mm/s的下降速度。管尖端与水的表面距离调整为约。对于使用实验室千斤顶的所有四个管，70mm，因为绝对液位值在本实验中并不重要，并且行程距离的相对值提供了足够的信息来检查管尺寸和环境基础压力的影响。如表1所示可以开始测量的最小环境基础压力随着管尺寸的减小而增加，因为管压力应该足够高以从浸没在液体中的管产生气泡。根据以下公式中的Young-Laplace方程，较小的管需要较高的基础压力。（2）。
表格1。
使用小瓶中的20g水和不同尺寸的管在不同环境基础压力（Pa）下以0.250mm/s的下降速度进行10次重复液位测量的结果
从z=0到液面的距离
其中R是管的半径，γ是水的表面张力，ΔP是管压力和流体静压之间的压力差。管压代表空气流速。压力越高，流速越高。在0.26毫米管的情况下，初始环境管压力（Pa）应高于1,200帕以开始实验，而150帕足以测量0.98毫米管的液位。如果Pa从150Pa增加到1,000Pa，则由于来自管的强气流，从z=0行进到液面的距离（D）显着增加。作为Pa由于强气流产生大气泡，10次重复测量的标准偏差也从0.03mm恶化到0.24mm。所有其他三个管都表现出更好的准确度和精度，尽管随着管直径的减小，最小Pa增加。在相同的Pa范围内，当使用0.85mm的管时，D不依赖于Pa，其标准偏差也在0.03mm之内。同样，0.34毫米和0.26毫米的管在Pa时显示出良好的精度和精度一个较大的管可以避免灰尘或任何其他污染物堵塞，并且可以通过简单的针阀精确控制基础压力，而在非常小的管中控制基础压力则要困难得多。在我们目前的测量系统中，选择0.98毫米管和250帕作为基础压力作为进一步研究的最佳条件。在第二个实验中，使用0.98mm的管和250Pa作为基础压力来研究管的下降速度对液位测量的影响。表2表明管的高速运动增加了D值。在现场应用中，测量时间是有效监控过程的关键。如果移动管的速度从0.125mm/s增加到2.5mm/s，则D增加约1mm。选择0.25mm/s的管速作为液位测量的合理速度，因为可以以亚毫米的精度和精度测量液位，这是我们在高温过程应用中的主要问题之一。
表2。
使用0.98毫米管在基础压力Pa=250Pa下使用20g水测量管的下降速度对液位测量的影响
从z=0到液面的距离
通常，需要关于液位的信息来确定容器中的液体量或监测处理容器中液体体积的任何变化。为此目的，没有必要测量绝对液位。事实上，我们现有的系统不适合直接测量液位，如图1所示。然而，为了监测目的，尖端-表面距离（D）的测量足以检测过程故障。液位（H）可以通过L1，L2和D的直接测量来计算。但是，直接测量L1和L2是测量误差的主要来源之一。相反，我们提出了一种重量校准方法，用于准确测定液体重量。图4示出了使用0.98毫米管以0.25mm/s的速度管和250Pa的基础压力与15的水的重量相对于距离（d）曲线-对应于液面45g水CA。2.8-通过假设小瓶是完美的圆柱体从小瓶直径计算的8.3厘米。校准曲线显示水重和距离（D）之间的非常好的线性关系，测定系数（R2）为0.9999。对于图4中的所有样品，10次重复测量的标准偏差小于0.07mm。与传统的液位计相比，这些值非常令人满意，传统的液位计的精度通常超过1毫米。为了确定液位（H）而不是直接测量L1和L2，“无校准”技术的概念在过程监控方面非常有用，因为L2和L2的精确测量L1在现场过程中有时非常困难。通过采用无校准技术的概念，精确确定距离（D）仅足以监测和控制现场过程中的液体量。
图4。
校准曲线用于从行程距离（D）确定液体量和小瓶中液体的重量，而不需要直接知道液位。所有误差条都会放大100倍，因为它们太小而无法在曲线中看到。
结论
在常规的基于压力的方法中，例如流体静力学方法，差压和起泡器方法，测量误差的主要来源是整个测量过程中液体溶液内部的温度，因为温度变化会影响液体密度和静水压力值。液位不变。液体密度还取决于工艺条件，例如组成变化，相分离，悬浮颗粒的存在和气泡。然而，我们目前通过气/液表面的突然压力变化检测表面的动态管压方法不依赖于熔体的这种工艺条件。
作为开发适用于高温热化学应用的液位测量系统的初步研究，使用由步进电机控制的简单单管来研究原型测量系统。为了获得最佳结果，仔细确定了实验参数，例如气体流速，管的下降速度和临界压力水平。通常，测量误差小于0.1mm。管的直径越小，获得更好结果所需的气体流速越高。然而，当气体流速太高时，精度变差。在该研究中检查的范围内，管的下降速度的影响不显着。我们还开发了一种方法，用于确定容器中液体的重量，测量从管尖到液面的行程距离。在大多数应用中，过程监控中的行程距离信息就足够了。
在进一步的研究中，我们的液体测量系统原型将得到改进，用电炉测量手套箱内高温熔盐的密度和表面张力以及液位。在高温应用的情况下，应特别小心，因为熔盐非常热和腐蚀性。应尽量减少与熔盐接触的时间。